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。     

X射线掠入射显微成像诊断技术研究进展

高精密的X射线成像诊断是深入理解内爆过程,揭示点火尺度下未知物理问题的关键。基于掠入射反射的X射线显微镜,结合亚纳米级的超光滑球面或非球面反射镜,能够实现空间分辨优于5 μm的高分辨成像。介绍了国际惯性约束聚变领域的X射线显微成像技术发展及应用,重点展示了我国在高分辨X射线（KB）显微镜、多通道X射线KB显微镜以及大视场X射线KBA显微镜方向的进展,分析了下一阶段超高分辨X射线显微成像的研究计划。通过不断的技术创新,我国的X射线显微成像诊断能力已经达到国际先进水平。     

软X射线激光背光阴影成像技术的空间分辨研究

软X射线激光阴影成像技术是一种诊断高温稠密等离子体临界面附近阴影轮廓的诊断技术,具有测量视场大、空间分辨能力高的特点,具有重要的应用前景.对该技术的空间分辨具体能够达到什么程度则没有进行过系统研究.本文分别从光路几何、衍射极限、成像像差三个方面进行了仔细分析,结果表明目前采用该技术的诊断系统能够达到约2μm的空间分辨.主要受限是光路几何因素,通过增加放大倍数、选择单元尺寸更小的接收元器件等方式,有希望达到优于1μm的空间分辨.     

利用X射线激光干涉诊断等离子体电子密度

X射线激光波长短、脉冲短、亮度高而又具有良好相干性，用它作为探针来诊断高温高密度激光等离子体是一种非常好的工具。诊断的结果，一方面可以提供相关的等离子体信息，更重要的是可以用来校验相应的程序，对惯性约束聚变等研究具有重要意义。     

惯性约束聚变软X射线在线标定系统概念设计

长期以来,惯性约束聚变（ICF）研究软X射线诊断科学仪器设备的元器件标定工作主要依赖同步辐射光源X射线辐射计量站进行。该类装置通常与用于开展ICF研究的大型激光装置分处两地,难以满足ICF研究软X射线元器件实时实地的标定应用需求。另外,由于同步辐射和ICF激光等离子体产生的X射线辐射特性存在较大差异,同步辐射计量站的标定结果事实上也不能完全反映元器件在ICF实验应用中的计量响应特性。本文首先介绍一种基于单光学元件的软X射线紧凑型无谐波光源单色化技术,以此为基础提出研制基于ICF激光等离子体X射线源的同源、同几何位形、双束比较校准的多能量通道光源单色化系统,用于ICF应用软X射线元器件的在线标定。新系统一方面可望满足ICF软X射线元器件实时实地的标定应用需求;另一方面,其提供的标定光束的技术特征将最大可能地接近ICF激光等离子体X射线辐射本身。配备相应的X射线二极管（XRD）和标准探测器之后,该系统将形成一套具有在线自校准功能的新型多通道δ能量响应软X射线能谱仪。     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变（ICF）内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10 μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10 μm。     

金激光等离子体的空间分辨X射线发射谱及其应用

在星光II激光装置上,采用PET平面晶体谱仪与宽20μm的狭缝构成一维空间分辨光谱测量系统,对金平面靶激光等离子体进行观测,获得了沿靶面法向一维空间分辨的金M带发射谱。在实验谱中观察到了Au元素类Ni离子的电四极跃迁线3p63d10(1S0) 3p53d104d(3/2,5/2)J=1。利用电四极跃迁线对电子密度的敏感特性,开展了金激光等离子体电子密度诊断的尝试,确定出利用该谱线进行电子密度诊断的有效范围大致在1019～4.5×1021cm-3之间。     

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%。     

单色化X射线显微成像实验研究

围绕激光惯性约束聚变（ICF）内爆压缩阶段高空间分辨、高能谱分辨的诊断需求,提出了一种将KB显微镜和衍射晶体组合的大视场、单色化成像系统。在实验室条件下,利用Fe靶X射线光管,采用KB显微镜结合高定向热解石墨（HOPG）对网格进行背光成像,晶体选能后的成像结果表明,系统的视场能达到800 μm,其中高分辨区域成像的分辨率为37 μm。采用能谱探测器测试成像能谱,结果表明,系统的能量分辨率为28,验证了系统的单色性能。该系统兼顾了大视场、空间分辨和能量分辨,对内爆压缩阶段实验中热斑结构及混合效应的研究具有重要应用。     

KBA X射线显微镜装调方法研究

 KBA X射线显微镜为非共轴、掠入射软X射线成像系统,集光立体角很小,像质又要求非常高,这使得四个反射镜的安装位置要求相当严格。通常的位置或角度计量工具,在激光聚变靶室内空间受限的条件下,很难达到这么高的精度。因此为了保证KBA的成像质量,采用精度4″的测角仪使双反射镜的夹角误差小于20″。掠入射角对成像质量影响很大,为了使掠入射角小于10″,用自己设计的光路系统保证了掠入射角的精度要求。KBA X射线显微镜系统的主镜的孔径角4×10^－6 sr,无法实现锐聚焦。因此设计了一个辅助物镜代替它的主镜以实现锐聚焦。在某大型激光装置上进行的惯性约束聚变诊断实验中,运用这些方法所装调的KBA X射线显微镜获得了靶标(周期20 μm,线宽6 μm的无金膜镍网格)的清晰图像。     

KBA X射线显微镜装调方法研究

KBA X射线显微镜为非共轴、掠入射软X射线成像系统,集光立体角很小,像质又要求非常高,这使得四个反射镜的安装位置要求相当严格。通常的位置或角度计量工具,在激光聚变靶室内空间受限的条件下,很难达到这么高的精度。因此为了保证KBA的成像质量,采用精度4″的测角仪使双反射镜的夹角误差小于20″。掠入射角对成像质量影响很大,为了使掠入射角小于10″,用自己设计的光路系统保证了掠入射角的精度要求。KBA X射线显微镜系统的主镜的孔径角4×10－6 sr,无法实现锐聚焦。因此设计了一个辅助物镜代替它的主镜以实现锐聚焦。在某大型激光装置上进行的惯性约束聚变诊断实验中,运用这些方法所装调的KBA X射线显微镜获得了靶标(周期20 μm,线宽6 μm的无金膜镍网格)的清晰图像。     

KBA X射线显微镜分辨力模型

综合考虑了几何像差、衍射效应和加工精度等因素对KBA X射线显微镜分辨力的影响,构建了分辨力模型。通过光线追迹模拟得到了不同视场位置的边缘响应函数,以20%～80%的评价标准确定了几何像差分辨力。由构建的空间分辨力模型得到理论分辨力。KBA X射线显微镜整个视场几何像差分辨力、理论分辨力和实测分辨力基本一致。用单层膜KBA 显微镜获得的X射线成像结果,得出中心视场的分辨力约为4 μm,±100 μm视场的分辨力优于5 μm。实验结果表明,几何像差对空间分辨力影响权重相对较大,是影响空间分辨力的决定性因素,其它因素的影响相对较小。     

New applications of the magnetic X-ray circular dichroism method for surface-magnetism investigations in a photoemission electron microscope

It is shown that magnetic X-ray circular dichroism (MXCD) can be exploited in photoemission electron microscopy not only to visualize the domain structure of ferromagnets, but also to perform quantitative measurements of the stray magnetic fields at the domain boundaries. In the general situation, two MXCD images obtained at different extractor voltages are required. In specific cases, however, it suffices to consider a single image, if it is deformed by the stray magnetic fields compared to a known object geometry. The object geometry means its real shape, scratches or other defects. It is also possible to deposit a paramagnetic film structured in the form of stripes or a grid as a reference on the ferromagnetic sample being investigated. Received: 2 August 2001 / Accepted: 6 September 2001 / Published online: 20 December 2001     

Ultrafast X-ray sources and applications

The recent development of ultrafast X-ray sources makes conceivable the analysis of subpicosecond transient structures. This paper describes these new techniques and reports the first experiments dedicated to the analysis of atomic motions on this time-scale.     

X射线Kirkpatrick-Baez显微镜用超反射镜的研制

介绍了一种可应用于X射线Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜的光学元件—X射线超反射镜。选用的W和B4C作为镀膜材料,膜对数为20,采用单纯型调优的方法实现了X射线超反射镜设计,用磁控溅射的方法在Si基片上完成了W/B4C X射线超反射镜的制备。采用高分辨率X射线衍射仪（8 keV）测量了X射线超反射镜的反射特性。制备的X射线超反射镜在掠入射角分别为1.052°和1.143°处,反射角度带宽为0.3°,反射率达到20%,可满足KB型显微镜的要求。     

X射线Kirkpatrick-Baez显微镜用超反射镜的研制

 介绍了一种可应用于X射线Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜的光学元件—X射线超反射镜。选用的W和B₄C作为镀膜材料,膜对数为20,采用单纯型调优的方法实现了X射线超反射镜设计,用磁控溅射的方法在Si基片上完成了W/B₄C X射线超反射镜的制备。采用高分辨率X射线衍射仪（8 keV）测量了X射线超反射镜的反射特性。制备的X射线超反射镜在掠入射角分别为1.052°和1.143°处,反射角度带宽为0.3°,反射率达到20%,可满足KB型显微镜的要求。     

软X射线KBA显微镜分辨力及其影响因素

为了对KBA显微镜的分辨能力进行准确计算,对KBA显微镜的分辨力和影响因素进行了研究,分析了衍射效应、几何像差、面形误差和粗糙度等因素对分辨力的影响,以此为基础建立了KBA显微镜的分辨力计算模型,并模拟了KBA显微镜的分辨力与视场的关系。用KBA显微镜获得了2.5 keV能量的X射线成像结果,中心视场范围的分辨力约为6 m。通过实验结果与模型模拟的对比,可得建立的模型对KBA显微镜分辨力与视场尺寸的关系的描述与实际测试的结果基本符合,并对不完善之处进行了分析。     

软X射线KBA显微镜分辨力及其影响因素

为了对KBA显微镜的分辨能力进行准确计算,对KBA显微镜的分辨力和影响因素进行了研究,分析了衍射效应、几何像差、面形误差和粗糙度等因素对分辨力的影响,以此为基础建立了KBA显微镜的分辨力计算模型,并模拟了KBA显微镜的分辨力与视场的关系。用KBA显微镜获得了2.5 keV能量的X射线成像结果,中心视场范围的分辨力约为6 m。通过实验结果与模型模拟的对比,可得建立的模型对KBA显微镜分辨力与视场尺寸的关系的描述与实际测试的结果基本符合,并对不完善之处进行了分析。