针孔辅助点投影诊断方法实验研究

针孔辅助点投影背光成像是近几年国外新兴的等离子体诊断技术,在惯性约束聚变相关物理实验诊断中具有重要的应用前景.为验证这一诊断方法的实用性,在神光Ⅱ第九路平台上开展了演示实验.利用激光驱动平面Ti靶获得约4.7 keV的Ti K壳层X射线,在十几微米的针孔约束下作为次级点源并对Au栅格样品投影成像,并用CCD记录.实验成功获得了清晰的样品二维空间分辨的时间积分图像,空间分辨力优于16.1 μm.实验结果表明针孔辅助点投影具有较高的空间分辨力、较大的视场、较高的图像对比度,将成为瑞利泰勒不稳定性研究、激光状态方程研究等物理实验的重要诊断方法之一.     

2.5 keV能点多层膜KB显微镜成像性能

研究了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜成像系统的结构设计、元件制备。通过分析掠入射角、放大倍数和反射镜曲率半径对成像系统调制传递函数（MTF）的影响,确定了KB显微镜系统的初始结构参数,实现了2.5 keV能点多层膜KB显微镜的设计、制备以及装调,在神光Ⅱ强激光装置上完成了像质标定实验。结果表明:2.5 keV能点多层膜KB显微镜在100 m视场内观测周期为20 m平面调制靶时的MTF高于0.6,与OMEGA装置同类型KB系统的空间分辨能力相当,明显优于现有的针孔相机和点投影成像技术。该显微镜与条纹相机配合,已成功实现对短扰动波长平面调制靶烧蚀演化行为的动态诊断。     

用于平面靶X射线诊断的1维KBA显微镜

对用于神光Ⅱ装置4.75 keV能点平面靶成像诊断的1维KBA显微镜进行了实验研究。基于空间分辨力和工作环境要求,设计了1维KBA显微镜的光学结构,并与传统KB显微镜的成像性能进行了对比分析。设计和制备了可同时工作于8 keV和4.75 keV能点的双能点多层膜KBA物镜,解决了系统装调问题。利用神光Ⅱ装置第九路激光打击Ti靶产生的X射线作为背光源照射1 500目金网,进行了4.75 keV网格成像实验,结果表明:在整个背光源照明区域内,系统的实际分辨力约为4 m,系统的有效视场受背光源大小的限制。     

神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源

激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1—100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30—180 k J输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1—3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强30 keV的硬X光辐射、但对30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.     

用于几keV能点动态成像诊断的KB-KBA混合型光学系统设计

围绕激光ICF研究中几keV能点的动态成像诊断需求,提出了具有大视场、高空间分辨、高集光效率和谱分辨特性的新型KB-KBA混合型光学结构。该结构以子午方向上两块单层膜球面镜校正像差,实现大视场内的高空间分辨;在弧矢方向上用一块多层膜球面镜聚焦,以保证较高的集光效率和谱分辨能力。该结构克服了传统单层膜和周期膜KBA结构在几keV能点动态成像诊断中存在的集光效率低,强度不均匀和有效视场受限等不足。针对2.5 keV和4.3 keV两个能点,给出了光学初始结构和膜系的设计,建立了考虑膜系反射性质的光线追迹模型。模拟结果表明,该KB-KBA混合型结构在子午方向1.4 mm视场内空间分辨均优于5μm,有效集光效率优于2×10~(-7)sr,可以满足动态成像诊断的需求。     

激光投影电视中图像细节层次感的恰可察觉差

细节层次感是影响激光投影电视整体画质的重要因素之一。通过二项迫选法和"一上二下"阶梯法的主观视觉感知实验,测量并确定了激光投影电视细节层次感的恰可察觉差(JND);分析了其影响因素,并进一步比较了激光投影电视与液晶电视两个显示平台上细节层次感的异同点。结果表明:激光投影电视细节层次感的JND受图像的纹理特征影响较大;与液晶电视的细节层次感相比,两个显示平台细节层次感失真1个JND对应的σ值相差大,相邻JND的差值比较接近。利用本文的实验结果,结合峰值亮度、暗场亮度、色饱和度等图像属性的恰可察觉差,可以进一步建立包含上述多种属性的激光投影电视主观图像质量评价模型,有助于画质的优化。     

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。     

铝平面调制靶的点投影静态诊断实验

针孔辅助X射线点投影成像是一种新兴的激光等离子体诊断技术。已经在神光Ⅱ装置第9路上开展了演示实验，验证这一诊断方法的可行性。为了将这一诊断方法逐步实用化，最终用于界面不稳定性实验研究中，开展了铝（Al）调制靶的静态成像实验。     

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。     

高动态范围激光等离子体诊断系统及其在惯性约束聚变实验中的应用

基于高功率激光等离子体X射线辐射谱特性,设计和研制了一种大画幅高动态范围MCP选通型分幅相机. 单画幅宽度13mm,长度36mm,曝光时间0.5—5ns可调.与X射线CCD比较,系统在1.0—10keV的谱响应相对平整,无高能增强效应.利用高功率激光打靶实验进行了性能考核实验,结果表明,系统的信噪比明显好于X射线CCD系统,动态范围大于3×10³. 系统已经在神光Ⅱ装置ICF物理实验中获得成功应用. 关键词： 动态范围 谱响应 激光等离子体诊断 分幅相机     

神光-Ⅱ激光装置上的针孔点背光成像技术实验研究

 在神光-Ⅱ激光器上开展了针孔点背光成像技术实验研究,利用第9路激光驱动平面钛靶获得4.75 keV的准单能光源,在10 μm的针孔约束下形成次级点光源对镍网格等样品成像。实验获取了清晰的网格图像,空间分辨力达到7 μm,并对烧蚀碎片、杂散光等该技术的关键性问题进行了系统深入的研究分析。实验结果表明：针孔点背光具有高空间分辨力、大视场等特点,优于传统背光技术。     

基于神光Ⅲ原型装置的新型针孔点背光实验

在神光Ⅲ原型装置上发展和改进了新型针孔点背光技术. 通过1600 J/1 ns/351 nm激光与3 μm钛背光靶相互作用产生4.75 keV的点光源, 利用该点光源成像获得了高质量的钨丝以及靶丸图像, 并通过多种诊断设备获取了较为完整的背光源参数. 实验结果表明, 新型的针孔点背光具备高亮度、 高空间分辨等优点, 可以广泛应用于高能量密度物理研究中. 关键词： 高能量密度物理 惯性约束聚变 背光照相 针孔点背光     

激光冲击波压缩稠密铝辐射不透明度实验研究

基于稠密物质辐射不透明度的理论计算目前有相当大的难度, 而稠密物质高精度不透明度数据又对聚变研究中的理论设计和模拟以及状态诊断等方面非常有用. 在"神光II"激光装置上建立一发次中能同时测量背光谱、 样品自发谱和吸收谱的大谱窗高分辨椭圆弯晶测谱系统, 并利用一维辐射流体力学程序MULTI仿真冲击波碰撞压缩样品的过程.在测量中, 用点投影背光法、激光烧蚀冲击波碰撞压缩产生稠密铝(Al)样品, 激光镱等离子体3d–4f 跃迁辐射为短脉冲背光提供样品吸收谱时空分辨诊断, 在一发次打靶中得到了背光谱、样品自发谱和X射线吸收精细结构谱, 以及稠密Al辐射吸收谱向长波偏移.实验结果给出了诊断能谱区稠密Al相对透射率分布和吸收谱偏移量. 这些工作都有益于丰富不透明度这一基础研究领域和进一步开拓许多重要应用. 关键词： 冲击波压缩等离子体 X射线吸收谱 线移 精细结构     

Study of the ion-distribution dynamics of an aluminum laser-produced plasma with picosecond resolution

The ion-distribution dynamics of an expanding aluminum plasma produced by a nanosecond laser pulse at moderate intensity (10(13) W cm(-2)) is studied by point-projection x-ray absorption spectroscopy with unprecedented, picosecond, time resolution. We show that the ionic populations measured as a function of distance to the target and at different probing times differ markedly from those predicted by widely accepted collisional radiative models coupled to hydrodynamic simulations. We discuss the effects of radiation, conduction, and expansion cooling on the spatiotemporal ionic distribution evolution.     

Efficient, 1-100-keV x-ray radiography with high spatial and temporal resolution

Transient x-ray radiography using laser-plasma emission is a powerful tool for diagnosing a large variety of high-energy-density phenomena. Traditional area- and point-backlighting techniques used at inertial confinement fusion facilities such as Nova and Omega cannot be extended efficiently to the future 100-times-larger National Ignition Facility. We have developed an x-ray backlighting technique that uses a backlit pinhole as a source for point-projection radiography. This method incorporates the principal advantages of point projection over traditional area backlighting in that it requires far less backlighter energy and produces data that are free from residual backlighter plasma structure. Moreover, the use of pinholes overcomes the usual disadvantages of point projection from pin targets, namely, degradation of spatial resolution and cooling due to plasma expansion.     

针孔点背光技术实验

在“星光Ⅱ”装置上进行针孔点背光技术的演示实验.利用激光辐照φ50μm的小孔产生的堵孔效应使X光的脉宽缩短，起到类似于短脉冲点背光源的作用.另外利用成像方法，实验演示了由面背光方式获得点背光技术，称之为点针孔背光技术.实验结果表明：结合堵孔效应和点背光方式，能获得与点背光同样的结果，这样可以避开点背光对激光器较为苛刻的要求.     

上海光源硬X射线相干衍射成像实验方法初探

相干X射线衍射成像方法是一种先进的成像技术,分辨率可达纳米量级.国际上大多数的同步辐射装置和自由电子激光装置都建立了该成像方法,并有将其作为主要成像技术的趋势.上海光源作为目前国内唯一的一台第三代同步辐射光源,尚未建立基于硬X射线的相干衍射成像实验平台.随着一批以波荡器为光源的光束线站投入使用,使得该方法的建立成为了可能.本文基于上海光源BL19U2生物小角散射线站,通过有效的光路设计,搭建了相干衍射实验平台,在12 keV和13.5 keV能量点均获得了硬X射线相干光束,并基于小孔衍射测量了入射光束的空间相干长度.该平台支持常规和扫描相干衍射实验模式,对小孔衍射图样及波带片扫描衍射图样实现了正确的相位重建,证明了该平台初步具备开展硬X射线相干衍射成像实验的能力.硬X射线相干衍射成像实验平台为国内首次建立,将为国内该实验方法的发展和应用提供有效的软硬件支持.     

新型针孔点背光发光模型与实验研究

纳秒级强激光(～1014 W/cm2)与固体靶相互作用可以获得高亮度的Multi-keV能段X射线.在当前的高能量密度物理研究中利用这样的X射线背光源照相方式可以获得高质量的物理图像,具有重要的应用价值.以模拟计算与神光Ⅱ激光装置实验结果相结合的方式研究了激光等离子体发光模型.在该模型的基础上改进了针孔点背光成像技术,独立发展了针对低Z靶材料K线的准单能背向针孔点背光和针对中Z靶材料L带的高亮度侧向针孔点背光.在神光Ⅱ激光装置上通过新型针孔点背光对惯性约束聚变靶丸样品成像获得了高质量的静态靶丸流线图像,空间分辨优于10μm.实验结果表明新型的针孔点背光具备高亮度,高空间分辨,高图像衬度等优点可以广泛应用于高能量密度物理和惯性约束聚变的研究中.