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。     

球面晶体分析器在X射线成像诊断中的研究

 为诊断激光等离子体X射线,研制了基于Bragg衍射原理的球面弯曲晶体。球面晶体可提高空间分辨、光谱分辨及立体角收集辐射能力。实验采用球面弯曲石英晶体作为分析器,X射线成像板作为成像器件,利用X射线衍射仪铬靶 Kα单色谱成像,验证了0.2 mm间隔双丝的单能像,球面弯晶具有较高的光谱分辨力和信噪比,谱分辨力可达1 000,聚光效率在同样距离条件下比平晶分析器高一个数量级以上。     

现代实验室型X射线荧光元素分布成像和形态分析技术的研究进展

近年来,随着X射线光源、单色、聚焦及探测系统的发展,在实验室可借助低功率X射线光源开展X射线荧光(XRF)和X射线吸收谱(XAS)分析。液体金属射流源等新型X射线光源系统、闭合反馈系统、电荷耦合元件和方孔微通道板等技术和计算方法的进步促进了聚焦扫描型、全场型和XRF计算机断层扫描等实验室型XRF元素空间成像技术的发展。超环面、球面和柱状弯晶等单色聚焦系统的发展推动了实验室型XAS技术的发展。探索新型的实验室X射线光源系统,开发更高效的单色聚焦系统,推动X射线动态电影拍摄技术等将是未来研究的重要发展方向。     

四通道球面弯晶成像系统设计及实验研究

基于动态X射线荧光成像技术对高集光效率、单色化成像诊断设备的需求,提出了一种四通道球面弯晶成像系统设计。采用“圆锥体”空间排布方式,解决了多个通道耦合问题。通过调整弯晶姿态,实现了像点的合理分布。针对4.51 keV能点,采用Ge(400)球面弯晶作为成像元件,给出了四通道弯晶成像系统的光学初始结构参数。在实验中利用Ti靶X射线光管,对单个通道进行了网格背光成像,获得的二维图像放大倍数为7.8倍,空间分辨率达到15 μm,初步验证了系统的成像性能。四通道弯晶成像系统与分幅相机结合,能有效解决动态X射线荧光成像技术信号弱、图像信噪比低的技术难点。     

球面弯晶在X射线诊断中的应用

为了诊断等离子体X射线,利用X射线布拉格衍射原理研制了球面弯晶谱仪。实验采用α-石英作为其晶体分析器色散元件,晶体弯曲半径为250 mm,布拉格角为30°~67.5°;采用接收面积10 mm×50mm的X射线胶片作为摄谱器件,接收等离子体X射线谱线信息。通过在"阳"加速器装置上进行实验,得到了钛等离子体X射线K壳层激发谱线信息,其光谱分辨力可达到1 000以上,光谱带宽约为0.43 eV。     

大气激光通信用直锥形光纤发射天线

 提出采用直锥形光纤作为大气激光通信的发射天线,将多模光纤输出的部分相干发散光束变换为准平行光束的方案,既能得到发散角很小的部分相干激光光束,又能保证激光器输出能量的完全传输。采用光线追迹法分析了任意光束从锥形光纤小端面输入、大端面输出的发散角。结果表明,当直锥形光纤长度大于某一特定值时,从小端面输入的入射角小于数值孔径角的所有光线理论上都可以变换为出射角度小于光纤半锥角的光线,因此直锥形光纤可以作为部分相干光源的准直透镜,代替传统的凸透镜,用于改善光束的发散角。对远场光斑进行了数值模拟和实验研究,结果显示：直锥形光纤透镜对朗伯光源的准直光束比传统凸透镜的准直光束发散角小,光斑半径小且均匀性好,证明用此方法可以得到低发散、低空间相干性的光斑。     

多晶体光路配置的X射线衍射特性及在表征同步辐射光束线带宽上的应用

本文报告了使用多晶体光路配置的X射线衍射实验及其用于表征上海光源BL09束线上双晶单色器出射光特性的情况.当一个分析晶体与双晶单色器呈(+n,-n)无色散配置时,通过退卷积得到单色器的角度带宽和相对能量带宽分别为5.40(4)"和1.30(1)×10~(-4)@10 keV;当实验配置为(+n,+n)、(+n,-m)和(+n,+m)色散配置时,退卷积之后测得同步辐射光束的角分布和相对能量带宽分别为26(1)"和6.3(2)×10~(-4)@10 keV;处理掉双晶单色器的影响后,可以得出与弯铁光源理论值一致的角发散度25(1)"@10 keV.此外,利用多晶体的色散配置和DuMond作图的方法,表征了一系列不同白光入射狭缝宽度下的单色器出射光的发射度和带宽的情况.     

激光等离子体球面晶体光谱成像

 利用自聚焦原理,研制了一种新型的球面弯晶谱仪。晶体分析器采用云母材料,其弯曲半径为380 mm,布拉格角为51°。利用成像板接收光谱信号,其有效面积为30 mm×80 mm,从等离子体源经晶体到成像板的光程长为980 mm。物理实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心20 J激光装置上进行,入射激光能量为6.78 J,成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号。球面云母弯晶谱仪的光谱分辨率达到1 000～1 500,在相同环境放置的PET平晶的光谱分辨率为50～100。结果表明：球面弯晶具有较高的光谱分辨率和信噪比,适合于激光等离子体X射线的光谱学研究。     

同步辐射X射线成像光束线劳厄双晶单色器设计

上海光源X射线成像光束线采用多极扭摆器(wiggler)作为辐射光源, 提出一种劳厄双弯晶单色器的设计方案. 计算结果显示, 可获得固定出口的平行单色光束, 能量调谐范围覆盖19—120keV, 在33keV时, 输出光子通量及通量密度分别为1.9×10¹³phs/s和3.8×10¹⁰phs/s/mm². 分析了劳厄晶体的聚焦及单色化性能, 计算了输出光子通量及单色器的热负载情况. 与传统的双平晶方案相比, 本设计在获得高通量和解决热负载等方面有明显的优越性, 并能有效控制热形变.     

二极管激光器垂直阵列光束精密准直

 为实现二极管激光器垂直阵列输出光束具有小发散角、高指向精度的特点,简述了快轴准直（FAC）微透镜的光束准直原理,分析了调节装置的精度要求及透镜选择等问题。通过光学成像方法实时监测二极管激光bar条的近场像和远场像,对FAC透镜分别进行粗调节和细调节,获得了20个bar条连续输出2 kW,垂直阵列二极管激光快轴准直光束远场发散角4.4 mrad,bar条间准直光束指向精度不大于±1.7 mrad的准直效果,并对监测精度进行了简要分析。对影响光束准直效果的因素进行了分析,指出了工艺优化的重点。     

Focusing crystal device for deflecting a divergent 50-GeV proton beam

At large accelerators, bent crystals are employed to deflect weakly divergent proton beams at the stages of extraction and collimation. We demonstrate that a divergent particle beam may be efficiently deflected using a crystal with a focusing edge. A proton beam with divergence near 1 mrad, which exceeds the Lindhard angle by a factor of 30, has been experimentally deflected by 1.8 mrad with efficiency near 15%. The proposed focusing crystal may serve as an element of a novel optical system for secondary-particle beams in the TeV energy region.     

High resolution X-ray spherically bent crystal spectrometer for laser-produced plasma diagnostics

A new high spectral resolution crystal spectrometer is designed to measure very low emissive X-ray spectra of laser-produced plasma in 0.5-0.9 nm range. A large open aperture （30 ×20 （mm）） mica （002） spherically bent crystal with curvature radius R = 380 mm is used as dispersive and focusing element. The imaging plate is employed to obtain high spectral resolution with effective area of 30 × 80 （mm）. The long designed path of the X-ray spectrometer beam is 980 mm from the source to the detector via the crystal. Experiment is carried out at a 20-J laser facility. X-ray spectra in an absolute intensity scale is obtained from Al laserproduced plasmas created by laser energy of 6.78 J. Samples of spectra obtained with spectral resolution of up to E/△E - 1500 are presented. The results clearly show that the device is good to diagnose laser high-density plasmas.     

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。     

Laue弯晶聚焦特性的光线追迹研究

由于可有效降低高热负载的影响, Laue弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30 keV以上)聚焦、 准直和单色化的最有效的光学元件.研究其聚焦光学特性,对发展高性能、高稳定的Laue弯晶单色器具有重要意义. 采用自行发展的光线追迹软件较为系统地研究了Laue弯晶的聚焦特性, 分析了入射光性质及弯晶参数对聚焦光斑、焦距、发散度等主要光学参数的影响. 结果表明,衍射能量越高,聚焦光斑越小,并趋于稳定值;弯曲半径越小,聚焦光斑越小, 并在其达到一阈值时得到聚焦光斑的极小值,之后随着弯曲半径的变小,由于像差等因素的影响, 聚焦光斑反而变大;晶体越厚,聚焦光斑越大,呈线性正比关系.对于衍射光发散度, 其随着衍射能量的增大而变小,并趋于稳定值;其与晶体曲率呈线性正比关系. 同时通过研究得到弯晶各参数的合理选择范围.     

基于超环面晶体的X射线成像诊断

设计了可用于X射线成像用的聚焦型超环面晶体谱仪,讨论了基于布拉格几何结构的超环面及球面弯曲晶体聚焦特性,给出了基于超环面晶体X射线2维单能成像的光源、晶体及探测器的最佳位置,在中国工程物理研究院激光聚变研究中心进行了X射线背光成像实验.利用超环面弯曲晶体作为成像器件,其弧矢及子午平面的曲率半径分别为290 mm及190...     

Investigation of the focusing of a 50-GeV proton beam using a new crystal device

Bent crystals are used at large accelerators to deflect particle beams for extraction and collimation. Not only the deflection but also the focusing of beams by bent crystals can be required for recently formulated proposals for investigations at the Large Hadron Collider (LHC) with a fixed target. The experimental results on the focusing of a 50-GeV proton beam with a new crystal device, which can be used in a circulating beam of a large accelerator such as the LHC, have been reported.     

Scaling of betatron X-ray radiation

Energetic electron beams accelerated in a laser-produced plasma wakefield cavity can generate collimated beams of X-ray radiation. The oscillation of the electrons in the plasma cavity produces synchrotron-like emission, called betatron radiation. On the basis of state of the art experiments, we discuss the potentiality of this source in terms of spectral brigthness and flux. These characteristics are compared to existing and planned X-ray sources in both laser and accelerator communities.     

X‐ray collimation by crystals with precise parabolic holes based on diffractive–refractive optics

Two crystals with precise parabolic holes were used to demonstrate sagittal beam collimation by means of a diffractive–refractive double‐crystal monochromator. A new approach is introduced and beam collimation is demonstrated. Two Si(333) crystals with an asymmetry angle of α = 15° were prepared and arranged in a dispersive position (+,?,?,+). Based on theoretical calculations, this double‐crystal set‐up should provide tunable beam collimation within an energy range of 6.3–18.8 keV (Θ_B = 71–18.4°). An experiment study was performed on BM05 at ESRF. Using 8.97 keV energy, the beam profile at various distances was measured. The experimental results are in good agreement with theoretical predictions. Owing to insufficient harmonic suppression, the collimated (333) beam was overlapped by horizontally diverging (444) and (555) beams.     

线状等离子体测量中的晶体谱仪及其在X射线激光实验中的应用

本文讨论了两种适用于Ｘ射线激光实验的聚焦型弯晶谱仪和针孔晶体谱仪。给出了弯晶谱仪的设计参数，以及针孔晶体谱仪在实验中摄得的线状Ｍｇ和ＣａＦ２等离子体空间分辨谱；分析了晶体谱仪在Ｘ射线激光实验中的应用。     

高功率垂直腔面发射激光器的光束准直特性

基于高斯光束的准直原理,针对不同结构参数的大功率垂直腔面发射激光器光束特征,通过选用合适参数的透镜,研究了不同连续和脉冲电流条件激励下光束的准直特性.对于出光口径为200 μm的器件,通过f=3.1 mm,NA =0.68的透镜,连续工作条件下,准直后的最小发散角达到1°;在电流为40A、脉宽60 ns、重复频率1 k...