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.     

光源尺寸和光谱带宽对波带板成像的影响

X射线菲涅耳波带板成像能实现亚微米空间分辨能力,有可能应用于激光等离子体或聚变靶的高分辨X射线成像诊断.之前的数值模拟研究表明,成像分辨能力受光源尺寸、入射光或成像光谱带宽的影响.本文报道在632.8 nm为中心波长的可见光波段,对波带板成像的数值模拟和原理性验证实验.数值模拟表明:随着扩展光源尺寸增加,视场中央分辨能力基本不变,而像对比度下降;随着成像的光谱带宽的增加,视场中央分辨能力与像对比度同时下降.实验证实了数值模拟的结论,且实验与数值模拟结果的定量比较也符合得较好.     

菲涅耳波带板应用于聚变靶的高分辨X射线成像分析

在惯性约束核聚变研究中,为了实现1μm高空间分辨keV-X射线成像,文中发展了菲涅耳波带板(FZP)直接成像的分析方法,并通过数值计算研究了FZP的成像特性.针对钛K_α线(光子能量4.51 keV,波长0.275 nm),提出了FZP参数,对制作技术的要求较低.研究了靶尺度的影响.FZP的有效视场使它能够对数毫米大尺度靶实现高分辨成像.还研究了入射光的光谱带宽对成像的影响.FZP的色差有助于单色成像,但是带宽超过限度会导致像的反衬度降低.这些结果表明FZP应用于聚变点火靶的高空间分辨X射线成像的能力,也为应用提出了要求. 关键词： X射线成像 惯性约束核聚变 菲涅耳波带板     

菲涅耳波带板X射线成像的快速计算方法

菲涅耳波带板直接成像,应用到激光等离子体或惯性约束聚变靶的X射线成像诊断,可实现μm甚至亚μm的空间分辨能力。在对成像进行数值模拟时,考虑到光源的光谱带宽和几何尺度对成像的影响,要进行菲涅耳-基尔霍夫衍射积分与卷积等数值计算,需占用大量计算机内存并且耗费运行机时。改进了数值计算方法,采用了蒙特卡罗积分法和新的卷积算法。模拟了菲涅耳波带板对大尺度多色X射线源的二维成像,新算法与以往算法相比,可显著减少运算机时,在台式机上实现模拟成像的快速计算。结果表明随着光源尺度增大、光谱带宽增加,像的背景增强,导致反衬度与成像质量下降。     

X射线菲涅耳波带板成像和投影式相衬成像的数值模拟比较

通过解析分析和数值模拟,比较了钛K线（4.5 keV）与铜K线（8.0 keV）等X射线源背光透视物体情况下,菲涅耳波带板直接成像与投影式相衬成像对被透视物体的空间分辨能力。结果表明,波带板成像可实现优于1 m的高空间分辨能力,而且使用较大尺度背光源更有利于成像。对于高透射或弱吸收的透视物体,波带板难以成像,可采用投影式相衬成像实现m级空间分辨。计入了以前文献没有考虑到的更高阶影响后,解析给出了点光源照射下相衬像的强度分布与对比度。模拟了微焦点X射线源照射存在厚度起伏的薄膜靶以及密度空间调制靶的相衬成像,点光源情况下模拟结果和解析结果相符。讨论了光源大小、成像距离等参数对相衬成像对比度和空间分辨能力的影响,结果表明,通过减小光源尺度和调节物体到探测面的距离,空间分辨能力可优化到1～4 m。     

相位型波带板应用于大尺度X射线源成像的分析与模拟

针对大尺度物体的keV-X射线高分辨成像,分析了相位型菲涅耳波带板(FPZP)对物平面1mm区域内点源的成像,确定像的空间分布具有不变性,提出了一种FPZP对扩展光源成像的计算方法.使用这一方法,模拟了放大倍数为10的典型实验条件下最外环宽0.35 μm的FPZ对扩展单色光源的成像.结果表明,随着扩展光源尺度的增加,像的对比度降低.FPZP的负1级和0级衍射是导致像的背景增强和对比度降低的主要因素,并相应导致成像对物方的空间分辨能力下降.对于强度空间分布为正弦调制、对比度为1的1mm尺度方形光源,像的对比度低于0.4,物方分辨能力为0.75 μm.     

应用反射型球面菲涅耳波带片的成像物镜设计

设计了一种应用球面菲涅耳波带反射面与非球面反射面结合的成像物镜。对球面结构的菲涅耳波带反射面进行分析,推导了球面菲涅耳波带反射面近似替代非球面的方法,采用单片球面菲涅耳波带反射面和三片非球面反射面设计成像物镜,在放大倍数100×、视场角120°、菲涅耳数2.5情况下,调制传递函数在放大成像侧可实现0.6 lp/mm的40%以上,畸变小于2.2%。该设计方法为菲涅耳波带片应用于可见光成像提供了参考,并随着菲涅耳器件加工技术的不断发展具有良好的应用前景。     

微聚焦菲涅耳波带板聚焦特性研究

通过激光轰击Ti平面靶,用微聚焦菲涅尔波带板做成像器,测到了在放大倍数为66倍时X射线焦斑图像.利用Fresnel-Kirchhoff衍射积分公式数值模拟了微聚焦菲涅尔波带板的点扩展函数,模拟结果表明该微聚焦菲涅尔波带板在两倍焦距处强聚焦.改变物距和像距但保持透镜的物像距公式,也可得到类似的结果.模拟和实验表明微聚焦波带板可以应用于X射线点对点成像,实现激光等离子体X射线高空间分辨成像. 关键词： 菲涅尔波带板 Fresnel-Kirchhoff衍射 数值模拟 点扩展函数     

菲涅耳波带板无运动卷积偏振选通成像研究

提出了菲涅耳波带板(FZP)无运动卷积偏振选通全息术,该技术的原理与菲涅耳波带板扫描全息术相同,但在成像系统结构上作了重大改进,改进内容主要有两个方面:第一,使用扩展光源,用多个菲涅耳波带板在物体上的投影叠加形成卷积运算来取代机械扫描,克服了扫描造成的系统不稳定性和限制实际应用的耗时问题;第二,用CCD取代光电倍增管,使物体上所有的点都同时成像在CCD靶面上,达到实时采集整个全息图的目的。对线偏振光和圆偏振光经过散射介质脂肪乳剂(Intralipid)溶液后偏振度的变化规律进行了实验研究,研究表明,在米氏散射区,圆偏振光比线偏振光更容易保持偏振态。应用菲涅耳波带板无运动卷积偏振选通成像系统,采用圆偏振光作为入射光,对嵌埋在浓度为1%、深度为2 cm的脂肪乳剂溶液中的金属丝(直径0.4 mm)进行了成像实验,结果表明,菲涅耳波带板无运动卷积偏振选通全息术原理是可行的。     

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。     

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。     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.     

单色化X射线显微成像实验研究

围绕激光惯性约束聚变(ICF)内爆压缩阶段高空间分辨、高能谱分辨的诊断需求,提出了一种将KB显微镜和衍射晶体组合的大视场、单色化成像系统。在实验室条件下,利用Fe靶X射线光管,采用KB显微镜结合高定向热解石墨(HOPG)对网格进行背光成像,晶体选能后的成像结果表明,系统的视场能达到800μm,其中高分辨区域成像的分辨率为37μm。采用能谱探测器测试成像能谱,结果表明,系统的能量分辨率为28,验证了系统的单色性能。该系统兼顾了大视场、空间分辨和能量分辨,对内爆压缩阶段实验中热斑结构及混合效应的研究具有重要应用。     

基于天基平台的小凹成像系统的设计

将小凹成像的概念应用于空间光学,设计了基于天基平台的小凹成像系统.使用离轴三反射式的光学设计,在可见光波段实现了大F数(F/#=10)和宽视场(25°)的定焦(8.75 m)光学系统.利用OKO公司的19通道压电可变型镜来补偿任意给定视场内的离轴像差,在可见光波段实现了全视场内接近衍射极限的结果.     

成像光谱仪扫描镜运动准确度测量

扫描镜的运动准确度直接影响成像光谱仪对地运动补偿效果,为此研制了一套扫描镜运动准确度测试设备对其进行测量.首先分析了扫描镜的运动补偿原理,从理论上给出了运动补偿曲线;随后以15 m地面像元分辨率和系统调制传递函数下降2%作为依据分别确定了扫描镜的位置和速度准确度要求,列出了扫描镜运动补偿倍数与相对转速误差的关系.基于检定设备1/3法则提出了扫描镜运动准确度测试设备技术指标要求,接着以0.8″绝对式光电编码器为核心建立了一套扫描镜运动准确度测试装置,并从测试方法误差和编码器测角误差两方面对测试装置测角和测速准确度进行了详细分析;最后采用研制的测试装置对扫描镜的运动准确度进行了测量试验.试验结果表明扫描镜位置准确度优于3″±1.2″,4倍补偿时速度准确度为5.6%±1.29%,6倍补偿时速度准确度为3.85%±1.29%,满足成像光谱仪对扫描镜运动准确度要求.外场成像图像证明本文提出的扫描镜运动准确度测量方法及设备可用于成像光谱仪扫描镜的性能检测与验收.     

电离层遥感远紫外成像光谱仪光学系统设计

基于Czerny-Turner分光结构的成像光谱仪光学系统,介绍了一种用于电离层观测的远紫外成像光谱仪光学系统设计方法。分析了该结构的像差来源,提出了使用发散光照明光路的消像差方法,计算了像差校正条件。设计了工作在120～180nm波长范围内的远紫外成像光谱仪光学系统,视场角为6.0°×0.1°,焦距为121.8mm,F数为6.2。利用调制传递函数(MTF)和成像仿真分析的方法对该系统的主要性能参数进行了评价,验证了设计的成像光谱仪的光谱分辨力优于1.0nm,空间分辨力优于0.1°,完全满足电离层观测的应用要求。与同类设计相比,该系统不含非球面光学元件,加工装调简单且易于工程实现。