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。     

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。     

非周期多层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像

从光线传播的角度分析了非周期多层膜Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜的成像性能,并与单层膜KB显微镜、周期多层膜KB显微镜进行了对比。与单层膜KB显微镜相比,多层膜KB显微镜提高了工作掠入射角度,在同样分辨力和集光效率要求下具有更大的视场。周期多层膜KB显微镜的反射率和能量分辨本领高于非周期多层膜KB显微镜,但非周期多层膜元件具有较大的角度带宽和均一的反射率,克服了周期多层膜KB显微镜视场范围和像场均匀性的不足。在此基础上,制备了中心角度1.133 0°的非周期多层膜反射镜元件,以8 keV能量的X射线光管为背光源进行了KB显微镜成像实验,实验结果与理论分析一致。     

非周期多层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像

从光线传播的角度分析了非周期多层膜Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜的成像性能,并与单层膜KB显微镜、周期多层膜KB显微镜进行了对比。与单层膜KB显微镜相比,多层膜KB显微镜提高了工作掠入射角度,在同样分辨力和集光效率要求下具有更大的视场。周期多层膜KB显微镜的反射率和能量分辨本领高于非周期多层膜KB显微镜,但非周期多层膜元件具有较大的角度带宽和均一的反射率,克服了周期多层膜KB显微镜视场范围和像场均匀性的不足。在此基础上,制备了中心角度1.133 0°的非周期多层膜反射镜元件,以8 keV能量的X射线光管为背光源进行了KB显微镜成像实验,实验结果与理论分析一致。     

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。     

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。     

单层膜Kirkpatrick-Baez显微镜的分辨率模型

 分析了几何像差、衍射效应和光学加工精度等因素对不同工作能点的单层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像质量的影响,构建了该显微镜的均方根空间分辨率模型,用Ir单层膜KB显微镜获得了8 keV能量的X射线成像结果,其中心视场的分辨率约为2 mm,±50 mm视场的分辨率优于5 mm。实验结果与分辨率模型的对比表明,中心视场的分辨率受球差、衍射效应和反射镜加工精度的综合影响,边缘视场的分辨率主要由系统的几何像差决定。     

多层膜聚光镜对Schwarzschild显微镜成像均匀性的影响

提出了利用多层膜聚光镜提高Schwarzschild显微镜成像均匀性的方法。设计了聚光镜的光学结构,使80%的等离子体辐射能量会聚在约0.8 mm直径的范围内。根据成像系统的工作波长和光线在聚光镜表面的入射角度,设计了Mo/Si周期多层膜,制备了聚光镜光学元件,膜层周期厚度为9.64 nm,周期数为30,对18.2 nm波长的峰值反射率为51.7%。利用所设计的聚光镜作为照明系统,对Schwarzschild物镜进行了网格成像实验。结果表明:在1.2 mm视场内可以实现2.5 μm的空间分辨力,并且完全消除了物镜中心遮拦所造成的像面光强分布不均匀性。     

多层膜聚光镜对Schwarzschild显微镜成像均匀性的影响

 提出了利用多层膜聚光镜提高Schwarzschild显微镜成像均匀性的方法。设计了聚光镜的光学结构,使80%的等离子体辐射能量会聚在约0.8 mm直径的范围内。根据成像系统的工作波长和光线在聚光镜表面的入射角度,设计了Mo/Si周期多层膜,制备了聚光镜光学元件,膜层周期厚度为9.64 nm,周期数为30,对18.2 nm波长的峰值反射率为51.7%。利用所设计的聚光镜作为照明系统,对Schwarzschild物镜进行了网格成像实验。结果表明:在1.2 mm视场内可以实现2.5 μm的空间分辨力,并且完全消除了物镜中心遮拦所造成的像面光强分布不均匀性。     

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。     

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。     

基于多通道Kirkpatrick-Baez 显微镜的内爆热斑不对称性实验研究

利用多通道Kirkpatrick-Baez 显微镜具有约3μm 的空间分辨能力,对内爆压缩热斑的细节可以进行空间分辨测量。通过赤道和极区两个正交方向对柱腔辐射驱动内爆热斑的X 射线自发射进行测量,获得了热斑区在两个正交方向的二维X 射线强度空间分布。X 射线图像数据处理结果表明,赤道区表征内爆热斑不对称性的2 P 分量比极区的约高8%,极区的0 P 分量比赤道区大2μm。内爆热斑在极区的压缩要强于赤道区,反映了极区的辐射驱动要比赤道区的强,这导致靶球在压缩停滞阶段形成的热斑形状呈扁椭球。     

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。     

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5 m）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。     

激光等离子体诊断用Wolter型X射线显微镜的设计

围绕着稠密等离子体硬X射线成像诊断,提出了一种基于阿贝正弦条件的Wolter型X射线显微镜的光学系统设计。详细介绍了Wolter显微镜的结构特点和设计方法,进行了参数优化,定量分析了包括物距、放大倍数、掠入射角和双曲面镜镜长在内的初始结构参数对物镜性能的影响。由光线追迹可以得出,在约±260 μm的视场范围内分辨率优于1 μm;在±460 μm范围内优于3 μm。有效视场可达约1 mm,几何集光立体角约为6.1×10^-5sr。同时,该系统具备平响应系统特性,在mm级的视场范围内,系统响应效率的一致性优于93.7%。     

平面调制靶瑞利-泰勒不稳定性初步研究

瑞利-泰勒不稳定性增长的准确估计是激光聚变的重要研究课题。在神光Ⅱ装置上,利用面向背光照相技术对正弦调制平面靶的瑞利-泰勒不稳定性增长进行了实验研究,得到了清晰的时空分辨图像;采用傅里叶变换取基模法和求波峰波谷差值法分析了实验结果;两种方法得到的靶扰动增长因子相同。实验中平面靶扰动增长较小可能是密度梯度致稳和烧蚀致稳抑制了扰动增长,也可能是扰动进入了非线性阶段而使增长不大。