用于Zpinch等离子体K层辐射诊断的时空分辨椭圆弯晶谱仪.pptx

第13届全国等离子体科学技术会议,成都,2007年8月
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引言
Z-pinch等离子体ne:~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~-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。
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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
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系统设计
晶体选择
~3keV能段OHM (2d=Å)KAP(2d= Å)
TAP(2d= Å)Mica(2d=Å)PET(2d=Å)Quartz(2d=Å)
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~ (与一个X射线8分幅相机共用)
晶架设计
光路图
e=;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
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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~
晶架弧面:94×17mm晶片45mm×15mm×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
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物理分析:谱形和谱强度传递
狭缝成像的衰减
考虑100J、λ=Å(~1keV)的线辐射Å (~ 10eV )等离子体柱长为2cm,辐射脉宽10ns则线辐射度Bλ=4×1011J·(s·Å·sr·m)-1。δ=,L=4730mm,l=700mm晶面上入射强度Iλ=1×107W/(Å·m2)。
薄膜的衰减
真空分隔膜:2um Mylar + Al
滤光片:8um Al;15um 聚乙烯; Mylar + Al等
T~10%,Iλ’=1×106W/(Å·m2)。
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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=Å,Iλ’=1×106W/(Å·m2),取 2d= Å ( TAP),Rθ=2×10-4radF~ W/cm2。
在1~2keV范围,TAP的Rθ基本不变,~2×10-4rad,但因Tl元素在~, 该能点的邻域内Rθ出现下冲,引起谱形畸变。
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像增强器的光电-电光转换
物理分析:谱形和谱强度传递
C=×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~×10-16J/电子
200nm透射型Au阴极量子效率
Yf
取Y=,对E=1keV、F= 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~
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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~D光积分时间20ms,可认为该照度被单次图像记录。
D=;S为像元面积, 30nJ/×104; g为每图像灰