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利用聚束透镜获得高亮度软X射线源的技术研究

作　者: 陈定阳
导　师: 许泽平
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 核能科学与工程
关键词: X射线聚束透镜 X光导管传输效率高功率密度软X射线 Z箍缩
分类号: O434.19
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

软X射线通常指光子能量从50～1500 eV、波长为0．83～24．8 nm范围内的电磁波。高亮度软X射线源在研究软X射线与物质的作用、材料烧蚀和建立黑腔模型等方面的应用前景十分巨大，它也能更好地用于标定软X射线探测系统、仪器和探测元件。因此世界各国都在积极建立亮度更高的实验室软X射线源。本论文的工作是设计基于Z-pinch等离子体辐射源的聚束透镜，利用透镜对软X射线的收集、传输和会聚来获得高亮度软X射线源，并对透镜在高功率密度软X射线入射条件下的传输特性进行研究。X光导管是聚束透镜的基本组成单元。国内已有的对X光导管的研究是在入射X射线的功率密度较低的北京同步辐射装置3W1B光束线以及其它辐射源上进行的，为了设计对高功率密度软X射线传输并会聚的透镜，首先在西北核技术研究所的“强光一号”加速器装置上，对高功率密度的软X射线(6×10~6～1．5×10~7W／cm~2)在X光导管中的传输特性进行研究。研究结果表明：对于由DM308型号玻璃材料拉制的X光导管，它对高功率密度的软X射线有较高的传输效率，当入射软X射线的功率密度为1．2×10~7W／cm~2，X光导管的弯曲角为5~0时，实验中获得的平均传输效率达到了16．3％。在6×10~6～1．5×10~7W／cm~2的功率密度范围内，软X射线在X光导管中的传输没有出现非线性效应，随着入射软X射线功率密度的提高，出射的软X射线的功率密度基本成线性增加。对于Z-Pinch辐射源，入射的软X射线功率密度为1×10~8W／cm~2，软X射线和等离子体溅射物质不会破坏X光导管。根据以上研究结果，用数值模拟方法对透镜的设计参数进行优化，得出透镜的最佳设计参数：由2401根内直径0．45 mm、外直径0．60 mm的X光导管组成，入口端距Z-pinch靶心的距离为200 mm，中心长度为410 mm，后焦距为50 mm。假设Z-pinch等离子体辐射源的发光区长度为20 mm，辐射X射线能量E=1keV，峰值功率为0．5 TW，将上述透镜与辐射源组合，数值模拟在透镜的后焦点处能获得焦斑直径为2．5 mm平均功率密度为8．96×10~8W／cm~2的软X射线，透镜的整体传输效率为11．71％。将制成的透镜与Z-pinch等离子体辐射源组合，透镜的实际后焦距为62mm，当光源辐射的软X射线的峰值功率为0．5 TW时，软X射线聚束透镜的整体传输效率为9．58％，功率密度增益为131倍，等效距离为58．8 mm。在透镜的后焦点(距丝阵靶心672 mm)能获得功率密度达1．15×10~9W／cm~2焦斑直径为2mm的较洁净的软X射线源。同时透镜可以持续性地工作在Z-pinch装置上来获得软X射线源。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章引言  7-13
  1.1 软X射线源  7-10
    1.1.1 渡越辐射软X射线源  7-8
    1.1.2 同步辐射X射线源  8-9
    1.1.3 X射线激光源  9
    1.1.4 高温高密度等离子体软X射线源  9-10
  1.2 软X射线光学元件  10-11
    1.2.1 多层干涉膜  10
    1.2.2 菲涅耳波带片透镜  10-11
    1.2.3 掠入射反射镜  11
    1.2.4 X光导管和X光透镜  11
  1.3 小结  11-13
第二章软X射线在X光导管中的传输  13-29
  2.1 X射线与物质的作用  13-15
    2.1.1 X射线的散射  13-14
    2.1.2 X射线的吸收  14-15
    2.1.3 剥离和"库仑爆炸"  15
  2.2 软X射线的全反射  15-18
  2.3 软X射线在X光导管中传输的模拟计算  18-24
    2.3.1 光线追迹原理  18-19
    2.3.2 光线追迹模型  19-20
    2.3.3 表面粗糙度模型  20-21
    2.3.4 软X射线在导管内传输的蒙特卡罗模拟  21-24
  2.4 软X射线在X光导管中的传输特性  24-28
    2.4.1 能谱特性  24
    2.4.2 X光导管材料对传输效率的影响  24-25
    2.4.3 X光导管内径对传输效率的影响  25-26
    2.4.4 X光导管曲率半径对传输效率的影响  26-28
  2.5 小结  28-29
第三章高功率密度软X射线在X光导管中的传输特性研究  29-39
  3.1 实验设计  29-34
    3.1.1 "强光一号"Z-Pinch装置  29-30
    3.1.2 靶室的布局  30-31
    3.1.3 软X射线功率仪  31-32
    3.1.4 实验参数和数据处理  32-34
    3.1.5 光路调节  34
  3.2 实验结果及分析  34-38
  3.3 小结与讨论  38-39
第四章软X射线聚束透镜的总体结构设计  39-47
  4.1 透镜研制的总体目标  39-40
  4.2 透镜参数的优化  40-45
  4.3 透镜对Z-Pinch源聚光的计算机模拟  45-46
  4.4 小结  46-47
第五章利用聚束透镜获得高亮度软X射线源的实验研究  47-53
  5.1 实验设计  47-49
    5.1.1 焦距及焦斑尺寸的测量  47
    5.1.2 透镜后焦点位置功率的测量  47-48
    5.1.3 数据处理方法  48-49
  5.2 实验结果与分析  49-52
    5.2.1 焦距及焦斑尺寸  49-50
    5.2.2 透镜后焦点位置功率密度的测量结果  50-52
  5.3 小结与讨论  52-53
第六章结论与需要解决的问题  53-55
  6.1 结论  53
  6.2 需要解决的问题  53-55
致谢  55-56
参考文献  56-58
附录  58

利用聚束透镜获得高亮度软X射线源的技术研究

内容摘要

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