多層鏡軟X射線能譜儀的研制

軟X射線能譜測量是ICF實驗中的重要內容,測量意義重大。軟X射線能診斷通過光譜分析,可以得到X射線總的通量,輻射溫度,轉換效率以及反照率。這些都是間接驅動黑腔熱力學的重要參數。作為黑體腔特征診斷系統,軟X射線能診斷系統測量黑體腔中發射出的X射線,可得出黑腔中輻射溫度的時間變化圖。針對目前常用的譜儀往往存在能譜分辨差,解譜困難等缺點,本論文研制了一種基于多層鏡的軟X射線能譜儀,以使軟X射線能譜測量更高效、更精確。根據ICF實驗對軟X射線診斷的具體要求,結合多層鏡自身特點,論文研究了現有譜儀系統的工作原理和實現方案,并對其中的關鍵技術單元進行了深入的分析。通過高溫等離子體X射線診斷技術的研究,論文闡明了多層鏡譜儀的系統組成與工作原理,完成了譜儀通道的物理設計,同時對系統的結構模型運用現代的有限元分析技術進行了設計與分析,最后標定了譜儀用多層鏡的反射率。本文主要的創新點及創造性工作如下:①在分析軟X射線診斷的特點及其具體要求的基礎之上,研究了各種常用診斷方法,介紹了多層鏡的原理與發展現狀,分析了當前軟X射線能譜儀系統方面的工程實踐,給出了基于多層鏡的軟X射線能譜儀原理。②根據診斷實驗對譜儀的具體設計要求,論文提出了實現軟X射線能譜定量測量功能的具體方案。軟X射線能譜儀有八個通道,每個通道由多層鏡、濾片與X射線二極管(XRD)組成,能量范圍為0.1～1.5keV,能量分辨率(E/?E)不小于15,多層鏡角度不確定度優于2%。③在分析多層鏡原理、設計方法與制備技術的基礎上,完成了譜儀用多層鏡與濾片的設計,模擬計算出多層鏡的反射率與濾片的透過率,得到各通道理論響應函數。④根據方案,完成了多層鏡譜儀的具體機械結構設計,引入有限元分析技術研究譜儀固有機械性能。應用Pro/E與Ansys軟件建立了軟X射線能譜儀系統的結構模型,對其進行了靜力學、動力學方面的有限元分析,獲得了譜儀在重力影響下的變形結果,及前十階固有振動頻率結果,并進行了相關優化。⑤在北京同步輻射裝置3WIB束線上,對譜儀用21°-B4C/Si, 21°-B4C /Mo, 14.93°-C/Cr, 10°-Cr/Ti, 15°-B4C/W, 10°-B4C/W,6.86°-B4C/W多層鏡在50 eV～1 500 eV能段上的反射率進行了精密標定。結果表明,多層鏡達到了預期的分光效果,性能滿足設計要求。利用實驗結果,論文得到譜儀各通道的實際響應函數,為譜儀的定量測量提供了數據保證。八通道軟X射線能譜儀采用得等多層鏡作為分光元件,結合濾片吸收,很好的實現了其軟X射線能譜測量功能。其中的關鍵技術單元具有較高的可靠性、精確性和穩定性。軟X射線能譜儀的實際性能為:①能譜范圍:95eV～1450 eV(95eV,175 eV,260 eV,420 eV,650 eV800 eV,1000 eV,1450 eV);②多層鏡調節性能:±3.4°的角度調節,±16mm的平移調節;③瞄準角度不確定度:<1.5% ;④能量分辨率E/ΔE:≥5。本論文研制的多層鏡軟X能譜儀基本達到了設計要求,并為進一步應用研究提供了有價值的參考。