双狭缝透射光栅软X光时空分辨谱仪

    软X光(0.1~1.5keV)在短波长激光打靶实验中占绝大部分[1],它的测量对激光等离子体研究和ICF研究都有重要的意义。软X光的时间、空间、能谱特性是等离子体运动和辐射场的重要特征。从七十年代开始,国外对激光打靶中的软X光展开了详细研究。最近,德国的MPQ和日本的Osaka University合作,利用双狭缝、透射光栅配X光条纹相机在波长6nm时获得了0.6nm的谱分辨并得到了清晰的X光时空分辨图象[2],美国也作了类似的实验。国内对软X光的研究也取得了积极进展,分别利用针孔相机、亚仟X光条纹相机得到了X光的空间图象和时间过程[3]。在此基础上,最近利用透射光栅配亚仟X光条纹相机、针孔相机配亚仟X光条纹相机分别得到了X光的能谱-时间特性和空间-时间特性[4]。我们利用双狭缝、透射光栅配亚仟X光条纹相机获得了N带X光(中心波长1.7nm)时空分辨图象。

   1 谱 仪

    双狭缝透射光栅软X光时空分辨谱仪由双狭缝、透射光栅和亚仟X光条纹相机(SXRSC)组成(见图1)。双狭缝由互相垂直的两个狭缝组成。其中第一个狭缝宽约19μm,垂直于亚仟X光条纹相机的光阴极狭缝方向,是成象狭缝,对光源在亚仟X光条纹相机的光阴极狭缝的空间方向(横向)一维放大,距光源约50mm,放大倍数约20;第二个狭缝宽100μm,与第一个狭缝垂直并紧邻透射光栅之前,是光栅的准直狭缝,同时,它还对光源在与亚仟X光条纹相机的光阴极狭缝正交的空间方向(纵向)一维放大,距光源约370mm,放大倍数约1.8。两个狭缝组成一个类似针孔的、纵横放大倍数不同的成像装置。

    透射光栅置于亚仟X光条纹相机之前,是谱仪的色散元件。采用1500 lp/mm的有底衬透射光栅,实验中距光源约370mm,色散距离约670mm。

    亚仟X光条纹相机是谱仪的时间分辨和记录系统。其光阴极紧邻于光阴极狭缝之后,光阴极狭缝宽约100μm,距光源约1040mm。时间分辨有几档可调,最快为0.03ns,空间分辨为5 lp/mm。

    本谱仪的特点是作为记录装置的X光条纹相机的光阴极狭缝放置得远离成像狭缝及透射光栅。这种设置降低了空间分辨受记录系统(条纹相机)的限制,并使经透射光栅后对应于波长1.7nm的衍射角β很小的光谱区能够落在有一定宽度的条纹相机的狭缝上且与零级谱分开。采用图1的配置,谱仪实现了对光源在横向的空间分辨和在纵向的色散,通过条纹相机的光阴极狭缝截取感兴趣的能区,即可实现光源的谱、时间、空间分辨的三维诊断,获得谱的时空分辨图象。

    第一成像狭缝的空间分辨Δ1由其几何分辨Δ11和物理分辨Δ12决定:Δ1= (Δ211+Δ212)1/2。而Δ11=d(1 +M-1),Δ12=kλad-1,其中,k= 2.44,d为缝宽,a为物距,M为放大倍数,λ为波长。谱仪在横向对光源的空间分辨Δ由第一成像狭缝的空间分辨Δ1和条纹相机对光源的空间分辨Δ2决定:Δ=(Δ21+Δ22)1/2。而Δ2=δ/Μ,其中δ为条纹相机本身的空间分辨(本实验中是200μm),M是第一成像狭缝的像放大倍数。