用于硬x光診斷的寬量程濾波譜儀

用于硬x光診斷的寬量程濾波譜儀
介紹了利用濾片和探測囂陣列組臺的硬X光能諾僅(簡稱FFS)的工作原理，結(jié)構(gòu)性扼和羽諾特點(diǎn)．文章 最后蛤出了FFS在慣性約柬聚變(ICF)實(shí)驗(yàn)中涮到的硬X光諧的典型結(jié)果．

1 引言 光譜K邊濾波和濾波-熒光{圭超濾波壕光法 渤 裔 在ICF中，超熱電子的物理特性研究一直受到各國物理學(xué)家的普遺關(guān)注，因?yàn)樗�一方�?可能對靶丸造成有害預(yù)熱，減低內(nèi)爆效率，另一方面還嚴(yán)重影響靶對激光能量的吸收．頻譜分析儀| 電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器|固此，通 過測量高能電子與靶物質(zhì)相互作用產(chǎn)生軔致輻射來推斷超熱電子的行為是至關(guān)重要的． 在激光等離子體發(fā)射的x射線中．包含太量的連續(xù)譜成分．在現(xiàn)有激光器輸出功率下，主 要感興趣的硬x光譜能區(qū)是在1．5~300keV范日．通過連續(xù)譜測量可以獲得許多重要的等離 子體參敦．例如：由譜可推斷等離子體冕區(qū)中的電子溫度 ，超熱電子溫度 和總能量E ， 為激光與靶耦臺能量吸收機(jī)制提供有用信息． 由于激光等離子體存在時間很短．它發(fā)射的x光譜不能用半導(dǎo)體探測器通過脈沖幅度分 析方法來測量．通常是采用所謂多道K吸收邊濾光片法(KF法)或?yàn)V波-熒光法(FF法)和超 濾波一熒光法(HFF法)測量．美國LLNL在70年代末就建立了x射線濾波-熒光譜儀(簡稱 FFS)[ ，至今他們一直使用該設(shè)備診斷激光等離子體發(fā)射的硬x光能譜 “．8O年代中期我 們研制了國內(nèi)第一臺FFS，經(jīng)近幾年來的不斷改善，目前巳成為一臺可以工作三種濾波方式、 測量動態(tài)范圍寬的硬x光能譜儀，它成功地用于 神光r 和“星光I 基額光和短波長激光打 靶中超熱電子的診斷．取得了太量物理信息．

2 譜儀工作原理 激光等離子體發(fā)射硬X射線連續(xù)譜具有單調(diào)下降的特點(diǎn)[．]．根據(jù)該能譜的不同能段具有 不同譜形的特點(diǎn)，分別選用不同濾波法(KF法、FF法和HFF法)對1、5~300keV連續(xù)譜進(jìn)行 分光測量．KF法和FF法測量原理示于圖1． 在 量硬x光譜較低的能段．例如1．5～10keV范日，由于該能段(電子溫度 較低)的 譜強(qiáng)度厶隨光子能量Ex的增加急速地單調(diào)下降，使x光連續(xù)譜經(jīng)K吸收片作用后形成濾波 譜的高能尾部(圖Ic)可以忽略。只要選擇一組具有不同K邊能量的濾片就可以實(shí)現(xiàn)一組能量 甄別． 當(dāng)坡測量的x光能量增高，例如10~88keV范圍，由于該髓段(超熱電子溫度 較高)的 IX隨目的增加而較平緩地單調(diào)下降，圖1c中的高能尾部的影響不可忽略．這時必須采用FF 法測量，即將經(jīng)前濾片濾渡后的x光譜再入射到原子序數(shù)低于前濾片的熒光片上，這樣只有 其能量高于熒光片K邊能量E，的x光，才能使熒光片輻射出K系熒光KX．而且入射光子能 量愈高于 ，熒光產(chǎn)額愈低，致使大于 (前濾片K邊)的高能尾部所產(chǎn)生的KX減少(見圖 1e)。這時所測x光能量的上限由E，確定，下限由E，確定．低于 的X光只能激發(fā)比KX少 得多的LX熒光，它可以通過后濾片濾去．于是KX熒光主要決定于 和E，之間一十確定的 窄能帶(圖lf)．選用若干組濾片，熒光片與探測器組合，可以測出不同窄能帶能區(qū)的x光強(qiáng) 度，達(dá)到硝量入射譜的目的。 圖1 撼渡一熒光法謝量原理圖示 1．x射線2．前撼片3t熒光片l-后撼片 5．陷群 6．破環(huán)7．探翻器 8．．B住 t．^射x光譜 b 拉片嘎收景藏 c．前濾渡x光譜 d．熒光片噯收系數(shù) 6 撼蝮一熒光譜f．后濾披X光譜 應(yīng)當(dāng)注意：FF法測量平緩下降X光譜還必須用解譜法回推，以消除大于E 的高能尾部所 產(chǎn)生的KX熒光率底以及經(jīng)前濾波后的x光在熒光片上產(chǎn)生的散射光率底對探頭的影響。FF 法的特點(diǎn)是能量分辨率高，而探測效率低，只適合低于100keV的高通量高能x光譜測量．由 于受鈞質(zhì)元素的限制，對大于10GkeV的x光測量，則采用超濾渡一熒光法[”，，以獲得較高能 段的窄能帶熒光．該方法的特點(diǎn)：(1)熒光片元素的原子序數(shù)z大于前濾片，即 >E，．(2) 熒光片元素的原子序數(shù)較大。(3)后濾片原子序數(shù)與熒光片相同，可以較好透過熒光片的KX 熒光，濾去熒光片的LX．MX熒光．(4)前濾片的厚度較厚(ram量級)，可以較好地過濾小于E， 的x光．通過選擇前濾片，熒光片，后濾片的種類和厚度，可以調(diào)整I-IFFS通道的峰值，從而可 以得到測量大于laakeV的不同能區(qū)的x光譜．

3 譜儀的結(jié)構(gòu)性能和工作特點(diǎn) 譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，在外徑334mm、內(nèi)徑21 5mm的環(huán)體上可以布置十十濾渡．熒光 道探測器座，構(gòu)成十道FF譜儀．每個探測道與譜僅中心軸的夾角為3。，以保證中心靶點(diǎn)的輻 射均能進(jìn)入各道探測器 由于FF譜儀的探測效率低(≤nX10_。)，同時靶室周圍存在較強(qiáng)硬 x光干擾，園此該譜儀結(jié)構(gòu)突出的特點(diǎn)是具有復(fù)雜的幾何屏蔽 (1)譜儀主管道內(nèi)設(shè)立幾處鉛 準(zhǔn)直體，熒光片前裝有鉛準(zhǔn)直器，其作用是準(zhǔn)直，減少入射光在真空管壁上的散射I(2)探頭安 裝在特制的鉛室里，譜儀周圍設(shè)置有鉛屏蔽墻及配合適當(dāng)鉛磚屏蔽，以便阻止直穿x光及從 靶室周圍物質(zhì)散射的x光進(jìn)入探頭。 譜儀的末端后法蘭上設(shè)置5個探頭座，可以進(jìn)行K邊濾波測量．同時配臺系統(tǒng)幾何干仃探 頭靈敏度調(diào)整，可使探測效率比濾渡一熒光提高4十量級左右．實(shí)現(xiàn)極低通量(≥0．1M／sr)硬x 光譜測量。 FFS及HFFS的濾渡一熒光道都是由前濾片、熒光片、后濾片及探測器陣列組成的(各部件 的位置見圖2)。 圈2 濾坡·熒光譜僅結(jié)掏示意圖 I_E 2． 奎3． 窒洼蘭孔4．往垃譬5．21．真空閹‘．真空塞7—19．偏轉(zhuǎn)甚長&Pb準(zhǔn)直體 Pb準(zhǔn)直磊10．Pb屏蕺囊 I1．Pb霹蕞悻】2．光電倍增譬1 朱墻鷹窗14．黃光片1 5．前毒片16．陷薛l7．對光孔1B．后甚片2仉N,I^悻22．真空幕 熒光片與入射光方向成45。角，熒光輻射經(jīng)后濾片和準(zhǔn)直器射入探 器，透過熒光片的直 穿X光被吸收在陷阱中．后濾片后面放置有磁通密度為0．2T的磁鐵環(huán)，用以偏轉(zhuǎn)濾片中出射 的光電子 譜儀入口處每個探 道都設(shè)置有磁通密度為0．2T的磁鐵環(huán)，用以偏轉(zhuǎn)來自靶室進(jìn) 入主管道內(nèi)的高能電子。 探測器安裝在真空外，通過米勒膜與譜儀真空隔離，譜儀自帶真空機(jī)組，真空度可達(dá)約 l0 Pa。探測器是采用Nal(T1)閃爍體和XPIll0型或XP1l15型光電倍增管組成的閃爍探測 器 探頭靈敏度標(biāo)定在文獻(xiàn)[7]中巳作詳細(xì)介紹．

4 FF譜儀在ICE實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 “神光I 激光單束能量丘為50~750J。激光渡長1．06~rn，脈寬100~1000ps，功率密度J 約為l0“～10“W／cm 。單柬或雙柬(南北兩路)照射平面靶及黑渭靶．濾波熒光(FF)譜儀璜f得 的各類靶典型硬x光譜曲線分別表示在圖3、圖4�！吧窆釯”激光波長0．53 m，E 為5O一 23oj，r~8OOps，IL一5×lO“～3×10 W／cm ，利用KF譜儀測得典型結(jié)果見圖5。由此看出： 當(dāng) ≤4ooJ時．激光柬與平面靶或黑嗣靶相互作用，產(chǎn)生的等離子體發(fā)射的x光譜，具有雙 溫分布特征。而且在入射激光條件大致相同時，黑耐靶產(chǎn)生的超熱電子溫度和x光譜強(qiáng)度明 顯高于平面靶(見圖3)．當(dāng)既≥sooJ時，黑嗣靶的x光譜具有三溫分布特征(見圖4)。圖5結(jié) 果表明采用二倍頻超熱電子明顯減少。

5 結(jié)束語 我們建立的硬x光能譜儀可以工作三 種濾波方式．可以靈活改變x光通量和能 區(qū)測量范圍．可測的硬x光通量動態(tài)范圍 寬(0．1 ／Sr～0．04J／Sr)。實(shí)現(xiàn)高低強(qiáng)度硬 x光譜測量。本譜儀探頭屏蔽嚴(yán)密。屏蔽信 噪比大于2O倍。該譜儀對于診斷激光等離 子體冕區(qū)電子溫度 和超熱電子特眭是十 分有用工具．