曹柱榮 董建軍 楊正華 詹夏宇 袁錚 張海鷹 江少恩 丁永坤

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽(yáng) 621900)

(2012年5月14日收到;2012年9月26日收到修改稿)

1 引言

在天體物理、等離子體、高能量密度物理以及慣性約束聚變研究中,需要廣泛關(guān)注輻射體X光發(fā)射的各種信息.輻射體診斷首先需要完成對(duì)X光的能量或波長(zhǎng)選擇,選擇方法包括單色方法、帶通方法以及平響應(yīng)全光譜測(cè)量等[1?3].單色方法比如各種類型的光柵、晶體以及波帶片等,應(yīng)用中需要考慮輻射體的強(qiáng)度和譜特性等因素.平響應(yīng)全光譜測(cè)量主要為一般性的強(qiáng)度診斷或者已知譜情況下的輻射流診斷.帶通方法主要為各種類型的平面鏡和濾片組合,應(yīng)用相對(duì)普遍,它是輻射體診斷中單色與全光譜測(cè)量方法之間的一種折中,被廣泛用于絕對(duì)計(jì)量.比如用于慣性約束聚變研究的軟X光功率譜儀,可以獲得黑腔輻射體X光輻射通量、輻射溫度、X射線返照率以及轉(zhuǎn)換效率等信息的絕對(duì)計(jì)量[4?7].

基于平面鏡和濾片的這種傳統(tǒng)X帶通方式是一種掠入射反射式結(jié)構(gòu),雖然構(gòu)成結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,但是在精密實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中仍然存在很多不足.比如在輻射流特性診斷中的多通道軟X光功率譜儀,需要多通道的掠入射平面鏡組合.鏡子的結(jié)構(gòu)與裝配會(huì)引入較多的不確定性,鏡子的角度敏感性對(duì)標(biāo)定和應(yīng)用提出很高的精度要求.尤其是多通道結(jié)構(gòu)下,整個(gè)譜儀的視角接近8°,對(duì)于動(dòng)態(tài)輻射體而言,通道視角因子的差異幾乎不可能修正.另外在輻射體成像型帶通診斷中,比如多組平面鏡配合針孔成像診斷輻射體等離子體運(yùn)動(dòng)研究,系統(tǒng)瞄準(zhǔn)和圖像固有傾角成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用的難點(diǎn)[8?10].

因此,發(fā)展透射式結(jié)構(gòu)的帶通方法在輻射體帶通診斷中具有非常重要的實(shí)際意義,它可以大大減小多通道設(shè)計(jì)下的視角差,可以解決帶通成像的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題.

本工作針對(duì)基于微通道板(micro-channal plate,MCP)X射線光學(xué),提出了一種平面透射式軟X光帶通方法,通過(guò)同步輻射裝置單色X光束線標(biāo)定,獲得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2 帶通設(shè)計(jì)原理

圖1為方孔MCP的基本原理.在以一定角度平行光入射情況下,從入射口不同位置入射,其反射次數(shù)不同.入射點(diǎn)深度越深,反射次數(shù)越少,反之反射次數(shù)加大.

顯然,反射次數(shù)與通道長(zhǎng)度、通道孔徑、入射角度以及入射點(diǎn)位置等參數(shù)有關(guān).不考慮X射線穿過(guò)通道墻的透射影響,則通過(guò)微通道傳輸效率為

其中λ為X射線波長(zhǎng),k為MCP占空比,M為反射次數(shù).從使用角度分析,有三種通道口結(jié)構(gòu)的反射幾何.

第一種為方形通道口,反射次數(shù)直接由平面多次反射得到;在應(yīng)用上比較簡(jiǎn)單,有效反射率高,帶通效果比較實(shí)用.

第二種為六角形通道口,在MCP一定傾角下反射面為一個(gè)底面和兩個(gè)側(cè)面.反射面為側(cè)面時(shí),光路將沿著六角面逐個(gè)反射,并且反射次數(shù)將是兩倍于底面.在考慮角度與反射率的關(guān)系后,總的通道出射譜和效率將是底面與側(cè)面在二倍關(guān)系反射次數(shù)和兩種角度反射率的綜合平衡結(jié)果.

圖1 方孔MCP反射幾何原理

第三種情況為圓孔通道口,在MCP一定傾角下反射面為舌狀柱面.模擬結(jié)果表明,對(duì)于圓孔通道,雖然每個(gè)入射點(diǎn)的反射角不同,但二次反射角度與首次反射角度永遠(yuǎn)相同.但是隨著反射位置變化,反射角增大,有效反射率降低.因此,在相同入射角下,圓孔通道的透過(guò)率最低.

因此,從效率和實(shí)用性角度,方形通道口MCP具有明顯優(yōu)勢(shì).模擬以通道長(zhǎng)度500μm、通道孔徑7μm×7μm為基本參數(shù),變化入射角度,對(duì)反射次數(shù)進(jìn)行了模擬.在平行光入射情況下,設(shè)入射角度為θ,孔徑為d,通道長(zhǎng)度為L(zhǎng),則首次反射面的長(zhǎng)度為d/tgθ,反射次數(shù)為L(zhǎng)/(d/tgθ).顯然只有特定設(shè)計(jì)時(shí)L/(d/tgθ)才為整數(shù)時(shí).一般地,由于通道孔徑只有幾微米,長(zhǎng)徑比為幾十,所以反射次數(shù)只有n次到n+1次兩種分布.并且角度越大,反射次數(shù)越多,單位通道面積上對(duì)應(yīng)的反射率呈冪指數(shù)衰減.我們可以比較兩個(gè)角度的反射率差異.首先建立出射譜的計(jì)算模型,設(shè)MCP的開口面積比為O,X光在MCP內(nèi)表面的單次反射反射率為R,反射次數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重為P,則對(duì)應(yīng)的出射譜為

圖2為θ=1°和θ=5°時(shí)的單次反射率和多次反射權(quán)重匹配后的反射率.由圖2可見(jiàn),對(duì)于θ=1°,反射兩次的份額為30%,與單次反射差異不太大.但對(duì)于θ=5°,反射6次的份額為70%;反射7次的份額占30%.對(duì)于軟X光而言,幾乎全部截止.由此可見(jiàn),控制小角度入射是必要的,過(guò)大的角度很難實(shí)現(xiàn)X光的帶通選擇.

因此,MCP帶通設(shè)計(jì)主要考察MCP長(zhǎng)徑比設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上給出合適的角度設(shè)計(jì).另外,獲得高效率透射譜,必須解決好表面粗糙度問(wèn)題,粗糙度太大,既影響反射效率和最終的透射率,也會(huì)增大散射份額,增大X光信號(hào)本底.

圖2 θ=1°和θ=5°的反射率比較

3 實(shí)驗(yàn)方法

基于北京同步輻射裝置標(biāo)定4B7B軟X光束線(3W1B升級(jí))開展了MCP-X光傳輸特性的精密標(biāo)定實(shí)驗(yàn)[6].4B7B軟X光束線的能量范圍為50—1500eV;能量分辨本領(lǐng)大于200;二次諧波成分比例不高于5%;光子通量高于109phs/s(250 mA,2.5GeV).標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,光束經(jīng)過(guò)單色器系統(tǒng)后輸出單色光,通過(guò)單色光入射MCP前后的光強(qiáng)比獲得出射譜.為減小光彌散造成的測(cè)量不確定性,MCP樣品與探測(cè)器距離盡量小于1 mm.光源強(qiáng)度由AXUV-100型硅光二極管標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器給出,輸出信號(hào)用6517A弱電流計(jì)記錄.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為兩次標(biāo)定給出的MCP透射譜,MCP厚度為0.5 mm,傾角為13 mrad,孔徑為7μm×7μm,占空比為50%.由圖4可見(jiàn),透射譜中MCP豐富的吸收非常清楚,如常見(jiàn)的C邊,O邊以及在800 eV附近皮玻璃自身金屬的各種吸收邊,其中尤其O邊比較深,O邊深度為低于538 eV和高于538 eV的帶通設(shè)計(jì)和選擇提供了條件.同時(shí),MCP透射率比較高,在80—538 eV范圍大于30%,在538—1000 eV范圍大于20%.高透過(guò)率對(duì)于X光帶通應(yīng)用提供較高的效率.

圖4 方孔MCP帶通效率的標(biāo)定結(jié)果

圖5 為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較.理論計(jì)算結(jié)果分別為13 mrad和17 mrad兩個(gè)角度.XOP軟件計(jì)算的反射率結(jié)合圖2所示的反射次數(shù)與權(quán)重,給出不同角度情況下的MCP透射譜.計(jì)算中MCP分子式為 “O212Si87Pb16K12Na4Bi3Ba4Al2”.由圖 5可見(jiàn),13 mrad的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得較好,角度越大,截止能點(diǎn)越低.基于圖5所示的MCP帶通片透射譜,結(jié)合濾片標(biāo)定結(jié)果,可以給出多種窄能帶結(jié)構(gòu)的能量選擇器,由此驗(yàn)證了MCP作為帶通片的設(shè)計(jì)和標(biāo)定技術(shù).

圖5 孔MCP帶通效率標(biāo)定結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較

圖6 為4種濾片標(biāo)定數(shù)據(jù)與圖5透射譜標(biāo)定數(shù)據(jù)組合后的數(shù)據(jù)結(jié)果,這4種濾片為神光II裝置DANTE譜儀用的常規(guī)濾片,透過(guò)率為同條件下的標(biāo)定數(shù)據(jù).由圖6可見(jiàn),MCP帶通效果具有明顯于平面鏡的窄能帶特點(diǎn),并且在一個(gè)角度下的MCP即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)能點(diǎn)的選擇.

由圖6可以給出帶通寬度和帶通能點(diǎn)的配置,表1為4條曲線的帶通中心能點(diǎn)和能帶寬度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)表明,帶通效率可以被設(shè)計(jì)在很接近的范圍,由此為同條件配置譜儀通道提供了可靠的結(jié)果,同時(shí)也方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

圖6 MCP配濾片的帶通譜結(jié)果

表1 MCP配濾片的帶通參數(shù)

與當(dāng)前平面鏡方法實(shí)現(xiàn)多能帶選擇相比,MCP帶通方法可以單片實(shí)現(xiàn)多能段選擇,大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu).反射式帶通元件的多通道設(shè)計(jì)則存在各個(gè)通道鏡面角度調(diào)整精度、標(biāo)定與應(yīng)用一致性、大體積下視角因子對(duì)輻射流測(cè)量的影響等方面的問(wèn)題.

5 結(jié)論

基于MCP X射線光學(xué),提出了一種平面透射式軟X光帶通方法.通過(guò)同步輻射裝置4B7B軟X光束線單色束線標(biāo)定,獲得了方孔MCP的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.結(jié)果表明,孔徑為 7μm×7μm,厚度為0.5 mm的MCP,在傾角13 mrad下,透射譜具有很好的出射效率和高能截止效果,并且配合濾片能夠在1 keV以下多個(gè)能點(diǎn)實(shí)現(xiàn)低通,通帶寬度為100 eV左右.

與當(dāng)前平面鏡方法實(shí)現(xiàn)多能帶選擇相比,MCP帶通方法可以單片實(shí)現(xiàn)多能段選擇,大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),在標(biāo)定與應(yīng)用一致性、視角因子影響等方面具有明顯優(yōu)勢(shì).這種新型透射式帶通技術(shù)在輻射流精密診斷、軟X光窄能帶成像以及各類X射線源測(cè)試與應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的實(shí)際意義.

本工作中的北京同步輻射裝置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所趙屹東、洪才浩、鄭雷、崔明啟等老師的幫助和指導(dǎo),本工作中的特種MCP研制得到北方夜視南京公司潘京生、孫建寧、蘇德坦等老師的支持和幫助,在此一并表示感謝.

[1]Lindl JD,Amendt P,Berger R L,Glendinning S G,Glenzer S H,Haan S W,Kauffman R L,Landen O L,Suter L J 2004 Phys.Plasmas 11 339

[2]Campbell E M,Hogan WJ 1999 Plasma Phys.Control Fusion 41 B39

[3]Lindl J D 1995 Phys.Plasmas 2 3933

[4]Sun K X,Cui Y L,Yi R Q,Jiang S E,Huang T X,Yang J M,Ding Y K,Cui M Q,Zhu P P,Zhao Y D,Li G,Zhang JH 2003 Optics and Precision Engineering 11 349(in Chinese)[孫可煦,崔延莉,易榮清,江少恩,黃天晅,楊家敏,丁永坤,崔明啟,朱佩平,趙屹東,黎剛,張景和2003光學(xué)精密工程11 349]

[5]Sun K X,Yi R Q,Yang G H,Jiang S E,Cui Y L,Liu S Y,Ding Y K,Cui M Q,Zhu P P,Zhao Y D,Zhu J,Zheng L,Zhang J H 2004 Acta Opt.Sin.53 1099(in Chinese)[孫可煦,易榮清,楊國(guó)洪,江少恩,崔延莉,劉慎業(yè),丁永坤,崔明啟,朱佩平,趙屹東,朱杰,鄭雷,張景和2004物理學(xué)報(bào)53 1099]

[6]Yi R Q,Yang G H,Cui Y L,Du H B,Wei M X,Dong J J,Zhao Y D,Cui M Q,Zheng L 2006 Acta Phys.Sin.55 6287(in Chinese)[易榮清,楊國(guó)洪,崔延莉,杜華冰,韋敏習(xí),董建軍,趙屹東,崔明啟,鄭雷2006物理學(xué)報(bào)55 6287]

[7]Cao Z R,Li S W,Jiang S E,Ding Y K,Liu S Y,Yang J M,Zhang H Y,Yang Z H,Li H,Yi R Q,He X A 2011 Acta Phys.Sin.59 7170(in Chinese)[曹柱榮,李三偉,江少恩,丁永坤,劉慎業(yè),楊家敏,張海鷹,楊正華,黎航,易榮清,何小安2010物理學(xué)報(bào)59 7170]

[8]Cao Z R,Zhang H Y,Dong JJ,Yuan Z,Miao WY,Liu S Y,Jiang S E,Ding Y K 2011 Acta Phys.Sin.60 045212(in Chinese)[曹柱榮,張海鷹,蕫建軍,袁錚,繆文勇,劉慎業(yè),江少恩,丁永坤2011物理學(xué)報(bào)60 045212]

[9]Cao Z R,Ding Y K,Liu S Y 2010 Acta Phys.Sin.59 2640(in Chinese)[曹柱榮,丁永坤,劉慎業(yè)2010物理學(xué)報(bào)59 2640]

[10]Cao Z R,Zhang H Y,Yi R Q,Li H,Dong JJ,Gu Y Q,Liu S Y,Ding Y K 2008 High Power Laser and Particle Beams 20 948(in Chinese)[曹柱榮,張海鷹,易榮清,黎航,董建軍,谷渝秋,劉慎業(yè),丁永坤2008強(qiáng)激光與粒子束 20 948]