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弯晶谱仪
简介
X射线晶体光谱仪（x-ray imaging crystal spectrometer）常用于高能射线的测量，按照使用晶体分为：平面晶体谱仪和弯晶谱仪。通常情况下，平面晶体谱仪由于器结构简单，加工难度低而广泛应用于X射线光谱分析，是一种*简单的X 射线光谱测量仪器。然而平面谱仪不具备聚焦功能，因此收光效率低，谱线强度弱。此外光源尺寸对光谱分辨率的影响明显，不满足高光谱分辨的测量需求。弯曲晶体谱仪通过将分光晶体衍射面弯曲成各种曲面而达到强聚焦的目标。球面弯曲晶体，同时具备色散与成像的二维特性。结合晶体布拉格衍射和球面镜聚焦特性，在没有狭缝或真空的情况下，结合二维X 射线探测器，可以同时得到光谱和空间分辨的X 射线光源像。目前球面弯晶在惯性约束和磁约束等离子体诊断中都得到了广泛的应用。等离子体离子温度，旋转速度是表征聚变等离子体性能的重要参数，也是开展众多等离子体物理问题研究的数据基础。在托卡马克装置中，弯晶谱仪通过测量等离子体杂质谱线的多普勒频移与多普勒展宽来测量离子温度和旋转速度。基于其不依赖于中性束注入以及在各种射频波加热下都能正常运行的特性，尤其适合纯射频波加热下等离子体温度的测量，是托卡马克装置中的重要物理诊断之一。北京卓立仪器有限公司基于客户需求及过去20年的光谱研发经验，推出成套的弯晶光谱仪测试系统。
弯晶谱仪的原理
弯晶谱仪是一种用于X射线光谱测量的重要工具，它基于布拉格衍射定律工作，通过合理选择材料和弯晶的形状，能够精确控制X射线的衍射效应，从而实现X射线的单色反射聚焦。其构型多样，包括约翰型、约翰森、对数螺线、椭球和Von Hamos等，广泛应用于科学研究、工业检测等领域。主要部件包含有：根据所需测试范围的弯晶，成套光路搭建，以及后端探测设备（真空相机为主）。在弯晶谱仪各部件中，探测器是决定弯晶谱仪系统性能的关键设备之一，尤其是在长脉冲高功率辅助加热等离子体运行条件下，不仅需要有高的计数率，同时也要有好的动态范围反映加热前后等离子体参数变化。弯曲的晶体并不能使X射线聚焦，但是能够以衍射的方式使X射线汇聚成一条线或一个点。曲面弯晶可以是透射式或反射式的,而且可以弯曲成与圆柱面、球面、环面或对数曲面的一小部分相符合的曲面。
弯晶谱仪原理图：
A为入射点，B为成像面，
用于Tokamak上球面弯晶谱仪示意图
弯晶谱仪的主要参数
测试X射线波长：
弯晶谱仪主要用于X射线波长范围内的测量，通常在0.1到10纳米之间。通过选择不同晶格间距的晶体，可以覆盖从软X射线到硬X射线的范围。
测试能量范围
软X射线：适用于研究轻元素和生物样品，通常在几百电子伏特（eV）到几千电子伏特的范围。
硬X射线：适用于研究重元素和高密度材料，通常在几千电子伏特到几万电子伏特的范围。
光谱分辨率：根据需求，可以得到nm级别甚至更高的分辨率。
技术指标
■ 波长范围：0.1-10nm
■ 能量范围：几百eV~几十keV
■ 光谱分辨率：100-1000@宽谱段；>1000@谱形测量
■ 接受定制化需求
■ 不同应用场景下相关配置参考如下：
弯晶谱仪的相关应用领域
材料科学：用于研究材料的微观结构和成分。
物理学：用于研究高能物理现象和粒子特性，如惯性约束和磁约束等离子体诊断中使用
化学分析：用于定量和定性分析化合物中的元素
相关测试数据案例
案例一：用Andor真空相机搭建的弯晶谱仪获得的Si Kα谱线
案例二：使用Detrics的PILATUS相机搭建的弯晶谱仪测得的数据
搭配的探测器选项1（Andor）：
高灵敏度科学级相机 | ||||
产品系列 | 科学级像增型ICCD | |||
腔外式X射线及真空紫外系列CCD相机 | ||||
型号 | iKon-M SO | iKon-L SO | DO920 | DO940 |
DO934/DY934 | DO936/DY936 | |||
芯片类型 | 1.BN:背感光CCD，无涂层； | 1.BN:背感光CCD，无涂层； | ||
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 |
满阱容量 | 100000e- | 87000e- | ||
探测面尺寸 | 13.3*13.3mm(100% fill factor) | 27.6*27.6mm(100% fill factor) | 27.6*6.9 | |
*低制冷温度 | -100℃ | -55℃ | -100°C | |
读出速度 | 0.05,1,3,5MHz | 4MHz | ||
读出噪声 | <2.9e- | 2.8e- | ||
帧频 | 4.4fps | 0.95fps | / | / |
峰值光点转换效率 | >95%(BN/BEN);>90%(BR-DD) | / | / | |
线性度 | >99% | / | / | |
光阴极重复频率 | 500KHz | 500KHz | / | / |
其它 | 1.开放式前端- DN100CF / 6cf / CF-152法兰和刀口密封是真空室直接接口的标准配置(iKon-M型可旋转设计)。 | |||
搭配的探测器选项2（Dectris）
