KB镜成像模拟以及与菲涅耳波带板成像的比较

采用坐标变换方法自编光线追迹程序模拟了Kirkpatrick-Baez镜在X射线波段的掠入射成像,获得了视场、分辨率等结果.比较了给定参量条件下Kirkpatrick-Baez镜与菲涅耳波带板两种高分辨X射线成像的特性,给出两者各自适用范围.Kirkpatrick-Baez镜成像有比较高的系统效率,在视场中心的空间分辨能力可达0.71μm,但偏离视场中心±200μm,空间分辨能力显著下降至6μm,适用于较小视场的成像.菲涅耳波带板成像不仅在视场中心可以实现0.39μm的空间分辨能力,偏离视场中心达±13 mm,空间分辨能力也几乎不变,可实现大视场高分辨成像.     

基于非周期多层膜的X射线成像研究

设计了惯性约束聚变（ICF）诊断实验用X射线Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜，给出了系统的结构参量.使用ZEMAX光学软件对KB型显微镜进行了性能模拟，结果表明：在8 keV能点，放大率为8倍时，轴上点的最佳空间分辨率小于2 μm，200微米视场的空间分辨率优于10μm.采用磁控溅射方法制备了W/B4C非周期多层膜，经X射线衍射仪（XRD，工作能量8 keV）测量，其反射率为20％，带宽为0.3°，达到了KB型显微镜成像系统的要求.使用Cu靶X射线管进行了成像实验，得到了放大倍数分别为1倍和2倍的一维X射线像.     

结合去卷积的艾里光束片状光显微成像研究

为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题,结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法,实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统,在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束,并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上,建立去卷积算法进行图像恢复,克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题,对荧光微球成像,探测放大倍率为42倍,FOV从高斯光束光片显微镜的25μm扩大到208μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像,探测放大倍率为53倍,FOV由20μm扩大到167μm。仿真和实验表明,通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。     

基于辅助光学系统的KB显微镜瞄准方法

 研究了利用辅助可见光系统精确瞄准KB显微镜物点的方法。设计了工作能点8 keV的周期多层膜KB显微镜系统,通过光线追迹和X射线成像实验,得到5 μm空间分辨率所对应的视场和景深,进而计算出诊断实验对应的指向和景深要求。基于KB系统的物像关系和精度要求,设计了辅助的可见光成像系统,实现了可见光系统与X射线KB系统间的等效瞄准,利用耦合好的系统进行了瞄准和X射线成像实验。实验结果表明:辅助光路可以实现±20 μm的垂轴面和±300 μm的轴向定位精度,满足KB显微镜的瞄准要求。     

X射线高空间分辨多色显微成像系统研制及应用

在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中,获得具有极高空间分辨率(优于5μm)的X射线辐射图像,是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备,目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究,在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展,研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中,为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。     

单层膜Kirkpatrick-Baez显微镜的分辨率模型

 分析了几何像差、衍射效应和光学加工精度等因素对不同工作能点的单层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像质量的影响,构建了该显微镜的均方根空间分辨率模型,用Ir单层膜KB显微镜获得了8 keV能量的X射线成像结果,其中心视场的分辨率约为2 mm,±50 mm视场的分辨率优于5 mm。实验结果与分辨率模型的对比表明,中心视场的分辨率受球差、衍射效应和反射镜加工精度的综合影响,边缘视场的分辨率主要由系统的几何像差决定。     

KB镜成像模拟以及与菲涅耳波带板成像的比较

采用坐标变换方法自编光线追迹程序模拟了Kirkpatrick-Baez镜在X射线波段的掠入射成像,获得了视场、分辨率等结果.比较了给定参量条件下Kirkpatrick-Baez镜与菲涅耳波带板两种高分辨X射线成像的特性,给出两者各自适用范围.Kirkpatrick-Baez镜成像有比较高的系统效率,在视场中心的空间分辨能力可达0.71 μm,但偏离视场中心±200 μm,空间分辨能力显著下降至6 μm,适用于较小视场的成像.菲涅耳波带板成像不仅在视场中心可以实现0.39 μm的空间分辨能力,偏离视场中心达±13 mm,空间分辨能力也几乎不变,可实现大视场高分辨成像.     

用于超热电子诊断的单色X射线成像技术

基于球面弯晶设计了一套二维分辨的单色成像系统,使用光学仿真软件对系统进行了成像模拟。对金网格进行了背光成像,获得了8.048keV的单色网格成像,空间分辨率可达9μm。在神光II(SG-II)升级激光装置上,利用该成像系统成功获取了二维锥靶的Kα自发光单色图像。结果表明,该成像系统能够胜任快点火物理实验中超热电子的诊断。     

亚微米分辨率Wolter显微镜的设计

受限于初始构型和光学加工能力,现有X射线成像诊断设备的最优空间分辨率被限制在3～5μm。提出一种基于开放式Wolter构型的亚微米分辨率X射线显微镜。详细介绍了显微镜的光学结构、设计方法和关键参数。提出一种适用于Rayleigh-Taylor不稳定性诊断的大视场、高分辨率X射线显微镜的光学设计方案。开展了基于光线追迹的构型验证、像质仿真和系统响应效率评价。显微镜设计工作能点为2.5 keV,有效视场为±0.35 mm,在全视场范围内空间分辨率优于1μm,几何集光立体角为3.73×10^-5 sr,峰值响应效率为1.52×10^-5 sr。     

飞秒时间分辨的能谱分析光电子显微镜：异质结超快载流子动力学测量

本文成功搭建了一套集成了能谱分析功能的时间分辨光电子显微镜系统(TR-PEEM),能够对电子密度分布进行时间分辨和能量分辨的成像.这套4D显微镜在空间、时间、能量多维度获取电子动力学信息提供了前所未有的手段.本文使用184 fs的时间分辨、150 meV的能量分辨和优于150 nm的空间分辨对半导体进行了测量,在Si(111)表面的Pb岛上获得了微区光电子能谱和能量分辨的TR-PEEM图像.实验结果表明,这套系统是进行异质结载流子动力学观察的有力工具,有助于在亚微米/纳米空间尺度和超快时间尺度上加深对半导体性质的理解.     

适用于激光聚变实验的短焦距高放大倍率Wolter显微镜设计

围绕内爆压缩及阻滞阶段相关物理实验的诊断需求,提出了一种满足阿贝正弦条件的短焦距高放大倍率Wolter-Ⅲ型X射线显微镜的光学设计。详细介绍了Wolter-Ⅲ型显微镜的结构特点和设计方法,与Wolter-Ⅰ型相比可以通过将主平面向靠近物点方向移动的方式减小系统焦距,从而获得更大的放大倍数,实现显微镜与探测器的像质匹配,提高诊断系统的空间分辨。由光线追迹可以得出,在±190 μm的视场范围内,空间分辨率优于3 μm;在±240 μm范围内分辨率优于5 μm;在±300 μm范围内分辨率优于8 μm,几何集光立体角约为5×10?6 sr。     

X射线掠入射显微成像诊断技术研究进展

高精密的X射线成像诊断是深入理解内爆过程，揭示点火尺度下未知物理问题的关键。基于掠入射反射的X射线显微镜，结合亚纳米级的超光滑球面或非球面反射镜，能够实现空间分辨优于5 μm的高分辨成像。介绍了国际惯性约束聚变领域的X射线显微成像技术发展及应用，重点展示了我国在高分辨X射线（KB）显微镜、多通道X射线KB显微镜以及大视场X射线KBA显微镜方向的进展，分析了下一阶段超高分辨X射线显微成像的研究计划。通过不断的技术创新，我国的X射线显微成像诊断能力已经达到国际先进水平。     

Z箍缩装置的单色背光成像

 基于晶体布拉格衍射理论,搭建了X射线背光成像系统,核心色散元件为α-石英球面弯曲晶体。在中国工程物理研究院流体物体研究所“阳”加速器上进行了单色X射线背光成像实验,背光源为箍缩负载Al丝阵聚爆产生的激光等离子体X射线,成像物体为厚度100 μm的不锈钢网格阵列,接收装置得到Al丝阵聚爆的等离子体X射线2维分辨的空间单色成像,其空间分辨力为75 μm。目前实验中采用Al膜作为滤片,对Al的类He跃迁辐射线系都有吸收,得到的背光成像信噪比较小。     

周期多层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像性质分析

 分析了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜的成像性质与周期多层膜元件间的关系。基于分辨力和集光效率要求,设计了KB显微镜的光学结构,模拟了KB系统的成像质量,用W/B4C周期多层膜反射镜进行了X射线成像实验,在±100 μm视场内得到优于5 μm的空间分辨力结果。实验与模拟结果的对比表明,加工精度和球差是影响中心视场分辨力的关键因素,有效视场的大小受多层膜角度带宽的限制。     

用于X射线诊断的晶体布喇格成像系统

为了评估惯性约束聚变实验中激光辐射驱动的对称性和均匀性,分析靶丸的运动过程,设计一种新型诊断单色X射线的弯曲晶体布喇格成像系统,该系统核心部件由色散元件球面弯曲晶体和探测装置组成.利用光线追踪软件对该成像系统进行模拟验证,并搭建了晶体布喇格成像系统进行X射线背光成像测试实验.实验获得了清晰的Cr靶单色X射线背光二维网格信息,石英球面晶体布喇格成像系统空间分辨率为83μm,表明该成像系统可以用于等离子体X射线的背光成像诊断.     

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

间接驱动惯性约束聚变研究中，获得高内爆速度是实现点火，提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量，能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量，实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上，演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术，发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化，结合实验室和系统原位标定结果，建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术，采用替代靶方式，实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。     

基于Kirkpatrick-Baez显微镜的芯部自发光成像诊断不确定度评估

具备高分辨能力（约5μm）的Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜大幅提升了芯部自发光诊断图像的空间分辨率，准确评估诊断不确定度有利于开展内爆对称性调谐，提高内爆性能。建立了针对KB显微镜的在线不确定度评估方法，详细分析了其在线背光照相实验中的图像分辨率和噪声，并对内爆物理实验中的芯部自发光数据进行了不确定度评估。结果显示，芯部自发光P2不确定度为6%,P4不对称性的不确定度为8%，满足了现阶段内爆物理实验的诊断需求。     

高分辨球面弯晶单色成像系统研制与应用

利用石英(1010)球面弯晶作为X光成像元件,自主研制了应用于神光系列激光装置上的高分辨球面晶体X光成像系统。在实验中利用Mg作为背光材料,获得四周期网格子午方向放大倍数13.95倍、弧矢方向放大倍数11.61倍、中心能点1.472 keV、分辨率达到4 m的X光图像,其谱分辨达到1.210-4。它为在激光惯性约束聚变内爆、流体不稳定性等物理实验中X光测量提供了重要诊断手段。