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神光III原型上扩展X射线吸收精细结构谱实验研究

胡云 张继彦 江少恩 王哲斌 蒲昱东

胡云, 张继彦, 江少恩, 等. 神光III原型上扩展X射线吸收精细结构谱实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 052002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200022
引用本文: 胡云, 张继彦, 江少恩, 等. 神光III原型上扩展X射线吸收精细结构谱实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 052002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200022
Hu Yun, Zhang Jiyan, Jiang Shaoen, et al. Experiment study of extended X-ray absorption fine structure spectrum on SG-III prototype facility[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 052002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200022
Citation: Hu Yun, Zhang Jiyan, Jiang Shaoen, et al. Experiment study of extended X-ray absorption fine structure spectrum on SG-III prototype facility[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 052002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200022

神光III原型上扩展X射线吸收精细结构谱实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200022
基金项目: 国家自然科学基金项目(11475154)
详细信息
    作者简介:

    胡 云(1983—),男,博士研究生,从事高功率激光技术及高能量密度物理研究;huyunhy@163.com

    通讯作者: 江少恩(1964—),男,研究员,博士生导师,主要从事惯性约束聚变物理实验研究;jiangshn@vip.sina.com
  • 中图分类号: TN24

Experiment study of extended X-ray absorption fine structure spectrum on SG-III prototype facility

  • 摘要: 介绍了在大型激光装置上进行 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱压缩物态参数测量的基本原理,以及为获得高质量EXAFS谱在神光III原型装置上进行的实验研究。实验采用玻璃靶球、CH靶丸和金球作为EXAFS谱测量的背光源,通过多发次叠加、光子数累积的方法获得了信噪比良好的金属Ti在常温常压下的EXAFS谱,数据处理结果表明,实验测得的金属Ti EXAFS谱拟合结果与同步辐射实验拟合结果相吻合,表明实验设计的正确性与可靠性。对实验结果的分析表明,影响EXAFS谱质量的因素主要是光子计数、测量系统谱分辨率、噪声以及实验器件上的瑕疵。
  • 图 1  X射线吸收和精细结构产生示意图

    Fig. 1  Illustration of X-ray absorption and fine structure generation

    图 2  神光III原型EXAFS测量示意图

    Fig. 2  Illustration of EXAFS measurements configuration on SG-III laser facility

    图 3  三个测量结果的EXAFS原始图像

    Fig. 3  Raw EXAFS images of three measurements

    图 4  测量2,3和5的吸收谱

    Fig. 4  Absorption spectra of measements 2,3 and 5

    图 5  测量3和测量5的k空间拟合

    Fig. 5  Data fitting of measurement 3 and 5 in k space

    表 1  X射线源参数及实验结果

    Table 1  Parameters of X-ray source and results of experiments

    measurementshot numbertargetdiameter/μmwall/μmtotal energy/Jresults
    1 shot255 16A-II-9# 423 1.82 6 168 EXAFS not detected
    2 shot256 16A-II-10# 426 1.95 5 839 EXAFS detected
    shot257 16A-I-19# 435 1.8 6 076
    shot258 16A-I-17# 441 2.19 5 958
    3 shot259 Au ball 300 / 624 EXAFS detected
    shot260 16A-I-18# 445 1.96 5 861
    4 shot263 Au ball 300 / 1 175 EXAFS detected,no fine structure
    shot264 773
    5 shot265 16A-III-15# 461 2.21 4 562 EXAFS detected
    shot266 16A-III-12# 463 1.81 5 191
    6 shot267 16B-II-1# 409 16.4 5 982 EXAFS not detected
    7 shot268 16B-I-4# 425 15.8 5 834
    8 shot269 16B-II-2# 409 17.0 6 165
    9 shot270 16B-II-3# 415 16.5 5 840
    Note:A is glass ball,B is CH capsule. I,II,III correspond to Ar atomic ratio of 0%,1%,5%,respectively. Pressure in glass balls and capsules is 1.0 MPa。
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    表 2  测量3、测量5和同步辐射拟合结果比较

    Table 2  Comparison of measurements 3,5 and synchrotron data fitting results

    measurementsR/(0.1 nm)σ2/(0.1 nm)2
    measurement 32.865±0.0050.007 6±0.004
    measurement 52.866±0.0300.006 8±0.008
    synchrotron2.869±0.0020.006 2±0.000 3
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    01 专辑主题
     (1) 高能量密度物理现象与物质特性
     (2) 惯性约束聚变物理
     (3) 强激光驱动粒子加速及新型辐射源
     (4) 超强激光与物质相互作用
     (5) 高能量密度物理加载及诊断技术

    02 投稿要求
     (1) 投稿可选择网上投稿(www.hplpb.com.cn),投稿时文章题名前加“高能量密度物理”专辑;也可电子邮件投稿,邮件主题注明“高能量密度物理”专辑,投稿邮箱:liuyn862010@163.com。
     (2) 论文体例格式请参照《强》刊网站投稿指南。
     (3) 投稿时请附论文投稿保密审查证明(保密审查证明要求为纸质原件)。
     (4) 未尽事宜请联系编辑部刘玉娜编辑或专辑主编。

    03 重要日期
     征稿截止日期:2020年5月15日
     计划出版日期:2020年8月15日
    04 联系方式
     责任编辑:
     刘玉娜/《强激光与粒子束》编辑部
     0816-2485753,liuyn862010@163.com。
     专辑主编:
     丁永坤/北京应用物理与计算数学研究所
     ding-yk@vip.sina.com

    05 专辑主编简介
      丁永坤研究员,现任北京应用物理与计算数学研究所党委书记、北京大学应用物理与技术研究中心副主任、中国物理学会高能量密度物理专业委员会副主任、等离子体物理分会副主任。长期从事激光惯性约束核聚变(ICF)研究,在ICF实验、诊断和靶物理设计方面,曾负责过国家高技术和国家重大科技专项的重要课题,主持了国家自然基金重点项目和科技部重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项等。曾获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖和省部级科技进步奖,相关工作发表论文200余篇,出版专著一部。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-17
  • 修回日期:  2020-03-30
  • 网络出版日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2020-05-01

神光III原型上扩展X射线吸收精细结构谱实验研究

    通讯作者: 江少恩, jiangshn@vip.sina.com
    作者简介: 胡 云(1983—),男,博士研究生,从事高功率激光技术及高能量密度物理研究;huyunhy@163.com
  • 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900

摘要: 介绍了在大型激光装置上进行 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱压缩物态参数测量的基本原理,以及为获得高质量EXAFS谱在神光III原型装置上进行的实验研究。实验采用玻璃靶球、CH靶丸和金球作为EXAFS谱测量的背光源,通过多发次叠加、光子数累积的方法获得了信噪比良好的金属Ti在常温常压下的EXAFS谱,数据处理结果表明,实验测得的金属Ti EXAFS谱拟合结果与同步辐射实验拟合结果相吻合,表明实验设计的正确性与可靠性。对实验结果的分析表明,影响EXAFS谱质量的因素主要是光子计数、测量系统谱分辨率、噪声以及实验器件上的瑕疵。

English Abstract

  • 在大型激光装置上,通过脉冲整形或者其他手段,可以实现样品的冲击压缩、准等熵压缩等不同的压缩过程[1-4],使得大型激光装置日益成为压缩物态性质研究的重要科学平台。目前,在大型激光装置上正开展着多方面与压缩物态有关的研究,它们对地球物理[5-6]和物态方程[3-4]等研究方向有着重要的作用。

    在大型激光装置上开展压缩物态方面的研究,相应地需要压缩物态的有效诊断方法。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)技术是凝聚态物理方向常用的研究方法之一,一般在同步辐射装置上开展。而现在,在大型激光装置上,EXAFS技术也正在逐步建立起来。与同步辐射有所不同的是,大型激光装置上的EXAFS技术建立的目的主要是为了实现对压缩物态进行参数测量,尤其是温度的测量。EXAFS谱诊断技术是一种原位(in situ)诊断技术,对温度敏感,通过测量压缩物态的EXAFS谱,进行数据拟合后可以得到压缩样品的结构参数和热力学参数[7]。利用EXAFS技术还可以对压缩物态的相变过程等其他方面进行研究。罗彻斯特大学的B. Yaakobi,Y. Ping等人,已在OMEGA激光装置上利用EXAFS谱开展了金属Ti,V,Fe压缩物态的参数测量及相变等方面的研究,取得了良好的实验结果[7-13]。后续还将在NIF激光装置上进一步开展类似的实验[14]。在国内,近年来,随着神光III等大型激光装置上压缩物态研究的开展[15-16],相应的参数测量技术也同时需要发展起来。

    在激光装置上的EXAFS技术有以下特点:(1)激光装置上的EXAFS一般采用激光驱动X射线源作为光源,大小一般为100 μm量级,脉宽为100 ps量级;(2)被测量的压缩物态一般是μm量级,存在时间尺度是ns量级;(3)EXAFS谱振荡信号是弱信号,而激光装置上存在各种噪声,容易对信号形成干扰。为简化问题,便于研究,在大型激光装置上建立EXAFS参数诊断技术,可以分为两步走,将EXAFS测量和压缩物态分开来研究。第一步,先对静态样品进行EXAFS测量,着重研究如何获得高质量EXAFS谱的问题;第二步,在前者的基础上,对压缩物态样品进行EXAFS谱测量。本文主要针对第一步,在神光III原型上为获得高质量EXAFS谱开展研究,并对影响因素和改进方法进行讨论。

    • 图1为X射线吸收谱的产生过程示意图。当入射X射线I0透过厚度为x的样品时,会被样品吸收而衰减,透过X射线的强度可以表示为[17]

      图  1  X射线吸收和精细结构产生示意图

      Figure 1.  Illustration of X-ray absorption and fine structure generation

      $$ {I_{\rm{t}}} = {I_0}(E)\exp [ - \mu (E)x] $$ (1)

      式中:E为X射线能量;$\mu \left( E \right)$称为样品材料的吸收系数,它与入射X射线能量E有关。

      吸收系数在特定能量处,由于光电子吸收,会突然增大,产生跳变,称为吸收边。由吸收原子发射出的光电子在向外传播过程中被近邻原子散射,其散射波函数与光电子波函数叠加,将对吸收系数产生调制,使其呈现出振荡变化,称为吸收谱的精细结构。

      图1(b)为精细结构产生的示意图。精细结构一般分为两部分:距离吸收边处20~30 eV以内的部分称为近边X射线吸收结构(X-ray absorption near edge structure,XANES);50 eV以外的部分称为扩展X射线精细结构(Extended X-ray absorption fine structure,EXAFS)。两者形成机制有所不同。一般来说,EXAFS范围较大,可以扩展至吸收边以后800~1 000 eV以后。图1(c)给出了在北京同步辐射装置上测得的金属Ti在常温常压下吸收谱。

    • 归一化吸收系数一般可以表示为[7, 17]

      $$ \chi (k) = \frac{{\mu (k) - {\mu _0}(k)}}{{{\mu _0}(k)}} = S_0^2\sum\limits_j {{N_j}} {F_j}(k)\exp [ - 2{\sigma _j}^2{k^2} - 2{R_j}/\lambda (k)]\sin [2k{R_j} + {\phi _{ij}}(k)]/kR_j^2 $$ (2)

      该公式采用平面波近似和单散射模型导出。其中$\mu (k)$是吸收系数,${\mu _0}(k)$是单原子吸收系数,波数k由德布罗意关系${\hbar ^2}{k^2}/2m = E - {E_K}$给出,$E$其中是吸收光子能量,${E_K}$K吸收边能量,$S_0^2$是振幅衰减因子,$\sigma _j^2$是德拜瓦勒因子(Debye-Waller Factor,DWF)。${R_j}$是有效散射路径,${\phi _{ij}}(k)$是相移,λ是电子平均自由程。下标j代表第j个原子壳层。

      一般来讲,在获得EXAFS谱以后,可以通过参数拟合,得到相应的参数,与测量有关的参数就是${R_j}$$\sigma _j^2$。对压缩物态参数测量,只需要对第一壳层进行拟合,得到${R_1}$$\sigma _1^2$。首先,压缩率可以通过有效散射路径进行计算$C = {({R_0}/{R_1})^3}$${R_0}$是未压缩时第一配位层的原子间距。德拜瓦勒因子与温度的关系可以由爱因斯坦模型给出[18]

      $$ {\sigma _E}^2(C,T) = \frac{\hbar }{{M{\omega _E}}}\coth (\hbar {\omega _E}/2{k_{\rm{B}}}T),{\kern 1pt} \;{\omega _E}(\sigma _1^2) = 3{k_{\rm{B}}}{{\mathit{\Theta}} _D}/4\hbar $$ (3)

      式中:$\hbar $是普朗克常数,${k_{\rm{B}}}$是玻耳兹曼常数,$M$是原子量,${\mathit{\Theta}} $是德拜温度。德拜温度${\mathit{\Theta}} $是压缩率压缩率$C$的函数,可以通过Cowan经验公式[19]进行计算。当得到德拜温度以后,就可以通过德拜瓦勒因子与温度的关系(公式(3))来求得温度T,从而完成参数测量。

      高质量EXAFS谱是进行数据处理、获得压缩物态参数的关键。因为EXAFS谱的质量好坏,直接关系到数据处理,进而关系到参数拟合参数的准确度。从公式中看到,EXAFS谱是一个振幅逐渐衰减,周期逐渐拉长的正弦类振荡。EXAFS振荡信号一般幅值较弱,一般来讲,振荡幅度仅为吸收边跳高的百分之几,这要求X射线光源有足够的强度,能够提供大量的光子计数。分析EXAFS谱的特点,在离吸收边较近的地方,振荡幅度相对较大,振荡频率较快,要求测量系统有较好的谱分辨;在离吸收边较远的地方,因为衰减较大,振荡幅度小,需要测量系统有较好的信噪比。因此,为获得较好的信噪比,在实验中需要针对这些特点进行实验设计和优化。

    • 实验在神光III原型上开展,实验设置如图2所示,X射线源位于真空靶室中心。分别采用玻璃球靶、金球、CH靶丸作为X射线源。其中玻璃球靶、CH靶丸由八束激光驱动,产生内爆,进而产生X射线辐射。激光参数为总能量800 J/1 ns/3ω/500 CPP(continuous phase plate,相位板),总能量约6.4 kJ。金球则是激光烧蚀产生金等离子体,由等离子体辐射产生X射线,无内爆过程。实验中,玻璃球靶直径为420~460 μm,壁厚约为1.8~2.2 μm,内充约1.0 MPa的DD气体。另外,玻璃球、CH靶丸内部同时掺入0~5% Ar原子气体。靶的详细参数请见表1。晶体谱仪为PET平面晶体谱仪,晶体大小为10 mm×50 mm,面间距为2d=0.876 nm,在Ti 的K边的布拉格散射角为16.4°。晶体固定于倾斜角为15°的斜面上。因为是静态测试,为简化实验,将金属Ti样品置于晶体谱仪入射窗口。窗口处加30 μm Be滤片,Ti样品为5 μm 金属箔片,覆盖约2/3面积。空余部分用于测量背光源光谱I0,透过样品的光谱为吸收光谱It,吸收系数为$\mu x = \ln \left( {{I_0}/{I_{\rm{t}}}} \right)$。X射线经过散射晶体衍射后,在IP(Image Plate)成像板上记录,IP板前加50 μm Be滤片。晶体衍射为一级衍射,衍射条件为$2d{\rm{sin}}\theta = \lambda $,这是按入射角度分光。实验中,晶体谱仪IP成像板与X射线源距离设置为${L_0} = 409.6\;{\rm{mm}}$,根据晶体谱仪结构参数,计算得到晶体谱仪测量能量范围为4 746~5 382 eV,覆盖金属Ti的K边吸收谱范围(Ti K吸收边能量为4 966 eV)。根据衍射公式,晶体谱仪能量分辨率可以表示为$\Delta E = E \Delta \theta /{\rm{tan}}\theta $$\Delta \theta \approx s/{L_0}$s为光源大小。设光源大小为100 μm,则可以估算Ti K吸收边处的能量分辨率为4.1 eV。

      表 1  X射线源参数及实验结果

      Table 1.  Parameters of X-ray source and results of experiments

      measurementshot numbertargetdiameter/μmwall/μmtotal energy/Jresults
      1 shot255 16A-II-9# 423 1.82 6 168 EXAFS not detected
      2 shot256 16A-II-10# 426 1.95 5 839 EXAFS detected
      shot257 16A-I-19# 435 1.8 6 076
      shot258 16A-I-17# 441 2.19 5 958
      3 shot259 Au ball 300 / 624 EXAFS detected
      shot260 16A-I-18# 445 1.96 5 861
      4 shot263 Au ball 300 / 1 175 EXAFS detected,no fine structure
      shot264 773
      5 shot265 16A-III-15# 461 2.21 4 562 EXAFS detected
      shot266 16A-III-12# 463 1.81 5 191
      6 shot267 16B-II-1# 409 16.4 5 982 EXAFS not detected
      7 shot268 16B-I-4# 425 15.8 5 834
      8 shot269 16B-II-2# 409 17.0 6 165
      9 shot270 16B-II-3# 415 16.5 5 840
      Note:A is glass ball,B is CH capsule. I,II,III correspond to Ar atomic ratio of 0%,1%,5%,respectively. Pressure in glass balls and capsules is 1.0 MPa。

      图  2  神光III原型EXAFS测量示意图

      Figure 2.  Illustration of EXAFS measurements configuration on SG-III laser facility

    • 表1为X射线源参数及实验统计结果。实验共计进行了14个发次,共计进行了9次EXAFS谱的测量。其中第2,3,4,5次测量为发次叠加测量。第2次测量为发次256~258共3个发次的叠加,第三次测量为259,260两个发次的叠加,第4次测量为263,264两个发次的叠加,第5次测量为265,266两个发次的叠加。其中,第2,3,4,5次测量均测得EXAFS谱。

      图3给出了三个测量结果的原始图像。图像中左边是X射线源光谱,右边是金属Ti的吸收谱。三次测量均测到较好的吸收谱,图像中显示出明显的振荡结构。因为我们最关心的是EXAFS谱,而EXAFS振荡幅值较小,一般为吸收边跳高的百分之几,为了清晰地显示振荡结构,调整了对比度,故使得X射线源谱及吸收边低能段亮度过大,看起来是饱和状态。

      图  3  三个测量结果的EXAFS原始图像

      Figure 3.  Raw EXAFS images of three measurements

      图3中给出的各发次均为单发次累积而成。其中图3(a)为测量2的结果,由三发内爆玻璃球累积而成,一发掺入1% Ar,另两发不掺杂。靶球内径分别为426 μm,435 μm和441 μm,壁厚分别为1.95 μm,1.8 μm和2.19 μm,激光能量分别为5 839 J,6 070 J和5 958 J。三发累积结果在原始图像上即显示出精细结构。一方面累积的结果增大了光子计数,另外可能是因为第一发玻璃球内掺入1% Ar原子,增强了热斑X射线发射。图3(b)为测量3的结果,由一发金球与一发不掺杂玻璃球叠加累积得到,获得了较强的信号,背光达到了饱和。这一结果好于图3(a)三发累积的结果,但金球驱动能量为624 J,并不算太大,玻璃球内径445 μm,壁厚1.96 μm,未掺Ar,与前者差别也不算太大,驱动能量5 861 J,比前者略低。分析原因,可能是因为本次测量中玻璃球内爆较强。另一测量4,共两发金球叠加,驱动能量分别为1 175 J和763 J,仅测量到吸收边却并未看到明显的精细结构,IP板光子计数也较小,这也说明了本实验中金球的辐射并不是很强,测量2中的光子计数主要贡献来自于玻璃球靶。分析原因,金球不能被压缩,无内爆过程,仅有烧蚀辐射的贡献;同时金球由于发光面积较大,影响了谱分辨率。下一步可以考虑将其做成平面靶,而激光采用聚焦光斑,多束叠加,这样激光功率密度大大提高,X射线辐射增强,光源面积也很小,可以很好地满足EXAFS测量要求。图3(c)为测量5的结果,由两发掺杂5%的玻璃球靶累积得到,精细结构清晰。其中靶直径大于460 μm,壁厚分别为2.21 μm和1.8 μm。驱动能量分别为4 562 J和5 191 J,比前面的激光能量均为低。从这上面的结果可以说明掺杂原子序数相对较高的元素可以增强X射线辐射。然而四发塑料球靶均未测到吸收谱信号,分析原因,是因为壁厚太大(15~17 μm),激光总能量相对较小,所产生的内爆较弱,故X射线辐射强度较低,并且没有进行叠加测量。第一次测量为玻璃球单发次测量,未测到吸收谱,可能是本次测量玻璃球未能形成良好的内爆过程造成的。从图像中可以看到,由于散射晶体上的一些瑕疵,吸收谱出现了一些杂散信号。由于EXAFS谱是弱信号,对于这样的信号测量,需要要求晶体具有很好的品质。

      图4给出了三次测量结果的EXAFS谱及其与同步辐射测量结果的比较。为了便于比较,将图中的曲线进行了平移。在内嵌小图中给出了三条曲线在E=5.02 keV(第二个振荡峰处)能量点的光子计数值作为参考。首先,我们看到吸收边后的第一个峰被测量到了。由于EXAFS振荡信号的特点是振荡周期随着能量的增加而增大,因此如果第一个峰能被测量到,那么后面的每一个振荡峰都应该能被很好地测量到,系统应有足够的能量分辨率。从图中可以看到,前面三个峰较为清晰,从第四个峰开始,随着振荡辐射的减小,波形受到噪声影响,畸变较大,至第五个峰,其振荡已不易辨认。另外,可以看到,晶体上的瑕疵对EXAFS谱产生了较大的影响。仔细比较实验结果和同步辐射结果,可以看到,虽然前面的波形与同步辐射结果吻合,振荡峰一一对应,但实验结果丢失了一些细节。三次测量中,第2次测量结果畸变较大,振荡幅值较小,第3,5次测量结果振荡幅值较大,前面三个峰分辨较好,且能呈现出一些细节。从IP板的光子计数值上来看可以发现,随着光子计数增加,曲线变得更为光滑,信噪比更好,质量更高。这是因为假设光子噪声由光子计数涨落形成,正比于光子计数$\sqrt N $,那么相对涨落为$\sqrt N /N = 1/\sqrt N $。当光子计数N增大时,相对涨落将变小。因此,增大光子计数有重要意义。更强的光源,多发次的叠加,都是为了增大光子计数,增大信噪比。图4中同时给出了对实验结果的数据平滑结果。

      图  4  测量2,3和5的吸收谱

      Figure 4.  Absorption spectra of measements 2,3 and 5

      我们对信号幅值较大、质量相对较好的测量3、测量5以及同步辐射结果进行了拟合。根据EXAFS参数测量原理,仅对第一壳层进行拟合。图5给出了测量3、5在k空间的拟合结果,表2中给出了三者拟合参数R和德拜瓦勒因子σ2的比较。从拟合结果中看到,实验与同步辐射拟合结果吻合较好,对第一壳层,有效散射路径R略小于同步辐射结果,而σ2则偏高;另外,实验结果的不确定度比同步辐射的大。这是因为实验测量中噪声对EXAFS谱影响较大。尤其是对第四个振荡峰之后,EXAFS谱峰振荡幅值已经较小,受噪声的影响更大。还有,就是晶体谱仪所采用的散射晶体以及IP板上的瑕疵,对EXAFS信号影响较大,会引起谱峰畸变。这些因素都会影响最终EXAFS数据质量,给拟合结果带来明显的偏离和较大的不确定度。由于我们EXAFS谱测量的目标是要进行参数测量,为提高参数测量的可靠性,减小不确定度,EXAFS谱的数据质量还需要进一步提高。

      表 2  测量3、测量5和同步辐射拟合结果比较

      Table 2.  Comparison of measurements 3,5 and synchrotron data fitting results

      measurementsR/(0.1 nm)σ2/(0.1 nm)2
      measurement 32.865±0.0050.007 6±0.004
      measurement 52.866±0.0300.006 8±0.008
      synchrotron2.869±0.0020.006 2±0.000 3

      图  5  测量3和测量5的k空间拟合

      Figure 5.  Data fitting of measurement 3 and 5 in k space

    • 在神光III原型装置上,玻璃球内爆X射线辐射较强,可以作为EXAFS测量的X射线源。但玻璃球收缩比较小,因此光源大小不够小,会影响谱分辨率。故玻璃球内爆背光源还需要进一步改进,或者在实验设计上进行改进以适应上述特点。

      CH球内爆收缩比比玻璃球要大,因此能形成更好的点光源。同时外壁烧蚀辐射比玻璃球弱一些,X射线辐射主要来自于内爆,因此若用于动态压缩物态测量,可以得到较好的时间分辨率。但本次实验采用CH球并未获得EXAFS谱,分析其原因,主要是由于实验中CH球内爆较弱。根据内爆相关计算和实验结果,在驱动能量不变的情况下,减小CH球壁厚有助于提高CH球内爆强度。考虑到仅是作为X射线源来使用,CH靶丸的支撑层和保气层都可以去掉,仅留下烧蚀层,内部不充入气体。这样,必然能大大提高内爆强度,进而产生较强的X射线辐射。金球作为EXAFS谱背光源,它不能被压缩,但实验中发现它在Ti K边吸收谱范围内光谱平滑,可以进一步改进作为背光源。可以考虑采用金属平面靶,并将驱动激光进行聚焦,这样可以提高功率密度和焦斑大小,形成辐射较强的点背光源。

      实验中,通过多发次累积的方法提高了信噪比,获得了质量较好的EXAFS谱。多发次累积的方法实质上是提高光子计数。这提示我们可以采用以下一些途径来进一步提高EXAFS谱数据质量:(1)进一步提高X射线光源辐射强度;(2)增大晶体谱仪的散射晶体面积,收集更多光子;(3)采用多通道谱仪,同时记录多套数据,从而增大采光子计数,提高信噪比。

      从获得的EXAFS谱数据来看,实验中的EXAFS谱质量与同步辐射结果还有较大差距。一方面是实验中测量系统谱分辨还不够高,丢失了频率较高的数据;另一方面是数据噪声以及实验器材的瑕疵造成的畸变。从实验数据来看,前面几个峰振荡较快,幅值较大,受系统分辨率影响较大,而后面几个峰振荡较慢,但幅值较小,受噪声影响较大。实验中采用的是平晶谱仪,从谱仪原理来看,谱分辨受限于光源尺度s和晶体谱仪参数L0,所以,一方面我们改进光源,尽可能地减小光源尺度,另一方面,我们也可以适当增大L0来获得足够的谱分辨。对于噪声问题,除了上述提到的一些方法外,还应提高实验器件的质量,如减少晶体和IP板上的瑕疵,尽可能地把这些能控制的情况减少到最低。

      从实验原理上分析,动态压缩的情况与静态的区别在于样品的压缩与否。由于样品压缩仅能维持纳秒量级,再加上样品内部温度和密度不均匀性的影响,动态压缩物态的EXAFS质量不会超过静态测量结果。因此,一般来说,静态样品的EXAFS谱测量结果即是实验中EXAFS谱质量的上限。所以,在进行动态压缩样品的测量之前,应尽可能提高静态样品的EXAFS谱的数据质量。

    • 为获得高质量的EXAFS谱,在神光III原型激光装置上,采用玻璃球、金球、CH球作为背光源对金属Ti EXAFS谱进行了实验研究。通过多发次叠加、光子数累积的方法获得了信噪比良好的金属Ti 在常温常压下的EXAFS谱,并对进行了数据处理。结果表明,实验测得的金属Ti EXAFS的拟合结果与同步辐射实验结果的拟合结果相吻合,表明实验设计的正确性与可靠性。实验结果对在激光装置上建立压缩物态EXAFS参数测量方法有重要作用,为进一步在激光装置上采用EXAFS谱对压缩物态进行参数测量提供了数据参考。

      致 谢 感谢北京同步辐射装置EXAFS组郑黎荣给予的指导和帮助。

      01 专辑主题
       (1) 高能量密度物理现象与物质特性
       (2) 惯性约束聚变物理
       (3) 强激光驱动粒子加速及新型辐射源
       (4) 超强激光与物质相互作用
       (5) 高能量密度物理加载及诊断技术

      02 投稿要求
       (1) 投稿可选择网上投稿(www.hplpb.com.cn),投稿时文章题名前加“高能量密度物理”专辑;也可电子邮件投稿,邮件主题注明“高能量密度物理”专辑,投稿邮箱:liuyn862010@163.com。
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       (4) 未尽事宜请联系编辑部刘玉娜编辑或专辑主编。

      03 重要日期
       征稿截止日期:2020年5月15日
       计划出版日期:2020年8月15日
      04 联系方式
       责任编辑:
       刘玉娜/《强激光与粒子束》编辑部
       0816-2485753,liuyn862010@163.com。
       专辑主编:
       丁永坤/北京应用物理与计算数学研究所
       ding-yk@vip.sina.com

      05 专辑主编简介
        丁永坤研究员,现任北京应用物理与计算数学研究所党委书记、北京大学应用物理与技术研究中心副主任、中国物理学会高能量密度物理专业委员会副主任、等离子体物理分会副主任。长期从事激光惯性约束核聚变(ICF)研究,在ICF实验、诊断和靶物理设计方面,曾负责过国家高技术和国家重大科技专项的重要课题,主持了国家自然基金重点项目和科技部重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项等。曾获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖和省部级科技进步奖,相关工作发表论文200余篇,出版专著一部。
参考文献 (19)

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