一種透射式軟X光帶通方法研究*

曹柱榮 董建軍 楊正華 詹夏宇 袁錚 張海鷹 江少恩 丁永坤

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 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,需要廣泛關注輻射體X光發射的各種信息.輻射體診斷首先需要完成對X光的能量或波長選擇,選擇方法包括單色方法、帶通方法以及平響應全光譜測量等[1?3].單色方法比如各種類型的光柵、晶體以及波帶片等,應用中需要考慮輻射體的強度和譜特性等因素.平響應全光譜測量主要為一般性的強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,應用相對普遍,它是輻射體診斷中單色與全光譜測量方法之間的一種折中,被廣泛用于絕對計量.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射線返照率以及轉換效率等信息的絕對計量[4?7].

基于平面鏡和濾片的這種傳統X帶通方式是一種掠入射反射式結構,雖然構成結構比較簡單,但是在精密實驗應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.鏡子的結構與裝配會引入較多的不確定性,鏡子的角度敏感性對標定和應用提出很高的精度要求.尤其是多通道結構下,整個譜儀的視角接近8°,對于動態輻射體而言,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動研究,系統瞄準和圖像固有傾角成為系統設計和實際應用的難點[8?10].

因此,發展透射式結構的帶通方法在輻射體帶通診斷中具有非常重要的實際意義,它可以大大減小多通道設計下的視角差,可以解決帶通成像的結構性問題.

本工作針對基于微通道板(micro-channal plate,MCP)X射線光學,提出了一種平面透射式軟X光帶通方法,通過同步輻射裝置單色X光束線標定,獲得了初步的實驗結果.

2 帶通設計原理

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,其反射次數不同.入射點深度越深,反射次數越少,反之反射次數加大.

顯然,反射次數與通道長度、通道孔徑、入射角度以及入射點位置等參數有關.不考慮X射線穿過通道墻的透射影響,則通過微通道傳輸效率為

其中λ為X射線波長,k為MCP占空比,M為反射次數.從使用角度分析,有三種通道口結構的反射幾何.

第一種為方形通道口,反射次數直接由平面多次反射得到;在應用上比較簡單,有效反射率高,帶通效果比較實用.

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

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.模擬結果表明,對于圓孔通道,雖然每個入射點的反射角不同,但二次反射角度與首次反射角度永遠相同.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,圓孔通道的透過率最低.

因此,從效率和實用性角度,方形通道口MCP具有明顯優勢.模擬以通道長度500μm、通道孔徑7μm×7μm為基本參數,變化入射角度,對反射次數進行了模擬.在平行光入射情況下,設入射角度為θ,孔徑為d,通道長度為L,則首次反射面的長度為d/tgθ,反射次數為L/(d/tgθ).顯然只有特定設計時L/(d/tgθ)才為整數時.一般地,由于通道孔徑只有幾微米,長徑比為幾十,所以反射次數只有n次到n+1次兩種分布.并且角度越大,反射次數越多,單位通道面積上對應的反射率呈冪指數衰減.我們可以比較兩個角度的反射率差異.首先建立出射譜的計算模型,設MCP的開口面積比為O,X光在MCP內表面的單次反射反射率為R,反射次數對應的權重為P,則對應的出射譜為

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

因此,MCP帶通設計主要考察MCP長徑比設計,在此基礎上給出合適的角度設計.另外,獲得高效率透射譜,必須解決好表面粗糙度問題,粗糙度太大,既影響反射效率和最終的透射率,也會增大散射份額,增大X光信號本底.

圖2 θ=1°和θ=5°的反射率比較

3 實驗方法

基于北京同步輻射裝置標定4B7B軟X光束線(3W1B升級)開展了MCP-X光傳輸特性的精密標定實驗[6].4B7B軟X光束線的能量范圍為50—1500eV;能量分辨本領大于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).標定實驗裝置如圖3所示,光束經過單色器系統后輸出單色光,通過單色光入射MCP前后的光強比獲得出射譜.為減小光彌散造成的測量不確定性,MCP樣品與探測器距離盡量小于1 mm.光源強度由AXUV-100型硅光二極管標準探測器給出,輸出信號用6517A弱電流計記錄.

圖3 實驗裝置示意圖

4 實驗結果與分析

圖4為兩次標定給出的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,透射譜中MCP豐富的吸收非常清楚,如常見的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的帶通設計和選擇提供了條件.同時,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%.高透過率對于X光帶通應用提供較高的效率.

圖4 方孔MCP帶通效率的標定結果

圖5 為實驗結果與計算結果的比較.理論計算結果分別為13 mrad和17 mrad兩個角度.XOP軟件計算的反射率結合圖2所示的反射次數與權重,給出不同角度情況下的MCP透射譜.計算中MCP分子式為 “O212Si87Pb16K12Na4Bi3Ba4Al2”.由圖 5可見,13 mrad的結果與實驗符合得較好,角度越大,截止能點越低.基于圖5所示的MCP帶通片透射譜,結合濾片標定結果,可以給出多種窄能帶結構的能量選擇器,由此驗證了MCP作為帶通片的設計和標定技術.

圖5 孔MCP帶通效率標定結果與計算結果的比較

圖6 為4種濾片標定數據與圖5透射譜標定數據組合后的數據結果,這4種濾片為神光II裝置DANTE譜儀用的常規濾片,透過率為同條件下的標定數據.由圖6可見,MCP帶通效果具有明顯于平面鏡的窄能帶特點,并且在一個角度下的MCP即可實現多個能點的選擇.

由圖6可以給出帶通寬度和帶通能點的配置,表1為4條曲線的帶通中心能點和能帶寬度的實驗數據.數據表明,帶通效率可以被設計在很接近的范圍,由此為同條件配置譜儀通道提供了可靠的結果,同時也方便進行結構設計.

圖6 MCP配濾片的帶通譜結果

表1 MCP配濾片的帶通參數

與當前平面鏡方法實現多能帶選擇相比,MCP帶通方法可以單片實現多能段選擇,大大簡化結構.反射式帶通元件的多通道設計則存在各個通道鏡面角度調整精度、標定與應用一致性、大體積下視角因子對輻射流測量的影響等方面的問題.

5 結論

基于MCP X射線光學,提出了一種平面透射式軟X光帶通方法.通過同步輻射裝置4B7B軟X光束線單色束線標定,獲得了方孔MCP的實驗結果.結果表明,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以下多個能點實現低通,通帶寬度為100 eV左右.

與當前平面鏡方法實現多能帶選擇相比,MCP帶通方法可以單片實現多能段選擇,大大簡化結構,在標定與應用一致性、視角因子影響等方面具有明顯優勢.這種新型透射式帶通技術在輻射流精密診斷、軟X光窄能帶成像以及各類X射線源測試與應用中具有廣泛的應用前景和重要的實際意義.

本工作中的北京同步輻射裝置標定實驗得到中國科學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,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.

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