非共轴掠入射KB与KBA X射线显微镜的成像特性分析

由于X射线在介质中被强烈地吸收,加之介质的折射率在X射线波段略小于1,这些因素给X射线成像增加了很多难度,常规的成像方法难以适应X射线波段,目前多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法。详细分析掠入射情况下单镜及双反射镜的成像特性,对组成KBA显微镜的反射镜在掠入射条件下的焦距、视场倾斜、光阑位置等进行研究。研究结果表明：对于双反射镜结构,掠入射角为双反射镜夹角1/2时视场倾斜最少,光阑放在第2个镜子上成像质量优于放在第1个镜子上。最后分析KBA显微镜结构安排的合理性,从而为KBA显微镜设计和加工提供理论依据。     

激光原型装置KBAX射线显微镜网格测试

利用光线追迹的方法模拟了KBA显微镜成像,确定了光轴的方向并计算了KBA显微镜的几何调制传递函数。根据KBA模拟光路,提出了利用可见光作为模拟KBAX射线显微镜的光轴在激光原型装置上的瞄准和安装的方法,该方法掠入射角的调节精度为0.25°。利用周期为20μm的Ni网格在激光原型装置上对KBA显微镜进行了X射线成像实验,用X射线CCD记录图像,获得了较清晰的网格图像。     

KBA型X射线显微系统

KBA型X射线显微镜的物与像不在同一水平面上,采用双对准方式解决了在靶室安装这套仪器的困难。与通常的光学系统不同,KBA显微镜的伪光轴与实轴夹角8.748 6,设计了观察系统,保证了掠入射角的要求。KBA显微镜的物方孔径角很小,用可见光装调焦深很大,无法满足要求,因此设计了辅助光学成像系统,满足了焦深为5 mm的要求。     

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。     

KBA显微镜成像系统的成像模拟及X光成像实验的研究

KBA显微镜是一种非轴对称、非共轴的掠入射成像系统。其结构复杂,调节精度要求很高,在实际成像实验操作中难以掌握其成像特性。利用光学设计软件模拟其成像,对系统的调节和成像分析提供有益的参考。利用光学设计软件ZEMAX模拟了KBA显微镜对点源的成像过程,给出了KBA显微镜成像系统的焦深约为1 mm,景深为50 mm左右。并且由模拟可知,掠入射角对成像的影响很大。对像素尺寸约10μm的探测设备,模拟得出KBA成像系统的空间分辨力上限为3μm左右。基于星光Ⅱ装置对周期为20μm的网格靶成像,获得了KBA显微镜较为清晰的X光图像。该项工作为进一步开展掠入射成像系统的研究奠定了基础。     

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。     

共轴抛物镜线聚焦性能的2维分析

 掠入射泵浦方式作为一种全新的X射线激光泵浦方式,采用了共轴抛物镜作为线聚焦器件。利用2维光路追踪程序,计算了高斯光束从5°掠入射角增加到7°时入射到共轴抛物镜上的线聚焦效果。研究发现,掠入射角从5°增加到7°过程中,线聚焦的尺寸随着掠入射角变大,线聚焦长度从6 mm逐渐变长到12 mm,线聚焦宽度从150 μm变到40 μm;掠入射角6.5°～7°可以实现符合实验要求的线聚焦效果,线聚焦尺寸约10 mm×20 μm(最小线聚焦宽度),7°掠入射可以实现较好的线聚焦,基本满足实验的要求。     

KBA型X射线显微镜精度控制方法

KBA(改进的KB)型X射线显微镜为掠入射非共轴反射成像系统.前一组反射镜和后一组反射镜之间并不是严格垂直的,给像质分析带来相当大的困难.通常的光学CAD软件难于适应这种光学系统.把共轴球面折射系统的向量公式调整后设计了掠入射非共轴KBA显微镜成像系统程序,并用该程序分析了KBA系统的像差及综合误差.分析结果表明,KBA显微镜系统是大像差系统,当物距公差为-0.4～ 1 mm,掠入射公差在-8"～0,双反射镜夹角公差在-20"～0,弥散斑的变化在允许的范围内.该程序对于分析和研制KBA显微镜系统具有重要意义.     

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。     

基于非周期多层膜的X射线成像研究

设计了惯性约束聚变（ICF）诊断实验用X射线Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜,给出了系统的结构参量.使用ZEMAX光学软件对KB型显微镜进行了性能模拟,结果表明：在8 keV能点,放大率为8倍时,轴上点的最佳空间分辨率小于2 μm,200微米视场的空间分辨率优于10μm.采用磁控溅射方法制备了W/B4C非周期多层膜,经X射线衍射仪（XRD,工作能量8 keV）测量,其反射率为20％,带宽为0.3°,达到了KB型显微镜成像系统的要求.使用Cu靶X射线管进行了成像实验,得到了放大倍数分别为1倍和2倍的一维X射线像.     

KBA-X射线显微镜空间分辨力模拟和Au网格实验测量

 通过光线追踪模拟在SGⅡ激光装置上利用第9路激光入射到Cu背光靶面产生X射线,通过Au网格背光照相,利用KBA显微镜对此网格成像,获得了清晰的网格图像。通过对实验网格数据的分析发现:在掠射角减小的方向,空间分辨力随视场的变化比掠射角增大的方向变化小,与光线追踪模拟比较,二者均表明KBA的视场是非对称的,从实验图像数据得出,视场的不对称相对于中心位置约为30%。     

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。     

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。     

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%。