用于硬x光诊断的宽量程滤波谱仪
介绍了利用滤片和探测嚣阵列组台的硬X光能诺仅(简称FFS)的工作原理，结构性扼和羽诺特点．文章 最后蛤出了FFS在惯性约柬聚变(ICF)实验中涮到的硬X光谐的典型结果．
1 引言 光谱K边滤波和滤波-荧光{圭超滤波壕光法 渤 裔 在ICF中，超热电子的物理特性研究一直受到各国物理学家的普遗关注，因为它一方面 可能对靶丸造成有害预热，减低内爆效率，另一方面还严重影响靶对激光能量的吸收．频谱分析仪| 电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器|固此，通 过测量高能电子与靶物质相互作用产生轫致辐射来推断超热电子的行为是至关重要的． 在激光等离子体发射的x射线中．包含太量的连续谱成分．在现有激光器输出功率下，主 要感兴趣的硬x光谱能区是在1．5~300keV范日．通过连续谱测量可以获得许多重要的等离 子体参敦．例如：由谱可推断等离子体冕区中的电子温度 ，超热电子温度 和总能量E ， 为激光与靶耦台能量吸收机制提供有用信息． 由于激光等离子体存在时间很短．它发射的x光谱不能用半导体探测器通过脉冲幅度分 析方法来测量．通常是采用所谓多道K吸收边滤光片法(KF法)或滤波-荧光法(FF法)和超 滤波一荧光法(HFF法)测量．美国LLNL在70年代末就建立了x射线滤波-荧光谱仪(简称 FFS)[ ，至今他们一直使用该设备诊断激光等离子体发射的硬x光能谱 “．8O年代中期我 们研制了国内第一台FFS，经近几年来的不断改善，目前巳成为一台可以工作三种滤波方式、 测量动态范围宽的硬x光能谱仪，它成功地用于 神光r 和“星光I 基额光和短波长激光打 靶中超热电子的诊断．取得了太量物理信息．
2 谱仪工作原理 激光等离子体发射硬X射线连续谱具有单调下降的特点[．]．根据该能谱的不同能段具有 不同谱形的特点，分别选用不同滤波法(KF法、FF法和HFF法)对1、5~300keV连续谱进行 分光测量．KF法和FF法测量原理示于图1． 在 量硬x光谱较低的能段．例如1．5～10keV范日，由于该能段(电子温度 较低)的 谱强度厶随光子能量Ex的增加急速地单调下降，使x光连续谱经K吸收片作用后形成滤波 谱的高能尾部(图Ic)可以忽略。只要选择一组具有不同K边能量的滤片就可以实现一组能量 甄别． 当坡测量的x光能量增高，例如10~88keV范围，由于该髓段(超热电子温度 较高)的 IX随目的增加而较平缓地单调下降，图1c中的高能尾部的影响不可忽略．这时必须采用FF 法测量，即将经前滤片滤渡后的x光谱再入射到原子序数低于前滤片的荧光片上，这样只有 其能量高于荧光片K边能量E，的x光，才能使荧光片辐射出K系荧光KX．而且入射光子能 量愈高于 ，荧光产额愈低，致使大于 (前滤片K边)的高能尾部所产生的KX减少(见图 1e)。这时所测x光能量的上限由E，确定，下限由E，确定．低于 的X光只能激发比KX少 得多的LX荧光，它可以通过后滤片滤去．于是KX荧光主要决定于 和E，之间一十确定的 窄能带(图lf)．选用若干组滤片，荧光片与探测器组合，可以测出不同窄能带能区的x光强 度，达到硝量入射谱的目的。 图1 撼渡一荧光法谢量原理图示 1．x射线2．前撼片3t荧光片l-后撼片 5．陷群 6．破环7．探翻器 8．．B住 t．^射x光谱 b 拉片嘎收景藏 c．前滤渡x光谱 d．荧光片嗳收系数 6 撼蝮一荧光谱f．后滤披X光谱 应当注意：FF法测量平缓下降X光谱还必须用解谱法回推，以消除大于E 的高能尾部所 产生的KX荧光率底以及经前滤波后的x光在荧光片上产生的散射光率底对探头的影响。FF 法的特点是能量分辨率高，而探测效率低，只适合低于100keV的高通量高能x光谱测量．由 于受钧质元素的限制，对大于10GkeV的x光测量，则采用超滤渡一荧光法[”，，以获得较高能 段的窄能带荧光．该方法的特点：(1)荧光片元素的原子序数z大于前滤片，即 >E，．(2) 荧光片元素的原子序数较大。(3)后滤片原子序数与荧光片相同，可以较好透过荧光片的KX 荧光，滤去荧光片的LX．MX荧光．(4)前滤片的厚度较厚(ram量级)，可以较好地过滤小于E， 的x光．通过选择前滤片，荧光片，后滤片的种类和厚度，可以调整I-IFFS通道的峰值，从而可 以得到测量大于laakeV的不同能区的x光谱．
3 谱仪的结构性能和工作特点 谱仪的结构示意图如图2，在外径334mm、内径21 5mm的环体上可以布置十十滤渡．荧光 道探测器座，构成十道FF谱仪．每个探测道与谱仅中心轴的夹角为3。，以保证中心靶点的辐 射均能进入各道探测器 由于FF谱仪的探测效率低(≤nX10_。)，同时靶室周围存在较强硬 x光干扰，园此该谱仪结构突出的特点是具有复杂的几何屏蔽 (1)谱仪主管道内设立几处铅 准直体，荧光片前装有铅准直器，其作用是准直，减少入射光在真空管壁上的散射I(2)探头安 装在特制的铅室里，谱仪周围设置有铅屏蔽墙及配合适当铅砖屏蔽，以便阻止直穿x光及从 靶室周围物质散射的x光进入探头。 谱仪的末端后法兰上设置5个探头座，可以进行K边滤波测量．同时配台系统几何干仃探 头灵敏度调整，可使探测效率比滤渡一荧光提高4十量级左右．实现极低通量(≥0．1M／sr)硬x 光谱测量。 FFS及HFFS的滤渡一荧光道都是由前滤片、荧光片、后滤片及探测器阵列组成的(各部件 的位置见图2)。 圈2 滤坡·荧光谱仅结掏示意图 I_E 2． 奎3． 窒洼兰孔4．往垃譬5．21．真空阉‘．真空塞7—19．偏转甚长&Pb准直体 Pb准直磊10．Pb屏蕺囊 I1．Pb霹蕞悻】2．光电倍增譬1 朱墙鹰窗14．黄光片1 5．前毒片16．陷薛l7．对光孔1B．后甚片2仉N,I^悻22．真空幕 荧光片与入射光方向成45。角，荧光辐射经后滤片和准直器射入探 器，透过荧光片的直 穿X光被吸收在陷阱中．后滤片后面放置有磁通密度为0．2T的磁铁环，用以偏转滤片中出射 的光电子 谱仪入口处每个探 道都设置有磁通密度为0．2T的磁铁环，用以偏转来自靶室进 入主管道内的高能电子。 探测器安装在真空外，通过米勒膜与谱仪真空隔离，谱仪自带真空机组，真空度可达约 l0 Pa。探测器是采用Nal(T1)闪烁体和XPIll0型或XP1l15型光电倍增管组成的闪烁探测 器 探头灵敏度标定在文献[7]中巳作详细介绍．
4 FF谱仪在ICE实验中的应用 “神光I 激光单束能量丘为50~750J。激光渡长1．06~rn，脉宽100~1000ps，功率密度J 约为l0“～10“W／cm 。单柬或双柬(南北两路)照射平面靶及黑渭靶．滤波荧光(FF)谱仪璜f得 的各类靶典型硬x光谱曲线分别表示在图3、图4。“神光I”激光波长0．53 m，E 为5O一 23oj，r~8OOps，IL一5×lO“～3×10 W／cm ，利用KF谱仪测得典型结果见图5。由此看出： 当 ≤4ooJ时．激光柬与平面靶或黑嗣靶相互作用，产生的等离子体发射的x光谱，具有双 温分布特征。而且在入射激光条件大致相同时，黑耐靶产生的超热电子温度和x光谱强度明 显高于平面靶(见图3)．当既≥sooJ时，黑嗣靶的x光谱具有三温分布特征(见图4)。图5结 果表明采用二倍频超热电子明显减少。
5 结束语 我们建立的硬x光能谱仪可以工作三 种滤波方式．可以灵活改变x光通量和能 区测量范围．可测的硬x光通量动态范围 宽(0．1 ／Sr～0．04J／Sr)。实现高低强度硬 x光谱测量。本谱仪探头屏蔽严密。屏蔽信 噪比大于2O倍。该谱仪对于诊断激光等离 子体冕区电子温度 和超热电子特眭是十 分有用工具．
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