X射線連續譜法診斷鋁絲陣Z箍縮等離子體溫度*

蒙世堅 李正宏 秦 義 葉 繁 徐榮昆

(核物理與化學研究所，綿陽 621900)

(2010年4月19日收到;2010年6月7日收到修改稿)

X射線連續譜法診斷鋁絲陣Z箍縮等離子體溫度*

蒙世堅 李正宏 秦 義 葉 繁 徐榮昆

(核物理與化學研究所，綿陽 621900)

(2010年4月19日收到;2010年6月7日收到修改稿)

用球面石英彎晶衍射、CCD記錄測量鋁絲陣Z箍縮中的時間積分X射線連續能譜，并由連續譜斜率擬合出電子溫度.該法獲得的擬合數據點多，能有效篩除含線輻射的數據，減弱線輻射的影響，求得更可靠的等離子體核心高溫區的溫度.以發次09076為例，核心溫度約為250 eV，在95%的置信度范圍里，其變化范圍約241—258 eV.

球面彎晶，連續譜，電子溫度，Z箍縮

PACS:52.70.La，32.30.Rj

1.引 言

將X射線輻射譜作為有力的診斷手段已經被廣泛應用于激光聚變［1，2］、Z 箍縮［3，4］等慣性約束聚變(ICF)研究中.通過等離子體自身輻射出的X射線的連續譜求電子溫度不依賴于電子密度，且適用于高密度等離子體診斷.測量X射線連續譜的方法主要有吸收法［5］和衍射法.吸收法時間分辨高，但能量分辨率低，數據點少，2006年國內采用羅斯濾片法測得0.28—1.56 keV范圍內的5個連續能量段［6］.美國圣地亞國家實驗室曾用金剛石光電導探測器(diamond photoconducting detectors，PCD)測量鋁絲陣Z箍縮高能連續輻射并擬合電子溫度［7］，主要看重 PCD能量響應平坦、響應穩定、不易老化［8］，但只得到5個能量段的強度，即只有5個數據用于擬合電子溫度［7］，如果某個能段落在線輻射上，引起的誤差很大.衍射法主要通過色散元件使不同能段X射線分布到空間不同位置，實現能譜測量.常用的色散元件包括光柵［9］、晶體［10］和多層反射膜.診斷鋁等離子體溫度的X射線連續譜的波長一般小于1 nm.美國研制的Chandra X射線望遠鏡中的高能透射光柵刻線密度達5000 l/mm，周期為200 nm［11］.2008年國內中科院微電子所研制的透射光柵周期為300 nm［11］.而晶體或反射鏡由于面間距為納米級［12］，故比光柵更適合測量高能輻射譜.

本文采用球面石英彎晶測得鋁絲陣Z箍縮等離子體X射線輻射譜，獲得大量數據點，有效篩除了含強線輻射的數據，求得更為可靠的電子溫度.

2.測量原理及裝置

球面彎晶的衍射如圖 1所示.晶面間距為d，曲率半徑為R，曲率中心為O點.r為源的尺寸，X射線波長為λ，源與晶體距離為p，O點與聚焦點距離為f，O點與源距離為s，掠射角為θ，反射角為φ=π/2－θ.

衍射滿足布拉格(Bragg)方程 nλ=2dsinθ，n是衍射階次.f與 λ 滿足［17，18］

圖1 球面彎晶衍射示意圖［17］

實驗裝置如圖 2，等離子輻射出 X射線，經過Be膜(用于遮擋可見光)和狹縫后入射到球面彎晶上，色散到薄膜閃爍體上轉換為可見光，經一維陣列傳像束進入像增強器，CCD拍攝后傳入計算機.

圖2 實驗裝置示意圖

3.實驗結果

發次09276的負載為32根直徑20 mm，長20 mm的鋁絲陣，單根絲直徑為8 mm，負載電流為1.3 MA.拍攝圖像見圖3(a)，中間白色條狀區即為光纖陣列端面，尺寸為30 mm×2 mm，從左到右，X射線能量逐漸增高.結合(1)式和實驗條件求得相對能譜如圖3(b).

實驗用的Be膜濾片厚度為15 μm，其對能譜的影響見圖4(a).實線為消除Be影響前的能譜，虛線為消除后的.薄膜閃爍體的能量響應、球面彎晶的積分衍射效率尚未標定，可假設在關注能段內與射線波長無關.能量段2174—2365 eV的線性較好，扣除線輻射附近的數據點后進行擬合，如圖 4(b).擬合得電子溫度為Te=249.2 eV.在95%的置信度范圍里，電子溫度的變化范圍為241.2—257.8 eV，擬合數據的線性相關系數為－0.945.北京應用物理與計算數學研究所用磁流體力學模型(MHD)模擬計算得發次09276在內層5，20，50網格中的平均電子溫度分別為260，201，189 eV.可見實驗溫度與內層5網格的平均溫度符合得較好.

解譜時沒考慮晶體高階衍射影響.對能量為hν附近的能譜，二階衍射來自于2hν，在關注的能段內，2hν的能段里只有連續輻射，故二階與一階強度比約為 exp(－hν/kTe)，由于 kTe<300 eV，hν>2100 eV，故二階的影響小于0.09%，可忽略不計.高于二階的衍射影響更小，故解譜時不需要考慮高階衍射.

連續輻射主要來自箍縮等離子體中心的高溫區，且被周圍環繞的低溫區等離子體吸收的程度小，故連續輻射的溫度反映中心高溫區的溫度［19］.實驗溫度與理論模擬不同區域溫度的比較也說明了這點.而高溫區產生線輻射在低溫區被強烈吸收并再輻射，故線輻射比的溫度反映中心高溫區與周圍低溫區的平均溫度.本文的測量方法補充了線輻射比法的不足，為認識鋁絲陣Z箍縮中核心區的等離子體狀態提供了電子溫度參量.

本研究利用壓電加速度傳感器將采集到的振動信號通過放大、濾波處理, 然后進行A /D轉換, 將轉換后的數字信號送入DSP, 按照編寫的數字濾波程序和采樣校準算法進行運算處理, 然后輸出并保存和顯示處理后的數據。測振系統原理圖如圖2所示。

圖3 發次09276實驗結果 (a)CCD拍攝到的X射線色散圖;(b)X射線相對能譜圖

圖4 (a)經15 μm厚的Be膜衰減前后的 X射線相對能譜;(b)取對數后的相對能譜，并利用2175—2365 eV能段的數據擬合直線，扣除了含主要線輻射的數據點

4.結 論

在強光一號裝置上，利用球面石英彎晶測量了能譜范圍在2.17—2.4 keV的時間積分輻射譜.根據連續譜估算得等離子體核心溫度約為250 eV，在95%的置信度范圍里，其變化范圍約241—258 eV，而MHD模擬得內層溫度約260 eV.與PCD測溫法比較，該法用于擬合溫度的數據點多，且能有效減弱線輻射引起的誤差.

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PACS:52.70.La，32.30.Rj

X-ray continuum spectra for diagnosing plasma temperature in aluminum wire array Z-pinches*

Meng Shi-Jian Li Zheng-Hong Qin Yi Ye Fan Xu Rong-Kun
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry，Mianyang 621900，China)(Received 19 April 2010;revised manuscript received 7 June 2010)

Time-integrated X-ray continuum spectra measured with spherical bent quartz crystal and CCD in aluminum wire array Z-pinches，provide electron temperature by fitting the continuum slope.More data obtained for fitting and markedly reduced influence of line radiation by removing the data superimposed with line spectra，make the temperature in hot core region of plasma more reliable.In experiment of shot No.09076，the core temperature is around 250 eV，ranging from 241 eV to 258 eV at a 95%confidence level.

spherical bent crystal，continuum，electron temperature，Z-pinch

*國家自然科學基金(批準號:10635050)資助的課題.

E-mail:mengsj04@163.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10635050).

E-mail:mengsj04@163.com