用于Zpinch等离子体K层辐射诊断的时空分辨椭圆弯晶谱仪.ppt

* * * 用于Z-pinch等离子体K层辐射诊断的时空分辨椭圆弯晶谱仪 吴 刚，邱爱慈，吕 敏，黑东炜，盛 亮，魏福利蒯 斌，王亮平，丛培天，雷天时，韩娟娟，孙铁平 第13届全国等离子体科学技术会议，成都，2007年8月 “强光一号”加速器 * * 第一页，共十六页。 引言 Z-pinch等离子体ne：0.1~1keV，Tion：1019~1022cm-3中低Z元素负载极易电离到内(K)壳层，因强烈的特征线发射成为最有效的keV能区X射线源：在1-3keV能段，电能-X射线的转换效率η~2-5%。 “强光一号”加速器：负载电流I~1.5-2MA，上升时间~80ns，电储能~250kJ。正在开展喷Ne气和Al丝阵产生K层辐射实验研究，基于晶体衍射的特征线谱诊断有重要意义。 * * 第二页，共十六页。 系统设计 基本构成 弯晶谱仪示意图：a)衍射光路；b)摄谱系统 狭缝成像-1维空间分辨(轴向) 晶体色散分光-谱分辨 门控MCP-4分幅像-时间分辨(2~5ns) 配套设备ns级触发同步机ns快门脉冲发生器kV直流高压电源真空系统(~10-4Pa)图像采集卡、计算机ms级慢同步触发器 * * 第三页，共十六页。 系统设计 晶体选择 在0.5~3keV能段OHM (2d=63.5?)KAP(2d=26.63 ?) TAP(2d=25.76 ?)Mica(2d=19.84?)PET(2d=8.742?)Quartz(2d=8.52?) 晶体参数：两片拼接L=2×45mm=90mmTAP曲率半径Rmin=73mm 谱仪腔室距等离子体源~5.5m (与一个X射线8分幅相机共用) 晶架设计 光路图 e=0.999；椭圆柱面近似为抛物柱面； 入射光束为准平行光，衍射后在焦点处会聚 摄谱范围： OHM 460~1190eV TAP 1140~2920eV 衍射角范围 MCP分幅相机斜置 * * 第四页，共十六页。 系统实物 X射线像增强器有效区域Φ40mmAu微带宽7mm，厚200nm共4条，间隔~1.5mm 晶架弧面：94×17mm晶片45mm×15mm×0.2mm两片拼接 CCD相机(商业级) 敏通MTV-1881EX黑白摄像头像元尺寸10um×10um图像阵列768×576输出灰度1~255光积分时间20ms * * 第五页，共十六页。 物理分析：谱形和谱强度传递 狭缝成像的衰减 考虑100J、λ=12.4?(~1keV）的线辐射设谱线半宽度为0.1? (~ 10eV )等离子体柱长为2cm，辐射脉宽10ns则线辐射度Bλ=4×1011J·(s·?·sr·m)-1。δ=0.1mm，L=4730mm，l=700mm晶面上入射强度Iλ=1×107W/(?·m2)。 薄膜的衰减 真空分隔膜：2um Mylar + 0.2um Al 滤光片：8um Al；15um 聚乙烯；2.5um Mylar + 0.42um Al等 T~10%，Iλ’=1×106W/(?·m2)。 * * 第六页，共十六页。 晶体衍射 物理分析：谱形和谱强度传递 积分反射系数(TAP) 对λ=12.4?，Iλ’=1×106W/(?·m2)，取 2d=25.76 ? ( TAP)，Rθ=2×10-4radF~0.5 W/cm2。 在1~2keV范围，TAP的Rθ基本不变，~2×10-4rad，但因Tl元素在~2.4keV处的M层吸收边， 该能点的邻域内Rθ出现下冲，引起谱形畸变。 * * 第七页，共十六页。 像增强器的光电-电光转换 物理分析：谱形和谱强度传递 C=1.6×10-19J/eV Y(E) Au阴极后端面量子效率 M MCP电子倍增系数 K 荧光屏电光转换效率 板压V/V 800 900 1000 M 560 1620 4180 对于铝化P20荧光屏，屏压4500V时， K~2.1×10-16J/电子 200nm透射型Au阴极量子效率 Yf 取Y=0.01，对E=1keV、F=0.5 W/cm2、脉宽10ns的阴极照度，荧光屏发光亮度的时间积分为260nJ/cm2。 Au阴极M边~2.2keV * * 第八页，共十六页。 物理分析：谱形和谱强度传递 CCD镜头耦合 光电转换和数字化 CCD光敏面积分照度为30nJ/cm2。 P20荧光时间1~100ms，CCD光积分时间20ms，可认为该照度被单次图像记录。 CCD光敏面量子效率ηCCD=0.175；S为像元面积， 30nJ/cm2对应每个像元上光子数为8.6×104； g为每图像灰度对应的像面光电子数，g~365；则GN=40。 小结： 考虑到像增强器和CCD的线性动态范围，理论上