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彎晶譜儀
簡介
X射線晶體光譜儀（x-ray imaging crystal spectrometer）常用于高能射線的測量，按照使用晶體分為：平面晶體譜儀和彎晶譜儀。通常情況下，平面晶體譜儀由于器結構簡單，加工難度低而廣泛應用于X射線光譜分析，是一種*簡單的X 射線光譜測量儀器。然而平面譜儀不具備聚焦功能，因此收光效率低，譜線強度弱。此外光源尺寸對光譜分辨率的影響明顯，不滿足高光譜分辨的測量需求。彎曲晶體譜儀通過將分光晶體衍射面彎曲成各種曲面而達到強聚焦的目標。球面彎曲晶體，同時具備色散與成像的二維特性。結合晶體布拉格衍射和球面鏡聚焦特性，在沒有狹縫或真空的情況下，結合二維X 射線探測器，可以同時得到光譜和空間分辨的X 射線光源像。目前球面彎晶在慣性約束和磁約束等離子體診斷中都得到了廣泛的應用。等離子體離子溫度，旋轉速度是表征聚變等離子體性能的重要參數，也是開展眾多等離子體物理問題研究的數據基礎。在托卡馬克裝置中，彎晶譜儀通過測量等離子體雜質譜線的多普勒頻移與多普勒展寬來測量離子溫度和旋轉速度。基于其不依賴于中性束注入以及在各種射頻波加熱下都能正常運行的特性，尤其適合純射頻波加熱下等離子體溫度的測量，是托卡馬克裝置中的重要物理診斷之一。北京卓立儀器有限公司基于客戶需求及過去20年的光譜研發經驗，推出成套的彎晶光譜儀測試系統。
彎晶譜儀的原理
彎晶譜儀是一種用于X射線光譜測量的重要工具，它基于布拉格衍射定律工作，通過合理選擇材料和彎晶的形狀，能夠精確控制X射線的衍射效應，從而實現X射線的單色反射聚焦。其構型多樣，包括約翰型、約翰森、對數螺線、橢球和Von Hamos等，廣泛應用于科學研究、工業檢測等領域。主要部件包含有：根據所需測試范圍的彎晶，成套光路搭建，以及后端探測設備（真空相機為主）。在彎晶譜儀各部件中，探測器是決定彎晶譜儀系統性能的關鍵設備之一，尤其是在長脈沖高功率輔助加熱等離子體運行條件下，不僅需要有高的計數率，同時也要有好的動態范圍反映加熱前后等離子體參數變化。彎曲的晶體并不能使X射線聚焦，但是能夠以衍射的方式使X射線匯聚成一條線或一個點。曲面彎晶可以是透射式或反射式的,而且可以彎曲成與圓柱面、球面、環面或對數曲面的一小部分相符合的曲面。
彎晶譜儀原理圖：
A為入射點，B為成像面，
用于Tokamak上球面彎晶譜儀示意圖
彎晶譜儀的主要參數
測試X射線波長：
彎晶譜儀主要用于X射線波長范圍內的測量，通常在0.1到10納米之間。通過選擇不同晶格間距的晶體，可以覆蓋從軟X射線到硬X射線的范圍。
測試能量范圍
軟X射線：適用于研究輕元素和生物樣品，通常在幾百電子伏特（eV）到幾千電子伏特的范圍。
硬X射線：適用于研究重元素和高密度材料，通常在幾千電子伏特到幾萬電子伏特的范圍。
光譜分辨率：根據需求，可以得到nm級別甚至更高的分辨率。
技術指標
■ 波長范圍：0.1-10nm
■ 能量范圍：幾百eV~幾十keV
■ 光譜分辨率：100-1000@寬譜段；>1000@譜形測量
■ 接受定制化需求
■ 不同應用場景下相關配置參考如下：
彎晶譜儀的相關應用領域
材料科學：用于研究材料的微觀結構和成分。
物理學：用于研究高能物理現象和粒子特性，如慣性約束和磁約束等離子體診斷中使用
化學分析：用于定量和定性分析化合物中的元素
相關測試數據案例
案例一：用Andor真空相機搭建的彎晶譜儀獲得的Si Kα譜線
案例二：使用Detrics的PILATUS相機搭建的彎晶譜儀測得的數據
搭配的探測器選項1（Andor）：
高靈敏度科學級相機 | ||||
產品系列 | 科學級像增型ICCD | |||
腔外式X射線及真空紫外系列CCD相機 | ||||
型號 | iKon-M SO | iKon-L SO | DO920 | DO940 |
DO934/DY934 | DO936/DY936 | |||
芯片類型 | 1.BN:背感光CCD，無涂層； | 1.BN:背感光CCD，無涂層； | ||
有效像素 | 1024*1024 | 2048*2048 | 1024*255 | 2048*512 |
像素大小 | 13*13 μm | 13.5*13.5 μm | 26 x 26 μm | 13.5 x 13.5 μm |
滿阱容量 | 100000e- | 87000e- | ||
探測面尺寸 | 13.3*13.3mm(100% fill factor) | 27.6*27.6mm(100% fill factor) | 27.6*6.9 | |
*低制冷溫度 | -100℃ | -55℃ | -100°C | |
讀出速度 | 0.05,1,3,5MHz | 4MHz | ||
讀出噪聲 | <2.9e- | 2.8e- | ||
幀頻 | 4.4fps | 0.95fps | / | / |
峰值光點轉換效率 | >95%(BN/BEN);>90%(BR-DD) | / | / | |
線性度 | >99% | / | / | |
光陰極重復頻率 | 500KHz | 500KHz | / | / |
其它 | 1.開放式前端- DN100CF / 6cf / CF-152法蘭和刀口密封是真空室直接接口的標準配置(iKon-M型可旋轉設計)。 | |||
搭配的探測器選項2（Dectris）
