神光Ⅱ激光装置X射线高分辨单色成像技术

介绍了基于球面弯晶的X射线高分辨单色背光成像技术。通过对球面弯晶背光成像系统的分析,获得成像关键性能参数随成像系统设计参数变化的关系,设计了应用于神光Ⅱ激光装置的单色背光成像系统。利用石英球面弯晶,采用Mg的类H共振发射线以及利用云母球面弯晶,采用Mo连续谱中3.14 keV能点进行背光实验,获得了内爆靶丸的单色投影图像,空间分辨在较大范围内好于5 m。这种成像技术在现阶段惯性约束聚变(ICF)实验研究中能够发挥许多重要的作用,特别是对内爆靶丸压缩流线的测量和流体力学不稳定性的诊断。     

基于成像板-X射线条纹相机的精密耦合技术

为实现惯性约束聚变(ICF)实验中同时获取靶点的X射线1维动态和2维静态积分图像,提出了一种全新的X射线图像采集方法。结合成像板与X射线条纹相机的工作特性,通过在阴极狭缝前精密耦合成像板,实现X射线图像到达狭缝的同时采集其外围区域的静态积分图像。该方法具有对靶点X射线图像的1维动态与2维静态图像对比分析、成像系统像面位置精密空间定位的功能。利用该方法在神光Ⅱ装置上实现搭载Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜获得内爆靶球压缩流线图,并应用于流体不稳定性实验中。     

辐射驱动内爆流线实验测量

内爆速度的测量是惯性约束聚变研究中的核心问题, 是判断聚变点火反应的关键物理量. 在神光II激光装置上, 利用KB显微镜配合时间分辨为10 ps的条纹相机, 对1600 J激光能量注入, 3倍频, 脉宽为1 ns黑腔辐射驱动CH靶球, 获得了清晰的辐射驱动内爆流线轨迹X射线图像. 通过流线轨迹图像给出了最大内爆速度为160 km/s. 利用Multi1D程序对内爆压缩流线和壳层速度变化进行了模拟, 实验数据和理论模拟较符合.     

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。     

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。     

神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展

文章主要介绍了国内自2000年以来的激光惯性约束聚变(ICF)实验研究以及诊断技术研究的进展,主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验,也对刚建成不久的神光Ⅲ原型装置上的实验作简要介绍,此外,文章还介绍了神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上近期发展的诊断技术和设备.文章作者在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究,其中包括黑腔物理、内爆物理、流体动力学不稳定性、辐射不透明度以及辐射驱动冲击波等,并取得了重要的进展.在X射线单能成像、Thomson探针、无高级衍射的单级衍射光栅等新型关键诊断技术与尖端设备研制方面也取得了显著进展.     

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.     

ICF用Kirkpatrick-Baez型显微镜光学设计

 提出了直接针对惯性约束聚变（ICF）诊断目标的X射线Kirkpatrick-Baez型显微镜的像差校正和光学设计方法。在校正掠入射细光束像散的基础上,推导了内爆压缩区全视场范围内的垂轴像差表达式,进而构建了系统的空间分辨率预测模型。基于对空间分辨率和集光立体角两个关键指标的分析,结合ICF的实验要求,得到了系统的初始结构参数确定原则和光学设计流程。实例表明,该方法克服了传统的轴上球差评价的不足,设计结果能够同时满足内爆压缩区的视场、分辨率和集光效率的要求。     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

神光Ⅲ主机高能X射线背光照相研究

在惯性约束聚变研究中获得滞止阶段内爆靶丸芯部状态图像具有极其重要的意义和价值。高功率密度拍瓦装置打击高Z金属靶产生轫致X射线（70 keV）光源,并利用康普顿背光照相获取该图像是重要的诊断方法。基于神光Ⅲ主机装置483 kJ的驱动能力开展相关背光照相性能研究。结合国外相关实验结果和数值模拟计算方法分别从光源亮度以及内爆过程产生的噪声分析入手,从理论上设计了整套康普顿成像系统。结果表明在神光Ⅲ主机上利用康普顿背光照相可以获得高质量的内爆压缩靶丸滞止阶段图像。     

多层膜KB在内爆自发射诊断中的应用

在神光Ⅲ原型装置上开展了辐射驱动内爆自发射的高分辨多能点诊断技术研究。利用双周期多层膜KB的选能能点,配合多级记录系统,实现了内爆自发的高空间分辨准单色成像。实验结果表明,利用胶片可以获得发射2.5 keV和3.5 keV的清晰图像,利用CCD可以获得8 keV的窄能带清晰图像。实验结果可以很好用于芯部不对称性、电子温度分布以及密度分布的分析处理,为惯性约束聚变精密物理实验研究提供了新的诊断技术和方法。     

光学设计软件X-LAB及其工程化应用

针对自由电子激光、同步辐射光束线以及惯性约束聚变、极端条件物理过程等X射线光学系统，开发了具有独立知识产权的光学设计仿真软件X-LAB。基于光学衍射算法和序列式光线追迹算法，该软件集光线追迹仿真、矢量衍射仿真和复杂微结构特征光学元件版图绘制等功能，具有界面友好、操作便捷、包含特殊光学模块、支持“用户定制”功能等特点，为开展X射线光学系统、光学元件概念设计、优化和研制提供了不可或缺的平台。目前，X-LAB成功应用于能谱分辨率优于1000、能谱范围10~100 eV的北京同步辐射3B1无谐波单色化束线设计中及空间分辨优于6 μm，视场500 μm的惯性约束聚变物理过程X射线诊断光学系统——K-B镜系统的设计和优化中；具有复杂微结构光子筛版图绘制功能。     

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪

 介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10 μm,测速范围为10~50 km·s^-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km·s^-1。     

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。     

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。     

4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez显微镜

基于CH柱形靶压缩实验的时间分幅诊断需求,研制了4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜。进行了四通道KB系统的光学设计、像质模拟和分析。采用支撑锥芯的方式解决了四通道KB物镜的集成装配问题,并通过4.75 keV+8 keV双能点多层膜完成了实验室内的KB系统装调。该套系统在神光Ⅱ装置成功进行了像质考核实验,获得了高分辨的四象限网格图像,成像间距符合设计要求,具备了开展时间分幅惯性约束聚变物理实验的条件。     

激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

对国内激光惯性约束聚变（ICF）领域高时空分辨技术的最新进展进行了比较全面的介绍。针对热斑诊断时间分辨优于10 ps、空间分辨优于10 μm、能区10～30 keV的需求，从光学、X射线、核诊断和计算成像几个角度，比较系统地介绍了最新的进展。光学领域主要介绍基于泵浦探测技术的全光扫描和全光分幅技术。全光扫描技术的时间分辨可以达到200 fs，全光分幅的时间分辨可以达到5 ps，空间分辨可以达到5 μm。该系统的主要部件为光学器件，在ICF未来的强电磁、强电离环境下有很好的应用前景。X射线系统主要介绍最近几年发展的高分辨KB显微镜，其采用STTS构型，可将空间分辨提高到3 μm，满足当前高分辨的需求。漂移管技术的时间分辨可以达到10 ps，作为一种正在发展的技术，对此进行了较为全面的分析。中子成像系统主要介绍了高空间分辨的记录系统以及对应的瞄准技术的进展，其空间分辨可以达到20～25 μm。计算成像作为一个全新的分支，最近引起了ICF领域的广泛关注。着重介绍了三维光场技术和在高时空分辨领域有很好应用前景的压缩感知超快成像（CUP）技术，对其可能在ICF领域中的应用提出了设想。