摘 要: 由于X光量热计具有体型吸收、线性响应及抗电磁干扰能力强等优点,可用于对激光等离子体辐射的X光总量测量。介绍了X光量热计的原理和结构,量热计主要由吸收体、热电堆、恒温体和外壳4个部分组成;量热计吸收体接收X光能量后,在瞬时内温度迅速上升,同时又通过热传导或辐射而损失能量。电加热法作为X光量热计的传统标定方法,标定结果不可靠。为此采用经过绝对标定的XRD阵列谱仪(SXS)对X光量热计在神光-Ⅱ装置上进行了在线绝对标定。结果表明:X光量热计性能稳定,其灵敏度为(84.1±3.4)μV/mJ,X光能量测量的相对合成标准不确定度约为31%,可用于X光定量测量。
在间接驱动惯性约束聚变(ICF)实验研究中,高功率激光注入高Z材料如金制成的腔靶,激光能量大部分被腔壁吸收转化为X光来驱动腔内的充氘氚材料的靶丸内爆。在目前的打靶情况下,约90%的X光能量处于0.1~1.5 keV能区[1],因此在间接驱动ICF研究中,研究亚千电子伏X光有着十分重要的意义,因为它直接关系到靶丸能否获得均匀辐照、对称压缩而实现内爆。其中,X光定量测量是必不可少的,它为研究激光等离子体相互作用中X光转换效率提供了直接的物理信息和数据,为如何创造辐射驱动条件提供了依据。
由于软X光辐射量子具有波动性和粒子性,不象硬X光那样具有典型的粒子性,也不象紫外光和可见光那样具有典型的波动性,所以准确测量X光量比较困难。在实验中,常用的测量X光能谱的探测器有XRD阵列谱仪(SXS)和透射光栅谱仪,但上述探测器对滤片和光栅加工要求极其苛刻,解谱复杂,不能进行角分布测量。平响应X光二极管可测量X光角分布和总量[2],但由于其前置滤片是按面积比组合的滤片,虽在装配之前各分滤片的厚度能方便地标定,可经组合后就难以标定了,尤其在多次使用中,大量等离子体会喷射到很薄的前置滤片上,这将给实验带来极大的误差,因此有必要研究和发展新的X光探测器测量X光总量的技术。
本文X光量热计用SXS进行标定,实现了X光量的绝对测量。量热计不用滤片,对能量在10 keV以下的X光具有平坦的响应,能量沉积率约为100%;其金属吸收体对可见光和紫外光反射率较高。该X光量热计体积小、重量轻,可实现X光的角分布和总量测量。探头本身具有对入射能量线性响应、抗电磁干扰能力强和不用加偏压等优点,在激光等离子体实验中成为强有力的诊断工具[3~5]。
1 量热计原理与结构
量热计简要原理是:吸收体接收X光能量后,在瞬时内温度迅速上升,同时又通过热传导或辐射而损失能量。当热交换很小时(即满足准绝热条件时),吸收体的温度变化T(t)遵从牛顿冷却定律:
式中:K为吸收体与环境的热交换系数,T0为环境温度。吸收体的温升与输入能量有下式关系
式中:c为吸收体质量热容;m为吸收体质量。由此可见,吸收能量与温升是等价的,测量吸收能量可转化为测量吸收体温升。 热电偶是精确的温度探测元件,把它与吸收体配置后,即成为量热计。由(2)式可知,为了提高吸收体温升以利探测,除了应尽量减小吸收体质量外,还必须选择质量热容小的材料,因此我们选用铝片作为吸收体材料,其厚度为0.5 mm,直径d为16 mm。量热计的结构主要由4个部分组成[6,7]:吸收体、热电堆、恒温体和外壳。吸收体接收X光的能量并迅速转化为内能;热电堆对内能变化引起的温差作出响应,产生相应热电动势;恒温体用来保持热电堆冷端的温度不变;外壳起屏蔽作用。图1为X光量热计结构简图,采用差分结构,以消除环境温度对量热计的影响。
2 标定
电加热法是X光量热计的传统标定方法,但由于电加热器制作困难,其标定结果不可靠。为此采用经过绝对标定的SXS对X光量热计在神光-Ⅱ装置上进行了在线绝对标定。
2.1 实验布局
实验布局如图2所示。每轮实验前,SXS所使用的X光平面镜、X光滤片和XRD等元器件,均在北京同步辐射3W1B软X光束线上经过了绝对标定。该谱仪在神光装置上已成功使用多年,所给结果可靠,可以用它作为标定X光量热计的标准。X光量热计和SXS均安装在靶室激光南注入口一侧,SXS与靶室南北轴成30°;具有旋转对称位置的两个X光量热计与靶室南北轴均成25°。SXS和X光量热计安装距离很近,这样能保证这两种设备获得的X光强度基本相同。X光量热计离源760cm,其信号由电缆传输给直流放大器(放在屏蔽盒里),放大信号由计算机进行记录和处理。真空内外均用SYV-50-3型电缆,由于量热计输出的是低频信号,故不必考虑电缆长度引起的信号衰减。
2.2 测量方法
在激光等离子体相互作用中,入射激光能量转化为X光、散射光和等离子体等能量。本实验中X光量热计采用差分法测量X光量,由于采用柱腔靶且激光注入具有轴对称性,所以可以假定X光、带电粒子和散射光也具有对称性。图3为测量方法示意图。我们使用了两个的量热计,量热计1吸收端处固定一环形磁铁,此磁铁存在一个平行于吸收体表面的0.4 T的均匀磁场,使带电粒子偏转到量热计的侧壁而不沉积到吸收体上,此结构可消除入射带电粒子的影响;量热计2吸收端安装厚度为2 mm、直径为28 mm的MgF2玻璃,它能滤去X光,同时挡住带电粒子,可用来监测量热计1的散射光量,此玻璃可透过波长大于等于120 nm的电磁辐射,透射率接近100%。由于实验中量热计1与量热计2的测量值(电压值)之比始终保持在15∶1左右,且量热计1对散射光的灵敏度比量热计2对散射光的灵敏度小,量热计1的测量值可作为所在位置的X光量对应的电压值。
根据量热计1的电压值及SXS所测的X光量,即可求出量热计1的灵敏度(μV/mJ)而对其进行绝对标定。
2.3 实验条件及结果
神光-Ⅱ运行参量:激光波长为0.351μm,激光能量为(1 500~2 300 J)/8束,激光脉冲宽度约为1 ns,透镜比为3,靶室真空度为(2~5)×10-3Pa。激光从南北方向各4束注入腔靶,激光注入口孔径D为380μm。
图4是在神光-Ⅱ装置上使用上述位置SXS测量X光的实验数据,横坐标为X光脉冲持续时间,纵坐标为X光脉冲的辐射温度,本轮实验共测量20余发。
我们把SXS测量的实验谱当作普朗克光谱处理,则SXS所测的单向能流
式中:σ是斯忒潘-玻尔兹曼常数。温度T的单位为eV,X光能流单位为J/(cm2·S)。X光脉冲持续时间τ如图4所示。如不考虑注入口面积随时间的变化,则激光注入口泄漏的X光量Etotal
并认为出源表面的X量子服从余弦分布[8],即源的归一化角分布f(θ)=cosθ,它表示与注入口法线方向成θ角的单位立体角内发射X量子的份额,则X光量热计应测得的能量
式中:ΔΩ=πr2/l2为X光量热计立体角;r=d/2=8 mm为量热计吸收片半径;l=760 mm为源到量热计的距离。
根据(5)式,我们结合图3可计算出SXS所测量热计接收的X光量。图5为SXS标定的X光量热计1的灵敏度拟合曲线,拟合值为84.1μV/mJ,其相对标准不确定度约为4.0%,因此X光量热计1的灵敏度值可表示为84.1×(1±4%)=(84.1±3.4)μV/mJ。
3 结 论
我们对X光量热计的测量不确定度进行了初步估计。上述标定实验中,由于散射光产生的相对标准不确定度约为10%;量热计测量点到辐射源距离和吸收体几何尺寸的相对标准不确定度小于1.0%;吸收体上的X光沉积率产生的相对标准不确定度约为5%;热电堆热传导产生的相对标准不确定度为5%[9];计算机数据采集系统产生的相对标准不确定度小于1.0%;SXS的相对标准不确定度约为28%[10],量热计数据处理的相对标准不确定度约为4.0%,则X光能量测量的相对合成标准不确定度约为31%。实验证明:X光量热计性能稳定可靠,可用于激光等离子体相互作用中X光定量测量。
致 谢 实验过程中,得到了中国工程物理研究院激光聚变研究中心易荣清老师、崔延莉老师、杜华冰和彭晓世等的帮助,在此表示真挚的谢意。
参考文献:
[1] Mead W C, Stover E K, Kauffman R L, et al. Modeling,measurements, and analysis of X-ray emission from 0.26-μm-laser-irradiated golddisks[J].Phys Rev A, 1988,38(10):5275—5288.
[2] Kornblum H N, Slivinsky V W. Flat-response, subkiloelectronvolt X-ray detector with a subnanosecond time response[J].Rew Sci In-strum, 1978,49(8):1204—1205.
[3] Gunn S R, Rupert V C. Calorimeters for measurement of ions, X-rays, and scattered radiation in laser-fusion experiments[J].RewSci In-strum, 1977,48(11):1375—1380.
[4] Gunn S R. Calorimeters for diagnesis of laser-fusion experiments[R]. USA: Lawrence Livermore Laboratory. UCID-17308.
[5] 林康春,周复正,刘健,等.光、离子及X射线卡计[J].核聚变与等离子体物理,1983,3(1):41—45.(Lin K C, Zhou F Z, Liu J, et al. Calo-rimeters of scattered-radiation, ion and X-ray。Nuclear Fusion and Plasma Physics, 1983,3(1):41—45)
[6] 林康春,林尊琪,张洪林,等.激光等离子体实验中测量离子和X射线的能量计[J].光学学报,1985,5(1):32—36.(Lin K C, Lin Z Q,Zhang H L, et al. Calorimeters for measurement of ions and X-rays in laser-fusion experiments.Acta Optica Sinica, 1985,5(1):32—36)
[7] 江少恩,孙可煦,黄天暄,等.“神光-Ⅱ”基频光辐射输运实验与分析[J].物理学报, 2004,53(5):1425—1432.(Jiang S E, Sun K X, HuangT X, et al. Investigation of radiation transport experiments with a wavelength 1.053μm on "ShenguangⅡ" facilities.ActaPhysica Sinica,2004,53(5):1425—1432)
[8] Fehl D L, Muron D J, Leeper R J, et al. Absolute, soft X-ray calorimetry on the Z facility at Sandia National Laboratories[J].RewSci In-strum, 1999,70(1):270—275.
[9] 孙可熙,易荣清,江少恩,等.同步辐射应用于软X射线探测器的标定[J].高能物理与核物理,2004,28(2):205—209.(Sun K X, Yi R Q,Jiang S E, et al. Calibration of soft X-ray detection with Synchrotron Radiation.High Energy Physics and Nuclear Physics, 2004,28(2):205—209)
[10] 王文生,何多慧,邱爱慈,等.利用薄膜量热计测量高功率Z箍缩软X射线总能量[J].强激光与粒子束,2003,15(2):184—186.(Wang WS, He D H, Qiu A C, et al. Measurement of total soft X-ray energy of high power Z-pinch plasma with a Ni-film bolometer.High PowerLaser and Particle Beams, 2003,15(2):184—186)
本文作者：唐道润1,2, 江少恩2, 伍登学1, 林理彬1, 孙可煦2
