高功率密度软X射线在X光导管中传输效率测量

为优化软X射线聚束透镜设计参数,使之与等离子体辐射源组合来获得洁净的高功率密度宽能带的软X光束,在西北核技术研究所的强光一号加速器装置上,对高功率密度的软X射线（6×10^6～1．5×10^7W／cm^2）在X光导管中的传输特性进行研究。研究结果表明：对于DM308型号玻璃材料拉制成的X光导管,在该功率密度范围内,软X射线在X光导管中的传输没有出现非线性效应,随着入射软X射线功率密度的提高,出射软X射线功率密度基本成线性增大;当入射软X射线的功率密度为1．2×10^7W／cm^2时,实验中获得X光导管的平均传输效率达到了16．3％。在强光一号加速器装置上,使用由该规格X光导管制作的软X射线聚柬透镜与钨丝阵Z-pinch等离子体辐射源组合,获得了功率密度达2．1×10^9W／cm^2的宽能带的软X光源。     

利用聚束透镜获得高功率密度软X射线源

研制了针对Z-pinch强X射线辐射源的软X射线聚束透镜,利用西北核技术研究所"强光一号"加速器产生的钨丝阵高温等离子体辐射,对在高功率密度软X射线入射条件下的聚束透镜开展了实验.研究表明:由2401根X光导管组成的透镜,在输入软X射线功率密度达1.0×108W/cm2时,透镜的平均传输效率为9.6%,在软X射线传输过程中等离子体溅射被导管内壁吸收,透镜后焦点处能获得洁净的软X射线源,平均功率桁度达到1.15×109W/cm2.     

整体X光透镜性能实验研究

利用高计数率探测器和低功率光源,在大的能量范围内,同时测量了整体X光透镜的传输效率和焦斑直径与能量的关系。实验结果表明：透镜的焦斑直径随着能量的升高而减小;对04-5-10-5透镜而言,在高于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而降低,在低于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而增加。通过测量不同能量的X射线在透镜会聚光束中的空间分布,研究了短出口焦距透镜的光晕现象,光晕会导致透镜焦斑直径增大和传输效率测量值的增加。利用轴向扫描法研究了整体X光透镜出口焦距和能量的关系,实验结果表明：会聚透镜的出口焦距随着X射线能量的升高而增加。     

一种用于软X射线激光去相干的单玻璃管光学透镜设计

激光具有亮度高、单色性好、高相干性及方向性好的优势,然而在激光成像、激光加工等场景只想利用其高亮度或高单色性,高相干性导致的干涉效应会影响和限制其应用效果.通过模拟计算的方法,设计了一种针对软X射线激光去相干的新型单玻璃管光学透镜.模拟结果显示,针对波长为10 nm、束腰半径为1.25 mm的软X射线激光光束,透镜入口端内直径5 mm、出口端内直径0.6 mm、长度15 cm的单玻璃管光学透镜在有效降低软X射线激光光束相干度的同时,在出口处获得了发散度为30—50 mrad的出射光束,相应的传输效率为78%,光强增益为52.74.针对波长不低于1 nm的激光光束,该型号的单玻璃管光学透镜能够将光束的传输效率保持在30%以上.本文还探讨了入射光能量和透镜长度对器件传输结果的影响.结果表明,根据全反射原理设计的单玻璃管光学透镜能够满足极紫外到X射线波长范围内激光去相干的应用需求,在X射线激光成像、激光加工等方面具有广泛的应用前景.     

基于多毛细管X光透镜的数值模拟

为了优化多毛细管X光透镜的设计,利用旋转坐标系的方法建立子管方程,根据光线追迹原理建立了X射线在导管中传输的模型,直接求解一元四次方程得到X射线每次反射时与管壁的交点,从而追踪单根X射线的运动轨迹,并由大量X射线的总的运动规律得到X射线在单根导管中的传输规律,再由单根导管拓展到整个透镜。在此基础上编写程序,实现了对X光透镜的传输效率和光斑的模拟计算。为了验证模拟的准确性,对两个平行束透镜分别进行了实验测试和模拟。在8.05 ke V下,所测的传输效率为13.0%,模拟计算结果为14.2%。在对光斑的模拟中,模拟所得的光斑也与实验结果相符合。结果表明,模型的建立是合理的,在类似透镜的设计制造中有着潜在应用。     

光场电离下玻璃微毛细管的X射线谱

利用软X射线大面积透射光栅谱仪,对超短强激光脉冲辐照下玻璃微毛细管靶的软X射线发射特性进行了研究。测得了不同的激光能量下、不同长度（3mm、6mm、9mm)的微毛细管的软X射线发射谱,并观察到随着微毛细管长度的增加,X射线发射强度增强。     

整体毛细管X光透镜在大气颗粒物单颗粒分析中的应用

对大气颗粒物进行单颗粒X射线荧光(XRF)分析,是一种识别大气颗粒物来源的有力手段.为了利用实验室X射线光源对大气颗粒物进行单颗粒XRF分析,建立了基于整体毛细管X光透镜和实验室X射线光源的微束X射线谱仪.透镜焦斑处的功率密度增益在103数量级,焦斑直径为30 μm左右.该微束X射线谱仪对Fe-Kα线的最小探测极限为0.7 Pg.在Mo靶光源电压和电流分别为30 kV和50 mA的条件下,利用该谱仪对直径为9 μm的大气颗粒物单颗粒进行XRF分析时,测谱时间在180 s左右.实验表明,基于毛细管X光透镜和实验室X射线光源的微束X射线分析技术在大气颗粒物单颗粒分析中有着潜在的应用价值.     

利用整体毛细管X光透镜会聚同步辐射

利用整体毛细管X光透镜和超环面镜的组合会聚了同步辐射.在8keV能量点, 利用超环面镜, 将面积为2.3×26mm²、竖直发散度和水平发散度分别近似为零和1.1mrad的光束会聚为面积为0.9×0.3mm²、水平和竖直 发散度分别为1.4mrad和0.1mrad的束斑, 然后利用整体毛细管X光透镜将上述束斑会聚为直径为21.4μm的焦斑, 焦斑处单位面积上的强度(功率密度)增益为59, 焦距为13.3mm, 该整体毛细管X光透镜在8keV能量点, 对上述 束斑的传输效率为7.9%     

一种毛细管聚焦的便携式微束X射线荧光谱仪

基于毛细管X光透镜技术的便携式能量色散X射线荧光分析因其无损分析等优点成为分析文物样品的有利工具。但由于文物样品的表面不平整或弧度以及毛细管X光透镜聚焦X射线的特点，导致在测量过程中样品测量点与毛细管X光透镜出端之间的距离产生变化，引起照射样品的X射线束斑大小发生改变，从而影响测量结果的准确性和元素区域扫描的分辨率。介绍了本实验室自行研发的一种新型便携式微束X射线荧光谱仪，此谱仪主要是由SDD X射线探测器、30 W低功率X射线管、毛细管X光透镜、CCD和一个新型闭环控制系统构成。该闭环控制系统是在激光位移传感器能够精确控制样品测量点到毛细管X光透镜出端距离的基础上，结合LabVIEW语言环境下开发的计算机控制程序以及步进电机、样品台等器件组成。基于此系统，该实验室研发的便携式微束X射线荧光谱仪在测量过程中可以时刻保证照射样品的X射线光斑大小固定不变。同时，该谱仪还可以通过调整样品测量点到透镜出端的距离来选择不同尺寸的X射线照射光斑。为了验证设备的可行性，使用该便携式微束X射线荧光谱仪在激活激光位移传感器和关闭激光位移传感器两种情况下测量了一块表面不平整古陶瓷样品釉彩层中K，Ca，Zn和Fe等元素的含量及分布，并将测量结果进行了对比。结果显示，在激活激光位移传感器的情况下测得的样品微区元素含量与真实值较接近，扫描区域元素分布图的分辨率更好，表明本谱仪基于激光位移传感器开发的自动调整样品测量点到透镜出口端距离的闭环控制系统能有效的减少由于样品表面不平整或弧度带来的测量误差，弥补了现有微束X射线荧光谱仪在此方面的不足。因此，本便携式微束X射线荧光谱仪在无损分析检测文物方面具有潜在的应用前景。     

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。     

X光导管传输特性的蒙特卡罗模拟

 X光在导管中的传输性能是设计X光透镜的基础。在研究X光导管传输理论基础上，建立了X光在导管中传输的射线跟踪方法，编制了蒙特卡罗模拟计算程序。对具体的模型，计算给出了导管的传输效率随X光源与导管入口面的距离、导管直径和曲率半径的变化关系。模拟表明：直圆柱导管的传输效率随导管直径增大而减小，随Ｘ光源所在平面与导管入口面之间的距离增大而增大；弯曲圆柱导管的传输效率随其曲率半径的增大而增大，当曲率半径趋向无穷大时，X光在弯圆柱导管的传输效率趋向于直圆柱导管的传输效率。利用编制程序计算得到的传输效率与实验结果符合较好。     

弯曲导管束在“水窗”及附近软X光的响应测量

测量了弯曲导管对“水窗”波段及其附近的X光响应,圆弧弯曲导管束对X光在“水窗”段有较大传输效率,而对“水窗”之外的高能X光响应较小,研究表明,X光在“水窗”段的响应,可以是在“水窗”之外的高能X光的响应的5倍,这种弯导管有可能用于同步辐射中,“过滤”掉白光高能部分,而直接输出较强的“水窗”段X光.     

Parametrization of a tabletop micro-XRF system

A table-top micro X-ray fluorescence apparatus composed of a conventional X-ray tube with a polycapillary lens and a silicon drift X-ray detector was parametrized according to an independent parameter approach. The tube bremsstrahlung spectrum was calculated from the Bethe-Heitler equation, convoluted by the energy distribution of radiating electrons in the target. In this paper, we propose a simple analytical approximation for this energy distribution. An analytical approximation is also proposed for transmission of the lens composed of curved capillaries.     

Modelling of a nitrogen x-ray laser pumped by capillary discharge

We performed computer modelling of a fast electrical discharge in a nitrogen-filled alumina capillary in order to discover discharge system parameters that may lead to efficient recombination pumping of soft X-ray laser with active medium created by H-like nitrogen ions. The space-time dependences of pinch plasma quantities were found by means of a one-dimensional MHD code. Time dependences of populations of all ionisation states and populations of selected energy levels of lithium-, helium- and hydrogen-like nitrogen ions were evaluated using the FLY code as a post-processor. The population inversion was found at the quantum transition corresponding to the Balmer α-line of N⁶⁺ ions and the resulting gain factor was evaluated for different capillary radii, initial pressure, electric current peaks and periods. A gain factor of 1 cm⁻¹ spanning the time interval of 1 ns was found for an optimised arrangement with capillary radius 1.5 mm, peak current 50 kA, quarter period 40 ns and filling gas pressure 0.5 kPa. It is pointed out that even higher values of the gain factor may be achieved with thinner capillaries and shorter current pulses, e.g. a gain factor of 6 cm⁻¹ is achieved if the capillary radius is 0.5 mm, peak current 56 kA, quarter period 15 ns, and filling nitrogen pressure 3.9 kPa.     

Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能

Kinoform单透镜可以高效聚焦硬X射线至纳米量级, 在X射线纳米显微学和纳米光谱学领域有着重要的应用前景. 基于衍射光学和傅里叶光学理论, 给出了X射线经由Kinoform单透镜聚焦的物理模型, 基于数值模拟, 研究了不同材料、光子能量、台阶数量和顶点曲率半径对Kinoform单透镜聚焦性能的影响. 结果表明, 孔径为1 mm的Kinoform单透镜对30 keV的X射线聚焦, 可以得到14 nm焦斑、62 μm焦深, 且可实现4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率.     

高能X射线组合透镜聚焦性能的实验结果

高能X射线组合透镜是一种基于折射效应的新型X射线光学元件。报道了这种新型X射线光学元件聚焦性能的最新实验结果。设计的高能X射线组合透镜为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料,包括40个相同的、顺序排布的平凹折射单元,折射单元的球面半径为200μm,组合透镜的几何口径约为500μm,长度约为8 mm,焦距约为1.3 m。简要描述了PMMA材料X射线组合透镜的制作技术和制作过程。并给出了X射线组合透镜聚焦性能测试实验系统和实验条件。最后给出8 keV单色X射线辐射下,PMMA材料X射线组合透镜的聚焦性能的测试结果,对实际测试结果进行了分析和讨论,得出结论,焦距等参量与理论计算结果基本吻合。     

Optical design of a full-pupil field,non-contact and high resolution corneal curved objective lens

It has been a challenge to overcome the corneal curvature radius to design a full-pupil field, non-contact and high resolution corneal curved objective lens, which covers the cornea full-pupil field and has the ability to resolve corneal cells. In this paper, we report an optical design of a full-pupil field, non-contact corneal curved objective lens for high resolution cornea imaging. The advantages of this lens are that it has a wide field of view (FOV) with the corneal curved image surface, maintains the beam normal incidence, as well as non-contact lens imaging, and offers a cell-level lateral resolution of cornea structure. The analysis of optimization shows that the system achieves diffraction limit in a circular FOV of 4 mm diameter covering the full-pupil zone. The theoretical lateral resolution is about 2.5 μm with an image space NA of 0.16, which is sufficient to resolve corneal cells of 7 μm diameter, and the working distance is larger than 15 mm which is enough for a non-contact objective lens. So the optical design is effectively and efficiently meeting the demand of specifications.     

Influence of the Inner Diameters of Capillary on the Z‐Pinch Plasma of the Capillary Discharge Soft x‐ray Laser

In this paper, the effects of inner diameters on the Z‐pinch plasma of capillary discharge soft x‐ray laser were investigated with the 3.2 mm and 4.0 mm inner diameter alumina capillaries. The intensities of the laser emitted from the 3.2 mm and 4.0 mm inner diameter alumina capillaries were measured under different initial pressures. To understand the underlying physics of the experimental measurements, the Z‐pinch plasma simulations had been conducted with a one‐dimensional cylindrical symmetry Lagrangian magneto‐hydrodynamics (MHD) code. The parametric studies of Z‐pinch plasma, such as the electron temperature, the electron density and the Ne‐like Ar ion density, were performed with the MHD code. With the experimental and the simulated results, the discussions had been conducted on the Z‐pinch plasma of Ne‐like Ar 46.9 nm laser with the 3.2 mm and 4.0 mm inner diameter alumina capillaries. The analysis had been made on the difference of the gain coefficients under the optimum pressures with both capillaries. Then, the effects of inner diameters on the optimum pressure and the pressure domain were analyzed. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)