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。     

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.     

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。     

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。     

Study of X-ray Kirkpatrick-Baez imaging with single layer

The X-ray Kirkpatrick-Baez （KB） imaging experiment with single layer is implemented. Based on the astigmatism aberration and residual geometric aberration of a single mirror, a KB system with 16^x mean magnification and approximately 0.45°grazing incidence angle is designed. The mirrors are deposited with an Ir layer of 20-am thickness. Au grids backlit by X-ray tube of 8 keV are imaged via the KB system on scintillator charge-coupled device （CCD）. In the ±80 #m field, resolutions of less than 5 #m are measured. The result is in good agreement with the simulated imaging.     

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。     

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。     

等离子体诊断用Schwarzschild显微镜的光学设计

 基于三级像差理论设计了用于激光等离子体诊断的极紫外Schwarzschild显微镜光学系统。显微镜的工作波长为18.2 nm,数值孔径为0.1,放大倍数为10。光学设计得到中心视场空间分辨力达0.3 μm,±1 mm视场内分辨力约0.4 μm的结果。分析了Schwarzschild成像系统的物镜装配、系统装调及光学元件加工误差对像质的影响,结果显示光学元件局部面形误差是影响系统成像分辨力的主要因素。通过提高系统装调的精度,可以有效补偿像距误差、两镜间距误差及曲率半径误差对像质的影响。综合考虑实际加工和装调能力,制定了系统整体公差方案,考虑公差后光学系统能够在±1 mm视场内获得3 μm的空间分辨力,达到了等离子体诊断的要求。     

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。     

Schwarzschild物镜装卡应力对光学元件面形的影响

为了实现接近衍射极限的分辨率,工作在极紫外波段的Schwarzschild物镜要求其光学元件的面形精度达到约1 nm（RMS值）;而在物镜的装配过程中,装卡产生的应力会影响光学元件的面形精度,定量计算装卡应力对元件面形的影响是获得高分辨率成像的关键。在光学设计、公差分析的基础上,采用有限元模型系统地分析了应力对Schwarzschild物镜光学元件面形精度的影响。结果表明:采用自行设计的物镜结构,应力对主镜面形的影响可以达到0.7 nm,而对副镜的影响可以忽略;应力所产生的光学元件面形变化会使系统的几何传递函数(5000 lp/mm)从0.76下降到0.61。