一种用于X射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置和方法

一种用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置和方法
技术领域
1.本发明涉及托卡马克装置用的球面弯曲晶体谱仪波长标定领域，尤其涉及一种用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置和方法。


背景技术：

2.x射线球面弯曲晶体谱仪（简称弯晶谱仪）是托卡马克装置上用于测量等离子体的离子温度和旋转速度的主要诊断之一，其原理主要基于标识谱线的多普勒平移，即具有一定旋转速度的等离子体发射的标识谱线相对于其静止时发射的谱线，在波长上会有一定的平移（多普勒平移）。这个平移量与旋转速度在视线方向上的分量成正比。然而，要获得等离子体旋转速度的绝对值，则需要对弯晶谱仪的探测器进行绝对波长标定，即x射线光源在静止状态下发射的标识谱线在探测器上的精确位置。然而，弯晶谱仪的精确波长标定是一个世界性难题。
3.目前，弯晶谱仪的波长标定方法主要有两类。第一类方法为mhd-锁模标定法，即通过共振磁扰动线圈等手段激发某一特征模，如m/n = 1/1模，再利用磁探针诊断获得其旋转频率f，之后根据v=2πrf获得等离子体旋转速度，然后反推探测器上谱线位置与波长的对应关系；或是通过rmp线圈等手段直接制造锁模，即利用扰动模的减速效应将旋转速度降为0 km/s，并获得探测器上谱线位置与谱线波长的对应关系。第二类方法为基于x射线荧光的被动标定法，即利用托卡马克等离子体作为x射线源，在晶体前放置一个金属箔（如镉箔），当托卡马克中的x射线打到镉箔上时，x射线的能量会激发镉原子的内层电子，并再次发射已知波长特征的x射线荧光谱线，随后探测器观察到这条特征谱线即可确认探测器上谱线位置与波长的对应关系。
4.但是，上述两类标定方法存在一定的问题。在mhd-锁模标定方法中，首先（1,1）磁岛的旋转速度与背景等离子体旋转速度并不完全相等，此种标定方法误差较大；其次，锁模通常也只是在某一磁面上出现锁模，其它磁面位置的等离子体依然会有旋转速度，因此标定的结果不够严谨、精确。而且，对于east这种相对比较大的装置来说，锁模对east（全超导托卡马克核聚变实验装置）会造成较大的安全风险。对于x射线荧光被动标定方法，其存在的问题是标定谱线强度太弱以至于实验中尚未观测到有效的谱线数据。
5.综上，现有技术中弯晶谱仪的波长标定方式不够精确或谱线强度太弱，不能满足需求。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置和方法，以解决现有技术中弯晶谱仪的波长标定方式不够精确或谱线强度太弱的技术问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置，包括真空腔室以及设于所述真空腔室内的双晶体、探测器、铍窗和x射线源，所述x射线源包括钛-x射线源和镉-x射线源，所述x射线源设于所述双晶体和所述铍窗之间；
所述双晶体设于所述真空腔室的底部，所述真空腔室的一侧连通有第一腔室，所述探测器设于所述第一腔室远离所述真空腔室的一侧，所述探测器与所述双晶体相对设置；所述真空腔室上设有用于配置高压回路的高压馈通，所述高压回路的输入端用于与高压发生器的输出端连接，所述高压回路的输出端与所述x射线源的电源输入端连接；所述真空腔室上设有运动机构，所述x射线源与所述运动机构连接，所述运动机构用于控制所述x射线源的移动，以使所述x射线源的中心与所述双晶体的中心位于同一水平高度。
8.优选地，所述真空腔室上设有用于配置水冷回路的水冷馈通，所述水冷回路的输入端用于与水冷箱连接，所述水冷回路的输出端与所述x射线源的散热端连接，所述水冷回路用于输送冷却水。
9.优选地，所述高压馈通采用陶瓷焊接工艺设置于所述真空腔室上。
10.优选地，所述真空腔室连接有分子泵机组，所述分子泵机组用于给所述真空腔室抽真空。
11.优选地，所述真空腔室的真空度为10-3
pa量级。
12.优选地，所述运动机构包括顶盖、波纹管和连接棒，所述顶盖通过波纹管与所述真空腔室连接，所述连接棒的一端设于所述x射线源的中间，所述连接棒的另一端与所述顶盖连接，所述波纹管用于带动所述连接棒和所述x射线源移动。
13.优选地，所述波纹管的上下伸缩位移为70mm。
14.优选地，所述双晶体上设有温度监控模块。
15.本发明还提供了一种用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的方法，基于上述内容任意一项所述的用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置实现，包括以下步骤：将所述真空腔室的真空度抽至10-3
pa量级；启动所述钛-x射线源和所述镉-x射线源的水冷回路；使用所述运动机构控制所述x射线源的移动，以使所述x射线源的中心与所述双晶体的中心位于同一水平高度；根据预设的加热时间对所述x射线源加热，并启动所述钛-x射线源和所述镉-x射线源的高压回路，以使所述x射线源发射标识谱线；使用所述探测器采集所述标识谱线，并记录所述标识谱线的波长对应探测器的像素值；根据所述波长和所述像素值的线性回归，对弯曲晶体谱仪进行绝对波长标定。
16.优选地，所述方法还包括：当波长标定结束后，使用所述运动机构控制所述x射线源移动至初始位置，并关闭高压回路和水冷回路。
17.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明提供的用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置，包括真空腔室以及设于所述真空腔室内的双晶体、探测器、铍窗和x射线源，采用基于钛-x射线源和镉-x射线源对弯晶谱仪进行精确的主动波长标定，并且将x射线源设置在真空腔室内，x射线在真空中衰减较弱，从而能够保证标定源是静态的，也能够控制标定谱线的强度，避免谱线强度过
弱，解决了弯晶谱仪波长标定这一世界难题。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置的正视图；图2是本发明实施例提供的用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置的俯视图。
19.其中，附图标记如下：1、真空腔室；11、第一腔室；12、光学平台；2、高压馈通；3、水冷馈通；4、分子泵机组；5、x射线源；51、钛-x射线源；52、镉-x射线源；6、双晶体；7、探测器；8、铍窗；9、运动机构；91、顶盖；92、波纹管；93、连接棒。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.参照图1、图2，本发明实施例提供的用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置，包括真空腔室1以及设于所述真空腔室1内的双晶体6、探测器7、铍窗8和x射线源5，所述x射线源5包括钛-x射线源51和镉-x射线源52，所述x射线源5设于所述双晶体6和所述铍窗8之间；所述双晶体6设于所述真空腔室1的底部，所述真空腔室1的一侧连通有第一腔室11，所述探测器7设于所述第一腔室11远离所述真空腔室1的一侧，所述探测器7与所述双晶体6相对设置；所述真空腔室1上设有用于配置高压回路的高压馈通2，所述高压回路的输入端用于与高压发生器的输出端连接，所述高压回路的输出端与所述x射线源5的电源输入端连接；所述真空腔室1上设有运动机构9，所述x射线源5与所述运动机构9连接，所述运动机构9用于控制所述x射线源5的移动，以使所述x射线源5的中心与所述双晶体6的中心位于同一水平高度。
22.具体地，真空腔室1的长度为3.8米，整个装置固定在长度为4米的光学平台12上。所述真空腔室1连接有分子泵机组4，所述分子泵机组4用于给所述真空腔室1抽真空。在标定时，真空腔室1的真空度为10-3
pa量级。
23.需要说明的是，钛-x射线源51用于标定xe
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谱线，该x射线源能够发射ti kα1(4510.8ev) 和ti kα2(4504.9ev)的标识谱线。镉-x射线源52用于标定ar
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和ar
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谱线，该x射线源发射cd lα1(3133.7ev) 、cd lα2(3126.9ev)和cd lβ1(3316.6ev)的标识谱线。这两个x射线源放置于真空腔室1中，其位于铍窗8和双晶体6之间。双晶体6包括ar
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晶体和xe
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晶体，所述双晶体6上设有温度监控模块，用于监控双晶体6的温度。由于x射线在空气中衰减的极为严重，无法在空气中对弯晶谱仪进行波长标定。而x射线在真空中衰减较弱，为了解决弯晶谱仪波长标定这一世界难题，需将两个x射线源放置于真空室中。
24.具体地，两个x射线源需要配备高压回路，高压回路的输入端与放置于大气中的高压发生器连接。为保证两个x射线源在真空腔室1中能够正常工作，需将两个x射线源的高压传输线切断，在真空腔室1上设置高压馈通2，高压回路通过高压传输线和高压馈通2连接，
从而为两个x射线源提供30kv、1ma的高电压。所述高压馈通2采用陶瓷焊接工艺设置于所述真空腔室1上，能够承受60kv高压，保证了高压回路的绝对安全性。
25.在本实施例中，所述真空腔室1上还设有用于配置水冷回路的水冷馈通3，所述水冷回路的输入端用于与水冷箱连接，所述水冷回路的输出端与所述x射线源5的散热端连接，x射线源5的散热端即为x射线源5中的输送冷却水的散热通道。所述水冷回路用于输送冷却水，所述水冷馈通3用于传输专用冷却水（压力为5atm）为钛-x射线源51和镉-x射线源52冷却，专用冷却水来自于放置于大气中的水冷箱。通过水冷馈通3将压力为5atm的专用冷却水传输至钛-x射线源51和镉-x射线源52，整个冷却水传输通道保持极高的真空密封性，漏率低于10-12
pa.l/s。
26.在本实施例中，所述运动机构9包括顶盖91、波纹管92和连接棒93，所述顶盖91通过波纹管92与所述真空腔室1连接，所述连接棒93的一端设于所述x射线源5的中间，所述连接棒93的另一端与所述顶盖91连接，所述波纹管92用于带动所述连接棒93和所述x射线源5移动。其中，波纹管92能够上下自由伸缩，所述波纹管92的上下伸缩位移为70mm。连接棒93采用不锈钢棒（直径6mm），两个x射线源通过不锈钢棒与其正上方的顶盖91固定连接。优选地，运动机配置有plc控制器和电机，通过plc控制电机工作，从而带动波纹管92运动，能够将连接棒93和两个x射线源上下移动70mm的垂直位移。
27.本实施例还提供一种用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的方法，基于上述实施例任意一项所述的用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置实现，包括以下步骤：将所述真空腔室的真空度抽至10-3
pa量级；启动所述钛-x射线源和所述镉-x射线源的水冷回路；使用所述运动机构控制所述x射线源的移动，以使所述x射线源的中心与所述双晶体的中心位于同一水平高度；根据预设的加热时间对所述x射线源加热，并启动所述钛-x射线源和所述镉-x射线源的高压回路，以使所述x射线源发射标识谱线；使用所述探测器采集所述标识谱线，并记录所述标识谱线的波长对应探测器的像素值；根据所述波长和所述像素值的线性回归，对弯曲晶体谱仪进行绝对波长标定。
28.优选地，所述方法还包括：当波长标定结束后，使用所述运动机构控制所述x射线源移动至初始位置，并关闭高压回路和水冷回路。
29.具体地，在工作时，首先应用分子泵机组将真空腔室的真空度抽至10-3
pa量级，之后分别给钛-x射线源和镉-x射线源供应冷却水，随后应用运动机构将两个x射线源向下移动70mm的垂直位移，保证x射线源的中心和晶体的中心在同一水平高度。
30.接着，分别将两个x射线源预热15分钟，随后分别给钛-x射线源和镉-x射线源供给30kv、1ma的高压。此时，x射线源分别发射ti kα1(4510.8ev) 、ti kα2(4504.9ev)、cd lα1(3133.7ev) 、cd lα2(3126.9ev)和cd lβ1(3316.6ev)的标识谱线，应用pilatus 900k探测器采集这些标识谱线后，精确记录谱线的波长对应探测器的像素值，通过波长和像素的线性回归便可精确的对弯晶谱仪进行绝对波长标定了。通过初步实验得到，该波长标定的误差小于3
×
10-5
å
，本发明提供的标定方法比传统的mhd-锁模标定法的精确度提高一个量级。
此外，相比于x射线荧光的被动标定法很难获得标识谱线，本发明提供的主动标定方法更有效，标定结果的歧离更小，可信度更高，信噪比更好，且对托卡马克等离子体的条件没有要求，是更优秀的标定方法。
31.最后，在波长标定结束后，需将两个x射线源向上提升70mm，以防止x射线源阻挡弯晶谱仪的入射光路，同时关闭高压回路及水冷回路。
32.综上，本发明提供的用于x射线球面弯曲晶体谱仪波长标定的装置和方法，采用基于钛-x射线源和镉-x射线源对弯晶谱仪进行精确的主动波长标定，并且将x射线源设置在真空腔室内，x射线在真空中衰减较弱，从而能够保证标定源是静态的，也能够控制标定谱线的强度，避免谱线强度过弱，解决了弯晶谱仪波长标定这一世界难题。
33.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。