多层镜软X射线能谱仪的研制

软X射线能谱测量是ICF实验中的重要内容,测量意义重大。软X射线能诊断通过光谱分析,可以得到X射线总的通量,辐射温度,转换效率以及反照率。这些都是间接驱动黑腔热力学的重要参数。作为黑体腔特征诊断系统,软X射线能诊断系统测量黑体腔中发射出的X射线,可得出黑腔中辐射温度的时间变化图。针对目前常用的谱仪往往存在能谱分辨差,解谱困难等缺点,本论文研制了一种基于多层镜的软X射线能谱仪,以使软X射线能谱测量更高效、更精确。根据ICF实验对软X射线诊断的具体要求,结合多层镜自身特点,论文研究了现有谱仪系统的工作原理和实现方案,并对其中的关键技术单元进行了深入的分析。通过高温等离子体X射线诊断技术的研究,论文阐明了多层镜谱仪的系统组成与工作原理,完成了谱仪通道的物理设计,同时对系统的结构模型运用现代的有限元分析技术进行了设计与分析,最后标定了谱仪用多层镜的反射率。本文主要的创新点及创造性工作如下:①在分析软X射线诊断的特点及其具体要求的基础之上,研究了各种常用诊断方法,介绍了多层镜的原理与发展现状,分析了当前软X射线能谱仪系统方面的工程实践,给出了基于多层镜的软X射线能谱仪原理。②根据诊断实验对谱仪的具体设计要求,论文提出了实现软X射线能谱定量测量功能的具体方案。软X射线能谱仪有八个通道,每个通道由多层镜、滤片与X射线二极管(XRD)组成,能量范围为0.1～1.5keV,能量分辨率(E/?E)不小于15,多层镜角度不确定度优于2%。③在分析多层镜原理、设计方法与制备技术的基础上,完成了谱仪用多层镜与滤片的设计,模拟计算出多层镜的反射率与滤片的透过率,得到各通道理论响应函数。④根据方案,完成了多层镜谱仪的具体机械结构设计,引入有限元分析技术研究谱仪固有机械性能。应用Pro/E与Ansys软件建立了软X射线能谱仪系统的结构模型,对其进行了静力学、动力学方面的有限元分析,获得了谱仪在重力影响下的变形结果,及前十阶固有振动频率结果,并进行了相关优化。⑤在北京同步辐射装置3WIB束线上,对谱仪用21°-B4C/Si, 21°-B4C /Mo, 14.93°-C/Cr, 10°-Cr/Ti, 15°-B4C/W, 10°-B4C/W,6.86°-B4C/W多层镜在50 eV～1 500 eV能段上的反射率进行了精密标定。结果表明,多层镜达到了预期的分光效果,性能满足设计要求。利用实验结果,论文得到谱仪各通道的实际响应函数,为谱仪的定量测量提供了数据保证。八通道软X射线能谱仪采用得等多层镜作为分光元件,结合滤片吸收,很好的实现了其软X射线能谱测量功能。其中的关键技术单元具有较高的可靠性、精确性和稳定性。软X射线能谱仪的实际性能为:①能谱范围:95eV～1450 eV(95eV,175 eV,260 eV,420 eV,650 eV800 eV,1000 eV,1450 eV);②多层镜调节性能:±3.4°的角度调节,±16mm的平移调节;③瞄准角度不确定度:<1.5% ;④能量分辨率E/ΔE:≥5。本论文研制的多层镜软X能谱仪基本达到了设计要求,并为进一步应用研究提供了有价值的参考。