多层镜软X光能谱仪的结构设计与有限元分析

    在ICF实验研究中,X光能谱可以提供大量的物理信息[1-2]。软X射线能诊断通过光谱分析,还可以得到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[3-4]。多层镜软X光能谱仪(MLSXS)采用不同周期厚度的多层镜和合适的滤片材料配XRD 探测器组合成高分辨的X光能谱仪[5]。多层镜软X射线能谱仪色散效率更高,在0.5~20 nm波段达10%~50%,能量分辨本领更好(约比滤波法高1个量级以上),带通区域可任意选择[3,6]。多层镜缺点是存在高级衍射问题,但多层镜的高 级衍射效率相对较低(二级衍射约比一级衍射低1个量级),且可由滤片加以抑制[7-8]。因此,多层镜软X光能谱满足ICF实验要求,应用前景良好,具有 较高的研发价值。

　　本文完成了8通道多层镜谱仪的机械设计。谱仪的结构采用整体式,集成于锥体上的8个多层镜的角度由锥面倾角确定,采用中心准直机构最终保证X光 对于多层镜的入射角度,可实现系统整体瞄准,可保证测量精度且操作简单。俄罗斯的Bessarab[9]等人研制的一台0.2~1.5 keV能区的软X光能谱仪,但是每个通道独立调节,操作复杂,精度不易保证。在创建谱仪3维模型的基础上,本文利用ANSYS软件进行结构静力学分析与模 态分析,检验谱仪在重力作用下的位移与变形及固有频率等性能,实现其优化设计并验证其机械性能指标,为保证谱仪测量精度提供了理论依据。

    1　谱仪的结构设计

    1.1　系统原理与组成

　　多层镜软X光能谱仪是将吸收法与多层镜分光法[10-11]结合起来,达到更好的效果。谱仪系统分为测量系统和记录系统量部分,如图1所示;测 量系统包括滤片、多层镜(ML)和XRD;记录系统包括电缆和示波器。谱仪测量的对象是激光与等离子体相互作用转换得到的X光。它利用多层镜的衍射原理获 得衍射谱,再通过滤片滤波,把低能的全反射光滤掉,获得单能谱响应,然后利用XRD探测器进行测量,信号采用数字示波器记录,信号波形积分获得该通道的电 荷量。

    1.2　系统结构设计

　　根据多层镜X软光能谱仪的工作原理与组成,结合工程实施情况,来进行谱仪机械结构的设计。

　　多层镜软X光能谱仪的总体结构为整体式,8个能道的多层镜均匀设置在一个锥体的不同面上,如图2所示,多层镜的角度由锥面的倾角确定。多层镜集 中在一个部件上,可以使独立的8通道光路实现整体调节。只要将锥体中心的对光瞄准装置调节完毕,所有通道的多层镜均到位,操作简便。为保证镜面与基座安装 面高精度共面,采用了“压片+托板+弹簧”的方案。通过压片保证镜面与安装的锥面高精度共面。多层镜安装基座调节机构采用波纹管配合两对可自锁的调节螺 杆,可以实现±3.4°的角度调节,以及±16 mm的平移调节。