[发明专利]一种宽频谱范围与高光谱分辨的X射线聚焦检测系统

说明书

本发明公开一种宽频谱范围与高光谱分辨的X射线聚焦检测系统，用于对光源发出的X射线衍射后进行检测，包括衍射晶体以及检测器，所述衍射晶体表面具有衍射面，所述衍射面能够将所述光源发射并辐射至衍射面的X射线全部衍射后被检测器检测；本发明从源头上解决传统平面晶体X射线收集效率低、柱面或锥面晶体X射线谱分辨率低、球面晶体测谱范围窄的技术问题，使其同时具备高谱分辨率、高收集效率、宽测谱范围的特点，从而实现X射线在多个能点的聚焦测谱功能，减弱对整个X射线光谱检测系统中光源放置位置的限制。

技术领域

本发明涉及X射线光谱检测领域，具体涉及一种宽频谱范围与高光谱分辨的X射线聚焦检测系统。

背景技术

惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)是把强激光(或粒子束)等指向性强的能量(驱动核聚变的能量，也称驱动器)均匀辐照氘、氚等热核燃料组成的微型靶丸，在极短的时间内靶丸表面会发生电离和消融，形成包围靶心的高温等离子体。等离子体向外爆炸膨胀，根据动量守恒定理，将形成一个极大的向心的反作用压力，这个压力相当于地球上大气压力的十亿倍。在如此巨大的压力作用下，氘、氚等离子体被压缩到极高的温度和极高的密度，引起氘氚燃料的核聚变反应。

在惯性约束核聚变反应过程中，X射线发射和中子是等离子体仅有的可观测的特征信号，X射线能谱可以提供关于等离子体的电子密度、温度、等离子体运动、电荷分布和离子输运参量等重要信息。

目前X射线光谱检测是ICF诊断的主要手段，它相对于其他方法有两方面的优越性：

一、采用等离子体自身的X射线发射作为诊断的依据，不会对被测等离子体产生干扰；

二、X射线光谱的发射强度和等离子体的离化状态、能级分布等具有直接的关系。

在对X射线进行检测时，常常采用的方式是利用晶体对X射线进行衍射分光后进行检测，能够被晶体衍射的X射线需要满足布拉格条件：即2dsinθ＝nλ，其中d为晶体常数，θ为布拉格掠人射角，n为衍射级次。

现有技术中常采用以下几种方式对X射线进行衍射分光后进行检测：

(1)采用平面晶体对X射线进行直接衍射

平面晶体结构简单、测谱范围宽，但是平面晶体不具有X射线的聚焦功能，因此对于X射线的收集效率低。

(2)采用柱面或锥面晶体对X射线进行衍射

柱面或锥面晶体的衍射面是光滑的圆柱或圆锥面的一部分，柱面或锥面晶体对X射线的衍射原理均为布拉格衍射。柱面或锥面晶体的特点是X射线的衍射分光发生在柱面或锥面晶体的母线方向，柱面或锥面只对光束起聚光的作用。

由于柱面或锥面晶体能够将X射线进行聚光，从而能够提升了X射线的收集效率，但是，由于柱面或锥面晶体的聚焦原理并非利用了罗兰圆原理，光谱分辨率较低；另外，不同能量的X射线在经过柱面或锥面晶体衍射后的光程不一致，对检测结果会产生影响，造成检测结果出现判断不准确或者失误。

(3)采用球面晶体对X射线进行衍射

球面弯晶具有相同曲率半径的弧面，且曲率半径为R，则罗兰圆的半径为R/2，在子午面上，罗兰圆上光源发出的不同波长的X射线聚焦于罗兰圆上相应位置，当探测器位于罗兰圆该位置时，能够得到高分辨的光谱。球面晶体在对符合布拉格条件的X射线进行衍射时，除了符合罗兰圆原理对X射线进行聚焦，还必须满足特定结构，如图6所示，A点为光源位置，虚线圆为罗兰圆，半径为R/2，经过C点的圆弧为晶体弯曲面，半径为R。检测点B要求位于罗兰圆上，而且晶体圆的圆心必须位于AB连线上，这样才能确保由A点辐射至晶体表面的射线能够聚焦于B处。

但是，由于球面晶体在理论上只有与罗兰圆相切处的C点符合罗兰圆原理，故测谱范围窄；而且要求X射线源放置于罗兰圆外面较远处，能够放置的位置相对受限，造成应用范围受限。