紧凑型真空平面晶体谱仪的研制及其在L壳层多电离原子X射线光谱研究中的应用

为解决L壳层多电离原子X射线光谱分析中传统探测器分辨率不足、宽能谱覆盖困难等问题，研究人员开发了一种紧凑型真空平面晶体谱仪。该设备通过同步线性靶运动与晶体旋转实现25°–65°布拉格角调制，单次曝光覆盖0.04–6.58 keV能段，HOPG(002)和Si(111)晶体分别实现>400和≈500的分辨能力，为化学键合效应、实验室天体物理等研究提供了高灵敏度工具。

　　

在探索原子内壳层多电离现象的研究中，L壳层X射线光谱分析长期面临两大技术瓶颈：一是固态探测器（如硅漂移探测器SDD）对低Z元素Lα₁
(3d_5/2
→2p_3/2
)与Lα₂
(3d_3/2
→2p_3/2
)等近邻谱线（能量差仅5.88 eV）的分辨能力不足；二是传统晶体谱仪难以单次捕获宽能谱（如Ag的Lα₁
与Lγ₁
谱线600 eV能量差）。这些问题严重制约了原子结构、化学键合效应及实验室天体物理等领域的研究进展。

针对这些挑战，中国的研究团队在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》发表论文，报道了一种创新型真空平面晶体谱仪。该设备通过数学建模优化几何参数，采用靶-晶联动机制（线性位移精度±0.01 mm配合晶体旋转），实现了25°–65°布拉格角连续调制。关键技术包括：1）多平面晶体（HOPG(002)/Si(111)）组合设计；2）同步运动控制系统；3）真空环境下的CCD探测；4）使用10 keV电子束轰击Ag靶进行L系X射线校准。

【设计原理】
基于布拉格方程nλ=2d·sinθ_B
⁰
，团队推导出能谱覆盖范围与晶体间距(2d)、靶位移量的定量关系。通过优化光路几何，使单次曝光带宽达6.58 keV（0.53–19.3 keV总范围），较传统设计提升两个数量级。

【性能测试】
校准实验显示：1）HOPG(002)晶体因0.4°±0.1°镶嵌角呈现高探测效率（较Si(111)提升20倍），适于稀有跃迁检测；2）Si(111)凭借完美晶体结构实现更高分辨率（E/ΔE≈500）；3）系统对Ag Lβ₁
(4f→2p)等复杂谱线的分离能力验证了其在化学位移研究中的价值。

【应用前景】
该谱仪突破了现有技术对L壳层多电离研究的限制：1）宽动态范围满足从轻元素（如Ti L系）到重元素（如U L系）的检测需求；2）高分辨率可解析Coster-Kronig（非辐射跃迁）效应引起的谱线展宽；3）紧凑设计（无需大型真空舱或波纹管）为同步辐射、激光等离子体诊断等场景提供了便携解决方案。

这项研究不仅为原子物理基础参数（荧光产额、空位转移概率等）的精确测定建立了新方法，更通过设备创新推动了多学科交叉研究——从化合物化学敏感度评估到极端天体环境中电离态模拟，展现出广阔的应用前景。未来通过集成更多晶体类型（如LiF(200)）和自动化控制系统，有望进一步拓展其在瞬态等离子体诊断等领域的适用性。