激光等离子体X射线极化光谱研究

　　1　引　言

　　高温等离子体的辐射光谱可用来确定等离子体的总辐射量、电子温度、电离状态、电子能量分布等[1]。在高荷电离子情况下,X射线谱线的极化特别值得关注,因为这些谱线对电子束的极化比低荷电离子发射的谱线更为敏感。研究等离子体发射的极化谱线是等离子体极化光谱学的主题,思路是用等离子体电子速度分布的各向异性解释观测到的离子极化特征。导致高荷电离子中的X射线谱线极化的主要机制是由电子束形成的不同集居的磁M子能级。在等离子体中的这些电子的方向性导致了这些电子所激发的离子成行排列[1],引起磁M子能级的优先集居,这个磁M子能级属于角动量为L的受激原子能级,来自这样的一些能级的谱线发射是极化的和各向异性的。如研究X射线谱线极化的理想源—电子束离子阱(EBIT),测量类氦高荷电Sc19+和Fe24+离子产生的X射线谱线极化[2]等。

　　本文提出了对激光束激发产生的类氢和类氦离子的极化光谱测量方法。物理实验首次在中国工程物理研究院激光聚变研究中心“2×10 J”激光装置上进行,通过使用两个相互垂直的晶体分光极谱仪,获取光谱信号[3]。水平方向采用PET(002)平面晶体作为色散元件,Bragg角为62°。垂直方向采用Mica(002)球面弯曲晶体作为色散元件[4],Bragg角为51°。实验测量证实了Al离子产生的光谱极化,提供了类氦共振线的极化光谱研究价值。实验结果表明,本极化光谱分析仪的光谱空间分辨率和灵敏度较高,适合激光等离子体X射线极化光谱的诊断。

　　2　极化度分析

　　基于X射线衍射在完美晶体中的动力学原理,编制了用于评估晶体的极化性能的模拟仿真程序,假定我们所用的Mica和PET晶体是完美晶体,如图1所示。当辐射分量以其电矢量平行或垂直于电子束方向极化,产生不同强度的I∥和I⊥时,出现了极化现象。对于与束成θ角情况下发射辐射的线性极化度定义如下:

　　极化度可由观测到的4条电子激发的类氦线计算。X射线谱线包括双电子伴线的极化度主要对类氢、类氦和类锂离子进行计算,涉及的跃迁如表1:

　　谱线的极化对等离子体中出现的电子束速度分布十分敏感,极化谱仪所观察的X射线强度为:

　　式中:R⊥和R∥分别是完美晶体中垂直和平行于电子传播平面的反射系数。R⊥/R∥依赖于晶体的Bragg角θ,通常,R⊥/R∥="cosn(2θ)|,1≤n≤2[1,5],在完美晶体和镶嵌晶体中,n一般取1或2。在研究中,通常把很多晶体视为理想化的完美晶体或镶嵌晶体。

　　因为分析晶体反射极化成份不同,所观察到的强度不同于辐射强度。在θ=45°,I⊥消失,I∥可以观察到。故Bragg角应尽量避开45°,这样才能获取两个方向的信号成份。由于类氢离子的线性极化度不同于I⊥和I∥之比,它们受到Bragg晶体参数分析器的影响,用不同Bragg角的不同晶体分析器可以推算出极化强度。由Henke,Gullikson等[6]计算可知Mica(002)和PET(002)晶体的R⊥/R∥分别为0.435和0.778。Beiers-dorfer等[6]用Si(220)晶体和LiF(220)晶体实验得到Pw=+0.80,也得了磁四级谱线x、互组合线y、禁戒谱线z和q伴线的极化度。

　　3　实验结果及分析

　　3.1　实验结果

　　本次实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的“2×10 J”激光装置上进行,如图2所示,该装置由2个激光器组成,单束激光能量为10 J,可以单独使用。三倍频激光束聚焦于真空靶室内的固体平面靶表面,产生高温、高密度、高压的激光等离子体,形成高剥离态热等离子体光源。靶的纯度为99.99%,焦斑直径为200μm,激光脉宽为800 ps。

　　当靶材料为Al时,X射线波长约为0.776nm。根据Bragg条件(nλ=2dsinθ)和实验光路几何关系,在水平方向安装了PET平面晶体,n=1,Bragg角θ=62°;在垂直方向安装了Mica球面晶体,当θ<45°时,弧向不能聚焦。当θ>45°,又不满足θ=90°时,点光源经过球面晶体后已经不是点光源,而是有了一定宽度的谱线。为了获得谱线,n=2,Bragg角θ=51°。根据约翰逊分光计原理[8],设计Mica球面晶体分光计,弯曲半径为380 mm,从X射线光源经晶体分光计到成像板的光路为980 mm。记录光谱信号采用成像板进行接收,有效接收面积为30 mm×80 mm。实验激光的能量为6.78 J,得到Al等离子体X射线光谱,其强度分布如图3所示。

　　3.2　实验结果分析

　　实验结果利用WinView32软件对图谱进行数据处理,利用Microcal Origin 6.0进行寻峰处理,得到谱线峰值的像素位置[9]。经计算,PET和Mica获取的共振线的最高峰值分别是1 623和153。

　　本实验采用两种类型的晶体分析器作为色散元件,虽然水平方向PET平面晶体的谱线有共振线w、磁四级谱线x、互组合线y和禁戒谱线z信号,但垂直方向Mica球面弯晶获取的谱线只有共振线w信号,故只能对共振线w进行极化度分析。利用迭代法计算,得到Pw=+0.828,与Beiersdorfer的结果差为0.028,仍满足I⊥

　　激光束激发类氢类氦的电子发射[10],因Mica球面晶体分析器的几何关系(弧长为50 mm)只获取了较强的共振线信号,其他谱线很微弱,不能分辨其强度。PET平面晶体的晶格常数2d=0.876 nm,测量X射线为0.076 2~0.834 nm,类氢和类氦共振线在其范围内,故PET获得了强度较高的谱线,即得到了w、x、y和z谱线信号,并可确定峰值,如图3(b)所示。但球面弯曲晶体比PET平晶具有更好的收光性,导致Mica光谱分辨率(λ/Δλ=1 387)明显高于PET(λ/Δλ=59.1)的测量值。

　　4　结　论

　　X射线极化光谱学研究在国内目前还处于起步阶段。本课题组在国内率先设计制作了该极化光谱仪,对激光射线进行了实验并测到极化谱线信号,共振线极化度Pw为+0.828,光谱分辨率达到1 387,适合激光等离子体X射线极化光谱的诊断。但由于只有共振线w可以进行极化计算,不能详尽地研究极化光谱,故需要对其光路和晶体分光计材料等进行设计修改,以进一步提高空间分辨率和灵敏度,促进等离子体X射线极化光谱学研究,如EBIT和Z箍缩等,为我国能源利用和国防建设领域提供有价值的光谱诊断工具。

　　感谢中国工程物理研究院激光聚变研究中心

　　“2×10J激光装置”运行组全体同志的大力支持。

　　参考文献:

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　　3699-3701.

　　作者简介:王洪建(1976- )男,重庆人,博士,从事信息获取与处理、光学精密仪器等的研究。E-mail:whj_cqu@163.com

　　肖沙里(1953- ),男,重庆人,教授,博士,博士生导师,主要研究方向为光学精密仪器、测试及控制等。