双光栅X射线谱仪的设计、研制与应用研究

发布时间：2020-11-19 18:56

　　 在惯性约束聚变(ICF)中,通过对软X射线谱的精确测量,可以获得激光与等离子体相互作用的原理机制以及电子温度、离子温度等等离子体参数条件。由于透射光栅谱仪在测谱过程中具有较高的谱分辨率,较宽的能谱测量范围,较高的衍射效率,仪器操作简单等优点,已广泛应用于惯性约束聚变软X射线谱的诊断试验中。在使用透射光栅谱仪测量能谱过程中,由于记录介质和仪器长度的限制,使得测谱范围和所测谱分辨存在着相互制约的矛盾。当谱仪长度固定时,使用低线对密度光栅可获得较宽范围的测量光谱,但是会降低所测光谱的分辨率;使用高线对密度光栅可获得较高的谱分辨率,但是由于条纹相机光阴极长度的限制,又会降低所测得的光谱范围。为了解决光栅谱仪中谱分辨和测谱范围相互制约的这一矛盾,本工作设计了一种新型透射光栅谱仪,即错位双光栅谱仪。该谱仪在保证所测谱范围的基础上,可提高谱仪的分辨率,同时可耦合时间分辨设备(条纹相机),可获得具有0.1~5keV测量范围的X射线时间分辨谱。错位双光栅谱仪采用双光栅色散元件结构,即在同一块光栅元件上,分别采用两块不同线对密度的光栅(2000和5000线对/毫米)错位排布。通过理论计算,2000线对/毫米光栅用于测量0.1~1.09keV软X射线谱,其谱分辨率为0.11nm;5000线对/毫米光栅用于测量1.09~5keV的X射线谱,其谱分辨率为0.05nm。通过设计的新型结构的光阴极狭缝,可将两段不同能段的光谱在条纹相机上拼接到一块,那么就可得到一条高分辨率、宽波长的X射线谱。为了得到两个不同线对密度光栅的绝对衍射效率值,在北京同步辐射装置上,利用能点为200~1600eV的软X射线源,对所设计的错位双光栅色散元件进行了实验标定。通过标定实验,得到了该光栅的各级衍射能谱图和衍射强度,分析了光栅的性能。将光栅结构参数与严格耦合波理论相结合,计算了光栅的各级绝对衍射效率值,为光栅谱仪的解谱提供依据。为了验证设计的错位双光栅谱仪的可行性,在北京同步辐射实验室采用单色能点照射双光栅,得到了错位双光栅衍射图谱,实验表明错位双光栅谱仪的设计是合理的,可用于X射线诊断中对时间分辨谱的测量。为了使实验可以顺利进行,设计了可行的实验方案,包括瞄准方案,靶材的选取和参照光栅的设计等,为谱仪实验提供依据。通过以上分析及设计表明,设计的错位双光栅谱仪具有高谱分辨率,宽光谱测量范围,且可获得时间分辨谱,该谱仪可用于惯性约束聚变软X射线谱诊断实验中。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL817
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 X射线诊断技术
    1.3 透射光栅谱仪的发展与现状
    1.4 论文的研究意义
    1.5 论文的内容安排
第二章 X射线透射光栅谱仪原理
    2.1 透射光栅谱仪结构
        2.1.1 透射光栅
        2.1.2 X射线条纹相机
    2.2 技术参数
        2.2.1 谱分辨率
        2.2.2 测谱范围
    2.3 谱仪标定
        2.3.1 光栅标定
        2.3.2 条纹相机静态标定
    2.4 谱仪解谱
        2.4.1 光栅解谱
        2.4.2 条纹相机的谱响应
    2.5 本章小结
第三章 光栅元件设计
    3.1 光栅设计
    3.2 光栅参数
    3.3 光栅标定
        3.3.1 实验标定
        3.3.2 标定结果
        3.3.3 衍射效率
    3.4 本章小结
第四章 错位双光栅谱仪设计
    4.1 设计原理
    4.2 设计参数
    4.3 谱仪解谱
    4.4 谱仪验证
    4.5 本章小结
第五章 2×100J激光器实验设计
    5.1 瞄准方案
        5.1.1 预瞄准方案（一）设计及验证
        5.1.2 预瞄准方案（二）设计及验证
        5.1.3 正式瞄准方案
    5.2 实验测试
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 论文总结
    6.2 研究展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果

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本文编号：2890350