惯性约束聚变实验中的层析成像技术研究

文章对惯性约束聚变(ICF)中的多方位成像的层析技术(CT)和编码成像技术在激光等离子体实验中的应用进行了研究．作者完成了以下工作：建立了多方位层析成像系统，自行编制三维图像重建的软件；采用三个方位的针孔相机对爆推爆靶内爆压缩过程进行成像，同时成功地获得了三个针孔图像，得到的直径压缩比约为3．且压缩的对称性很好；采用编码成像技术，在“神光Ⅱ”上成功地验证了菲涅耳波带片的可行性应用，并建立了激光热核聚变产生的α粒子和腔靶超热电子的菲涅耳波带片成像系统，获得了热核反应区的α粒子图像，并首次得到了厚壁腔靶的超热X射线图像．     

一种新型透射式自聚焦光栅的设计及理论研究

结合普通透射光栅的分光特性和菲涅耳波带片的聚焦特性,提出一种应用于软X射线波段的新型透射式自聚焦光栅。根据菲涅耳衍射理论,对其衍射特性进行理论推导,证明该新型光栅存在一个与光栅平面垂直的焦平面,不同波长的光波聚焦于该焦平面的不同位置。在焦平面上,焦点位置随光子能量的变化是线性的,即能实现光子能量的线性测量。通过解析推导,得到在沿着焦平面和垂直于焦平面两个方向上光斑的展宽模式,发现该新型光栅在沿着焦平面的光斑展宽模式不同于普通光栅。根据基尔霍夫衍射公式,设置实用化参数,对其衍射模式进行了详细的数值模拟研究,并讨论了相应的测谱范围和谱分辨率。     

单级衍射量子点阵光栅的聚焦离子束直写法制备及光学性能检测

采用聚焦离子束直写技术,成功制作了面积为200μm×200μm,线密度500 mm 1,圆孔直径800 nm,金吸收体厚度为500 nm的单级衍射量子点阵光栅.研究了该光栅在波长442 nm激光下不同传输距离的衍射特性以及相对衍射效率.实验结果表明,量子点阵光栅不存在高级衍射,只保留了±1级和0级衍射,具有良好的单级衍射特性.1级衍射与0级衍射间距随传输距离的增大而增大,实测值与理论计算值相符.     

电子束和X射线光刻制作高分辨率微波带片

在硅为衬底材料的自支撑氮化硅薄膜上,采用阴阳图形互换转移技术,先使用电子束直写方法制作成功了最外环为150nm的阳图形微波带片,然后用同步辐射X射线光刻技术复制成功了最外环为150nm的阴图形微波带片,得到可以应用于ICF诊断技术中的微波带片.     

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。     

高效率X射线光刻在单级光栅研制中的应用

为了满足单级衍射光栅的应用需求,在器件研制中对X射线光刻的关键技术进行优化,克服了曝光中图形畸变的问题,并利用同步辐射光源对单级衍射光栅进行了高效率的批量复制。通过对X射线光谱成分进行模拟,在X射线束线中插入铬反射镜和氮化硅滤片,得到了能量范围为0.5~2 keV的大面积均匀光斑;根据具体情况对掩模图形进行+5~+35 nm的校正,克服了X射线曝光图形扩展的问题;通过控制掩模与基片软接触产生的莫尔条纹,使曝光间隙降到3μm以下,保证了稳定的曝光结果与高分辨率;所制备的多种单级衍射光栅图形结构复杂,具有纳米尺度特征线宽,剖面陡直,满足单级衍射光栅设计对纳米加工技术的苛刻要求。     

反射式单级衍射光栅

介绍了单级衍射光栅的发展趋势, 从理论上论证了单级衍射光栅的可行性, 引入了一种新型衍射光学元件—-准正弦反射式单级衍射光栅(QSRG). 它能有效抑制高级衍射, 可用于提高光谱系统的信噪比和精度. 而通过QSRG的实验结果也验证了此新型色散元件确实具有良好的单级衍射特性, 二级及以上的高级衍射被有效地抑制, 与理论预测几乎一致. 本文的结果可望在反射式光谱测量系统中得到广泛应用.     

超短超强激光产生正电子的蒙特卡罗模拟

通过理论分析,建立了超短超强激光与固体靶作用产生正电子的蒙特卡罗模拟模型及Geant4模拟程序。模拟研究了靶材料、靶厚度及超热电子温度等对正电子产额的影响,结果表明：对铝、铜、锡、钽、金、铅6种靶材料,金靶的正电子产额最高,是优秀的正电子产生靶;不同超热电子温度下存在不同的最佳靶厚度,在最佳靶厚度以下,正电子产额随靶厚度增长而增大,靶厚度取3 mm较为合适;超热电子温度越高,正电子产额也越高,提高激光强度是增加正电子产额的有效途径。模拟研究给出了正电子角分布及其能谱,结果显示,正电子发射明显前倾,从大于90方向范围发射的正电子数量极少,且超热电子温度越高前倾特点越明显,能量呈类麦克斯韦分布,靶背法线方向出射的正电子的温度随超热电子温度升高而升高。

     

利用射频腔对激光加速质子能谱的优化

基于靶背鞘层加速机制（TNSA）产生的质子束具有宽能谱的特性,限制了其应用范围。为了产生准单能质子束,研究了基于直线加速器射频腔结构的质子能谱优化方法。在给定射频腔电压和频率情况下,计算了腔间距随优化能量的变化关系,并针对不同优化能量设计了不同大小的腔间距和腔数。在给定腔数情况下,发现只在某个能量附近可以获得单能性最好的单能峰。对能量接受范围进行了分析,要实现最终2%的能散,进入射频腔的质子束能散不能大于15%,并分析了射频腔频率对能量接受范围的影响。最后对PIC模拟得到的半高全宽为15%的一个能谱进行优化,获得了谱宽小于2%的准单色质子能谱。.     

单光子计数型CCD的蒙特卡罗模拟

建立了适用于研究PI-LCX：1300型单光子计数型CCD量子效率及多像素事件的蒙特卡罗模拟模型,采用蒙特卡罗程序Geant4对0.5~30.0 keV能量区间的X射线在CCD芯片中的输运进行了模拟研究。研究了X射线在CCD芯片中的能量沉积谱,给出了CCD探测X射线的效率曲线,其结果与厂家提供的效率曲线一致。研究了Si片厚度对探测效率的影响,结果表明在有效探测范围内,Si片越厚探测效率越高,而对较高能量的X射线,此趋势不明显。研究了能量沉积分布在多个像素中的问题,结果表明周围像素中的能量沉积主要由中心像素的特征X射线及瑞利散射X射线所贡献,在5~30 keV之间X射线能量越高,能量沉积效率越低,多像素污染效果越弱。