一种X射线光谱测量和分幅成像系统的制作方法

本发明涉及X射线光谱测量和成像领域，尤其涉及一种X射线光谱测量和分幅成像系统。

背景技术：

在惯性约束聚变中，高功率激光产生的等离子体发射的X射线能谱特征受等离子体状态(电子密度、发射体温度和电荷态等)制约，不同的等离子体状态其发射的X射线的谱形和相对强度等均不相同。因此，通过测量等离子体发射的X射线能谱可以诊断激光产生的等离子体的温度、电子密度和X射线发射体的电荷态。不同波段的X射线，其能谱测量的方法也不完全相同，常用于测量激光等离子体发射的X射线能谱的仪器有晶体谱仪、光栅谱仪和多层膜反射镜。在2-20keV波段，用晶体谱仪做能谱测量仪器具有能谱分辨率高，集光效率强等优点。因此，晶体谱仪在激光与物质相互作用、X射线激光、惯性约束聚变以及原子过程和凝聚态物理研究中有着重要应用。特别是在惯性约束聚变(ICF)中，对靶丸燃烧产生的高温等离子体辐射出的超热X射线高分辨、高灵敏、大波段的精确测量和与图谱学分析，对核聚变的研究具有重要意义。

对高温等离子体的X射线辐射的诊断，除了能谱诊断外，对等离子体的X射线精密成像也是非常重要的。对辐射的X射线进行时间和空间特性的精确诊断，是深入了解等离子体X射线发射机制、辐射输运、内爆动力学过程及辐射流体力学过程的重要途径，可以提供ICF靶中由于做功和能量(电子热传导、辐射热传导)输运导致的流体状态的空间演化信息。目前，对等离子体辐射的两维空间分布随时间变化情况的研究，主要利用的是X射线分幅成像。X光分幅相机由针孔阵列、阴极微带线、微通道板(MCP)、荧光屏和脉冲发生器等组成，在记录面上形成的是按时间顺序排布的阵列二维图像，时间分辨几十皮秒，二维空间分辨约10微米，光谱响应范围为0.1—10keV。

现有的X射线能谱测量和分幅成像设备都是独立的仪器设备，在使用的时候需要独立的进行安装、调试、采集等操作，相对复杂，占用空间体积大，特别是在黑腔诊断孔数量有限的情况下，同时获得靶丸产生等离子体辐射X射线的能谱信息和时空成像是比较困难的。且在现有的光谱测量设备中，单台弯晶测谱仪器的测谱范围通常都很窄，很难同时获得较宽的能谱范围。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种X射线光谱测量和分幅成像系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括滤片、针孔阵列板、屏蔽片、通道一弯晶分析器、通道二弯晶分析器、通道三弯晶分析器、通道四弯晶分析器、限光狭缝Ⅰ、限光狭缝Ⅱ、通道一光谱记录介质、通道二光谱记录介质、通道三光谱记录介质、通道四光谱记录介质、通道五成像记录介质和X射线光源，所述滤片位于所述X射线光源和屏蔽片之间，所述针孔阵列板位于所述屏蔽片上，所述屏蔽片位于所述滤片的后方，所述通道一弯晶分析器、所述通道三弯晶分析器、所述通道一光谱记录介质和所述通道三光谱记录介质位于所述限光狭缝Ⅰ的四周，所述通道二弯晶分析器、所述通道四弯晶分析器、所述通道二光谱记录介质和所述通道四光谱记录介质位于所述限光狭缝Ⅱ的四周，所述通道一、通道二、通道三和通道四均为光谱测量通道，所述通道五为成像通道，其成像记录介质位于所述针孔阵列板的后方，所述限光狭缝Ⅰ和所述限光狭缝Ⅱ分别位于所述针孔阵列板和所述通道五成像记录介质之间的两侧。

从X射线光源发出的X射线穿过滤片后一部分从屏蔽片中心通过针孔阵列板成像到成像记录介质上，另一部分从屏蔽片的通光孔入射到弯晶分析器的椭圆弯晶上，弯晶衍射后的光谱通过限光狭缝后由光谱记录介质接受和记录；所述的针孔阵列板和屏蔽片都有装调刻线，所述针孔阵列板的装调刻线与针孔阵列板的每一列及每一行阵列通孔中心对齐，所述屏蔽片的装调刻线与针孔阵列板的装调刻线对齐；所述的弯晶分析器包括椭圆弯晶和基底，所述的每一个弯晶分析器的椭圆柱面具有相同的焦距，不同的短半径和长半径；所述的每一个光谱测量通道中，X光光源和限光狭缝分别位于所述椭圆的两弯晶上，位于成像通道外同一侧的光谱测量通道使用同一个限光狭缝；所述的光谱测量通道数量为四个、三个或者两个，所述每一个光谱测量通道使用独立的弯晶分析器和光谱记录介质，光谱记录介质为时间积分的成像板、时间分辨的条文相机、CCD或者胶片；所述的成像记录介质为时间分辨的分幅相机，X光成像板、CCD或者胶片。

所述屏蔽片上开有成像通道通光孔和光谱测量通光孔，因此，屏蔽片可以阻挡有用光路以外的杂散光进入系统内部。

所述椭圆弯晶分析器包括椭圆弯晶和基底。在所述的基底侧面机械加工一个椭圆柱面，弯晶紧贴在基底的椭圆柱面上形成椭圆弯晶。所述的每一个椭圆弯晶分析器的椭圆柱面具有相同的焦距，不同的短半径和长半径，椭圆满足椭圆方程。所述X光光源和限光狭缝分别位于椭圆的两个焦点上。因此椭圆一个焦点上的X光光源发出的光经过椭圆弯晶衍射分光后在椭圆另一个焦点上的限光狭缝处汇聚，穿过限光狭缝后再色散开形成光谱被光谱记录介质探测。

所述椭圆弯晶光谱选择原理是基于X射线的Bragg衍射原理，衍射布拉格公式：2d sinθ＝nλ，d是晶体的晶格常数，θ是晶面衍射角，n是衍射级次，λ为波长。晶体材料为石英、硅(Si)、锗(Ge)、云母或其他晶体材料。

所述的光谱测量通道数量为四个、三个或者两个，所述每一个光谱测量通道使用独立的椭圆弯晶分析器和光谱记录介质，成像通道同一侧的光谱测量通道具有相同的椭圆焦点，且使用同一个限光狭缝。光谱记录介质为时间积分的成像板、时间分辨的条文相机、CCD或者胶片。

所述分幅成像通道时有针阵列板和成像记录介质组成。所述的成像记录介质为时间分辨的分幅相机，X光成像板、CCD或者胶片。X光光源发出的光通过屏蔽片中心的针孔阵列板后所成的像由分幅记录介质记录。针孔阵列板的每一个针孔都会对光源成一个像，因此在成像记录介质上可以得到与针孔阵列板针孔数相等的光源像。成像记录介质若为分幅相机，则可以获得随时间变化的X光源二维图像。

所述滤片放置在屏蔽片前端，滤片可以阻挡可见光进入系统内部，以免对有用X光信号产生干扰，滤片材料为重金属。

X射线光谱测量和分幅成像系统可以广泛的应用于激光惯性约束聚变、Z箍缩聚变、实验室天体物理、X射线激光和激光等离子体等重要研究领域，可以用来诊断等离子体的光谱信息，以及随时间变化的空间演化过程。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种X射线光谱测量和分幅成像系统，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的X射线光谱测量和分幅成像系统，相比于单一的光谱测量通道，可以根据测谱范围的需求，选择多个椭圆弯晶分析器和光谱记录介质组成的多个光谱测量通道，极大的扩大了光谱测量范围，能够在激光等离子体实验中一次性获得宽范围的X射线光谱信息。

2、本发明的分光元件采用椭圆弯晶分析器，可以实现长距离测谱，同时提高了光谱测量通道的集光效率。

3、本发明的X射线光谱测量和分幅成像系统，具有同时测量X射线光谱和分幅成像的功能，可以在同一发实验中同时获得光源的光谱信息和随时间变化的二维空间成像，避免了等离子体的不稳定性和不重复性对实验产生的干扰。

4、本发明的X射线光谱测量和分幅成像系统，相比于独立的X光谱测量仪和X光分幅成像系统，具有体积小、操作简单等优点，且使用时只需要占用一个诊断孔，这对于间接驱动下黑腔诊断孔有限的条件下进行等离子体的光谱和空间诊断非常重要。

附图说明

图1为本发明实施例1中的五通道X射线光谱测量和分幅成像系统；

图2为本发明实施例1中屏蔽片4示意图。

图3为本发明中实施例1椭圆弯晶测谱的光路图。

图4为本发明中实施例1中一个光谱记录介质接收的光谱信号。

图5为本发明中实施例1中针孔阵列板示意图。

图6为本发明中实施例1中成像记录介质分幅相机记录的成像结果。

图中：1、滤片；2、针孔阵列板；3、屏蔽片；4、通道一弯晶分析器；5、通道二弯晶分析器；6、通道三弯晶分析器；7、通道四弯晶分析器；8、限光狭缝Ⅰ；9、限光狭缝Ⅱ；10、通道一光谱记录介质；11、通道二光谱记录介质；12、通道三光谱记录介质；13、通道四光谱记录介质；14、通道五成像记录介质；15、X射线光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明包括滤片1、针孔阵列板2、屏蔽片3、通道一弯晶分析器4、通道二弯晶分析器5、通道三弯晶分析器6、通道四弯晶分析器7、限光狭缝Ⅰ8、限光狭缝Ⅱ9、通道一光谱记录介质10、通道二光谱记录介质11、通道三光谱记录介质12、通道四光谱记录介质13、通道五成像记录介质14和X射线光源15，所述滤片1位于所述X射线光源15和屏蔽片3之间，所述针孔阵列板2位于所述屏蔽片3上，所述屏蔽片3位于所述滤片1的后方，所述通道一弯晶分析器4、所述通道三弯晶分析器6、所述通道一光谱记录介质10和所述通道三光谱记录介质12位于所述限光狭缝Ⅰ8的四周，所述通道二弯晶分析器5、所述通道四弯晶分析器7、所述通道二光谱记录介质11和所述通道四光谱记录介质13位于所述限光狭缝Ⅱ9的四周，所述通道一、通道二、通道三和通道四均为光谱测量通道，所述通道五为成像通道，其成像记录介质14位于所述针孔阵列板2的后方，所述限光狭缝Ⅰ8和所述限光狭缝Ⅱ9分别位于所述针孔阵列板2和所述通道五成像记录介质14之间的两侧。

从X射线光源发出的X射线穿过滤片后一部分从屏蔽片中心通过针孔阵列板成像到成像记录介质上，另一部分从屏蔽片的通光孔入射到弯晶分析器的椭圆弯晶上，弯晶衍射后的光谱通过限光狭缝后由光谱记录介质接受和记录；所述的针孔阵列板和屏蔽片都有装调刻线，所述针孔阵列板的装调刻线与针孔阵列板的每一列及每一行阵列通孔中心对齐，屏蔽片可以通过插销进行插拔重复定位。因此，每次系统装调完成后，实验中需要更换针孔阵列板时，只需要更换装有针孔阵列板的屏蔽片即可，更换完成后不需要再进行装调即可进行实验。所述屏蔽片的装调刻线与针孔阵列板的装调刻线对齐；所述的弯晶分析器包括椭圆弯晶和基底，所述的每一个弯晶分析器的椭圆柱面具有相同的焦距，不同的短半径和长半径；所述的每一个光谱测量通道中，X光光源和限光狭缝分别位于所述椭圆的两个焦点上，位于成像通道外同一侧的光谱测量通道使用同一个限光狭缝；所述的光谱测量通道数量为四个、三个或者两个，所述每一个光谱测量通道使用独立的弯晶分析器和光谱记录介质，光谱记录介质为时间积分的成像板、时间分辨的条文相机、CCD或者胶片；所述的成像记录介质为时间分辨的分幅相机，X光成像板、CCD或者胶片。

实施例

本实施例为五通道X射线光谱测量和分幅成像系统，设计了四个测谱通道和一个分幅成像通道，目的是对目标X光源同时实现宽范围光谱测量和具有时间分辨的二维空间成像。如图1所示，该系统由滤片1，针孔阵列板2，屏蔽片3，通道1弯晶分析器4、通道2弯晶分析器5，通道3弯晶分析器6，通道4弯晶分析器7，限光狭缝Ⅰ8，限光狭缝Ⅱ9、通道1光谱记录介质10，通道2光谱记录介质11，通道3光谱记录介质12，通道4光谱记录介质13，通道5成像记录介质14以及X光光源15等组成，其中通道1～4为光谱测量通道，通道5为分幅成像通道，光谱测量通道位于分幅成像通道的上下两侧，同一侧的光谱测量通道使用同一个限光狭缝。

对于通道1，其测谱过程为：X光光源15发出的宽谱X光经过屏蔽片3(例如图2所示的屏蔽片)上的通光孔后辐照到弯晶分析器4的椭圆弯晶上，满足布拉格晶体衍射条件的光线通过晶体衍射后在上限光狭缝Ⅰ8处汇聚后再在空间色散开，最后色散开的光谱信号由光谱记录介质10接收。对于通道2、通道3和通道4，其测谱过程与通道1类似，X光光源15发出的光穿过屏蔽片3上的通光孔后分别辐射到弯晶分析器5、弯晶分析器6和弯晶分析器7的椭圆弯晶上，经过晶体布拉格衍射后的光线在限光狭缝8和限光狭缝9处汇聚后在空间色散开，最后色散的光谱信号分别由光谱记录介质11、光谱记录介质12和光谱记录介质13接收。

椭圆弯晶测谱的光路如图3所示。X光光源15和限光狭缝Ⅰ8(或限光狭缝Ⅱ9)分别位于椭圆弯晶所在椭圆的两个焦点F₁和F₂上，且四个光谱测量通道所在椭圆具有相同的焦距c和不同的长半径a及短半径b。椭圆弯晶所在椭圆满足椭圆方程焦距对椭圆上任意一点P₁有其中y₀为点P₁的纵坐标。晶体对X射线的衍射满足布拉格公式2d sin(θ)＝nλ，d是晶体的晶格常数，θ是晶面的衍射角，n为衍射级次，λ为波长。X光波长λ与能量E的关系为:通过上述公式即可得到椭圆弯晶上点P₁处衍射的X光的能量E与椭圆形状及晶格常数d的关系。

本实例有四个光谱测量通道，为了获得2-20keV的宽测谱范围，每个通道的椭圆弯晶设计都不相同。本实例中，取椭圆焦距c＝450mm，根据上述弯晶的椭圆公式和布拉格衍射公式，可得到四个通道的椭圆参数以及光谱测量范围，结果如表1所示。

所述椭圆弯晶分析器包括基底和弯晶两个部分。将基底的一个侧面按照表1中的参数加工成椭圆柱面，再将弯晶贴在椭圆柱面上形成椭圆弯晶分析器。本实例的限光狭缝Ⅰ8(或限光狭缝Ⅱ9)位于椭圆弯晶的焦点F2上，如图1所示，同一侧的光谱测量通道使用同一个限光狭缝，即通道1和通道3使用限光狭缝Ⅰ8，通道2和通道4使用限光狭缝Ⅱ9。所述两个限光狭缝均使用重金属材料(如钽、铅等)制作，狭缝宽度可在1毫米至3毫米之间选择，其作用是阻挡光谱信号以外的杂散光进入光谱记录介质中。

本发明的光谱记录介质可以是胶片、X光成像版、MCP或CCD，也可以是条纹相机。本实施例中采用X光成像板作为光谱记录介质(10、11、12和13)，则其中一个光谱测量通道的光谱记录介质接收的光谱信号如图4所示。

对于通道5，其成像过程为：X光光源15发出的X光经针孔阵列板2成像后被通道5成像记录介质14接收。针孔阵列板2上按4×5阵列规则排布着20个贯穿通孔，通孔直径10μm，针孔阵列板材料为钽、钨等重金属。针孔阵列板的四周有用于瞄准的刻线，刻线中心与每一列、每一行通孔中心对齐，最终设计的针孔阵列板如图5所示。

针孔阵列板2放置在屏蔽片3上，屏蔽片3上除了供五通道使用的通光孔外，还刻有与针孔阵列的每一行、每一列中心对齐的刻线，针孔阵列板2与屏蔽片3在显微镜下进行刻线对齐，并用胶将二者粘在一起。

本发明的光谱记录介质可以是胶片、X光成像版、MCP或CCD，也可以是条纹相机，本实施例中采用X光成像板作为光谱记录介质(10、11、12和13)，则其中一个光谱测量通道的光谱记录介质接收的光谱信号如图4所示。所述通道5的成像记录介质14可以是X光成像板、胶片或CCD，也可以是分幅相机。本实施例中采用分幅相机作为成像记录介质14，所获得的成像结果如图6所示。X光光源利用激光打靶方式产生，实验条件为：8束激光，每束能量800J，脉冲宽度1ns，光波长351nm，靶为柱腔靶。实验中，X射线光谱测量和分幅成像系统只占用一个诊断孔，同时获得激光打靶产生等离子体的光谱信息和时间分辨的等离子体演化图像。

以上所述，仅是本发明的可选实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以可选实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。