CN102930918A - 基于双能点多层膜的软x射线掠入射光学系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统及其应用，该光学系统包括物镜，物镜上镀设双能点多层膜，双能点多层膜由上方膜系和下方膜系构成，上方膜系针对工作能点软X射线反射，下方膜系针对8keV能点X射线反射；首先在实验室大气环境下利用Cu靶X射线管寻找到8keV能点X射线的最佳物点，此最佳物点与软X射线掠入射光学系统的最佳物点相同，然后切换到强激光装置，用于实际软X射线工作能点的ICF物理实验。与现有技术相比，本发明具有成本低、装调简单、实验时间短、不引人额外误差、不增加磁控溅射设备等优点。

Description

基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种软X射线掠入射光学系统装调方法，尤其是涉及一种大气环境中基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统装调方法，属于成像系统的装调领域。

背景技术

X射线掠入射光学系统是在强激光装置的惯性约束聚变(ICF)物理实验中进行高温高密度等离子体诊断的关键，主要包括KB/KBA和Wolter显微成像系统，另外还可在能谱诊断中作为聚光元件以提高X射线的收集效率。这种光学系统的有效视场仅有几百微米，对物镜装配精度和系统瞄准有着很高的精度要求，目前主要是通过X射线成像实验寻找并标定出最佳物点的方法来保证。X射线成像实验避免了其它非直接成像方式所引入的附加仪器和额外误差，因此系统结构更为简单和可靠。目前强激光装置常用的背光能点集中在软X射线能段，主要包括1.4keV(Cu的L线)、2.5keV(Mo的L线)、4.75keV(Ti的类He线)等。空气对上述软X射线工作能点有着很严重的吸收，因此目前软X射线掠入射光学系统的装调需要在真空环境下完成。一方面，建造或购买软X射线源、真空靶室和真空电移台造成了系统成本急剧上升；另一方面，真空环境也使得操作难度和实验时间大大增加。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不需要软X射线源和真空靶室的基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统装调方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，该光学系统包括物镜，所述的物镜上镀设双能点多层膜，所述的双能点多层膜由上方膜系和下方膜系构成，所述的上方膜系针对工作能点软X射线反射，所述的下方膜系针对8keV能点X射线反射。通过多层膜设计，上方膜系针对物理实验中实际工作能点的软X射线反射；下方膜系针对8keV装调能点的X射线反射，以用于实验室内软X射线掠入射光学系统的物镜装配和系统装调。8keV能点X射线在多层膜内的穿透深度可达几十层，因此穿过上方膜系后仍然具有约30％-50％的反射率。

双能点多层膜镀制在同一块物镜元件上，因此在软X射线工作能点和8keV装调能点系统的光路结构完全相同，所以在软X射线工作能点时系统的最佳物点与实验室内利用Cu靶X射线管寻找到的最佳物点完全一致，其位置不会发生变化。

所述的双能点多层膜为周期多层膜、非周期多层膜或梯度多层膜。

所述的双能点多层膜由W和B4₄C材料制成。

所述的软X射线的工作能点为1.4keV(Cu的L线)、2.5keV(Mo的L线)或4.75keV(Ti的类He线)。

所述的8keV能点X射线由Cu靶X射线管获得，并可以工作在大气环境中。

所述的软X射线掠入射光学系统，是基于多层膜对掠入射X射线的Bragg衍射或全外反射原理工作的系统。

所述的光学系统为KB显微系统、KBA显微系统、Wolter显微系统、KB聚焦系统、KBA聚焦系统或Wolter聚焦系统。

一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统的应用，该应用包括以下步骤：

首先在实验室大气环境下利用Cu靶X射线管寻找到8keV能点X射线的最佳物点，此最佳物点与软X射线掠入射光学系统的最佳物点相同，然后切换到强激光装置，用于实际软X射线工作能点的ICF物理实验。

所述的双能点多层膜的膜系可以根据具体的ICF物理实验对工作能点、工作掠入射角度、反射率、角度带宽、和能量分辨等性能参数的要求进行选择，包括周期多层膜、非周期多层膜或梯度多层膜的膜系结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明提出的基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统及其应用，可以在大气环境下完成软X射线掠入射光学系统装调。只需配合价格较低廉的Cu靶X射线管，即可完成软X射线掠入射光学系统的物镜装配和系统装调，不需要额外的软X射线源和真空靶室，因此明显降低了使用成本。

2、本发明实现了大气环境下软X射线掠入射光学系统装调。系统装调过程不再需要真空电动调节装置和软X射线CCD探测器，明显减少了使用成本，同时也降低了装调难度和实验时间。

3、本发明提出的软X射线掠入射光学系统的装调方法，不改变系统光路结构，不引入新的光学或机械元件，可以避免其它非直接成像装调方式所带来的额外误差。

4、本发明的双能点多层膜的制备方法与普通软X射线多层膜相同，因此不需要添加新的磁控溅射设备。

附图说明

图1为已有的用于软X射线掠入射光学系统的膜系结构示意图；

图2为基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统结构示意图；

图3为构成实施例1的用于激光等离子体诊断的KB显微镜光路结构示意图；

图4为实施例1中KB物镜1所用的4.75/8keV双能点多层膜的X射线反射率曲线图；

图5为实施例1中KB物镜2所用的4.75/8keV双能点多层膜的X射线反射率曲线图；

图6为实施例1中在实验室内利用Cu靶X射线管(8keV)得到的CCD曝光图像；

图7为实施例1中在软X射线工作能点(4.75keV)得到的CCD曝光图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例适用于4.75keV能点KB显微镜的系统装调。KB显微镜主要用于激光惯性约束聚变中高温高密度等离子体的X射线成像诊断。

本套KB系统的光路结构示意图如图3所示，其由两块球面反射镜KB物镜1和KB物镜2分别在子午和弧矢方向上依次正交放置构成，成像公式为：

子午方向(对应KB物镜1)

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v+d}=\frac{2}{{R\sin \mathrm{\θ}}_1}---\left(1\right)$

弧矢方向(对应KB物镜2)

$\frac{1}{u+d}+\frac{1}{v}=\frac{2}{{R\sin \mathrm{\θ}}_2}---\left(2\right)$

式中u和v分别为物距和像距，R和d分别为两块物镜相同的曲率半径和镜长，θ1、θ2分别为KB物镜1(子午方向)和KB物镜2(弧矢方向)的中心掠入射角。由于两块反射镜前后放置，因此两方向上掠入射角θ1、θ2和放大倍数也有轻微差异。考虑到工作反射面薄膜结构对实际反射率的制约，选择合适的掠入射角度θ1和θ2，可以使子午像面与弧矢像面重合，以此消除KB系统的像散。本套系统的初始结构参数如下：曲率半径R＝18399mm；镜长d＝10mm；工作掠入射角分别为θ1＝1.2°、θ2＝1.2506°；物距u＝211.9mm，像距v＝2119mm，子午和弧矢方向上的放大倍数分别为M1＝10、M2＝9.5。

空气对4.75keV能点X射线的吸收非常严重，因此无法在实验室大气环境下直接完成4.75keV能点KB系统的装调实验，本实施例中，我们通过在KB物镜1和KB物镜2的工作反射面上镀制4.75/8keV双能点多层膜来解决这一问题。

首先为KB物镜1设计工作在1.2°掠入射角下的4.75/8keV双能点多层膜。采用与普通X射线多层膜相同的设计方法，分别针对4.75keV工作能点和8keV装调能点进行膜系设计，具体的设计结果如表1所示。KB物镜1的表面粗糙度为0.6nm。4.75keV多层膜共4个膜对数，每个膜对均由W和B₄C材料组成，W材料在B₄C材料下方。每个膜对的周期厚度为6.92nm(B₄C每层厚度为4.15nm，W每层厚度为2.77nm)。8keV多层膜共10个膜对数，每个膜对也由W和B₄C材料组成，每个膜对的周期厚度为3.89nm(B₄C每层厚度为2.07nm，W每层厚度为1.82nm)。将表1中4.75keV和8keV多层膜按图2所示方式叠加，即4.75keV多层膜放置在8keV多层膜上方。得到KB物镜1所用的4.75/8keV双能点多层膜的反射率曲线如图4所示。其中4.75keV和8keV能点的理论反射率曲线分别如图4中虚线和点划线所示，实线是8keV能点多层膜反射镜的实测反射率曲线。8keV能点角度带宽较小(约0.12°)，可以保证掠入射角的调整精度；而4.75keV能点的角度带宽则达到0.3°，并且其与8keV能点中心峰位基本相同，因此像面上有效视场不会受到多层膜反射率变化或偏峰带来的影响。

其次为KB物镜2设计工作在1.2506°掠入射角下的4.75/8keV双能点多层膜。仍采用与普通X射线多层膜相同的设计方法，分别针对4.75keV工作能点和8keV装调能点进行膜系设计，具体的设计结果如表2所示。KB物镜2的表面粗糙度为0.6nm。4.75keV多层膜共4个膜对数，每个膜对均由W和B₄C材料组成，W材料在B₄C材料下方。每个膜对的周期厚度为6.72nm(B₄C每层厚度为3.54nm，W每层厚度为3.18nm)。8keV多层膜共12个膜对数，每个膜对也由W和B4₄C材料组成，每个膜对的周期厚度为3.74nm(B₄C每层厚度为1.92nm，W每层厚度为1.82nm)。将表2中4.75keV和8keV多层膜按图2所示方式叠加，即4.75keV多层膜放置在8keV多层膜上方。得到的KB物镜2所用的4.75/8keV双能点多层膜的反射率曲线如图5所示。其中4.75keV和8keV能点的理论反射率曲线分别如图5中虚线和点划线所示，实线是8keV能点多层膜反射镜的实测反射率曲线。8keV能点角度带宽较小(约0.1°)，可以保证掠入射角的调整精度；而4.75keV能点的角度带宽则达到0.29°，并且其与8keV能点中心峰位基本相同，因此像面上有效视场不会受到多层膜反射率变化或偏峰带来的影响。

在上述KB物镜1和KB物镜2的多层膜制备完成后，进行了KB系统装调。图6是在系统装调完成后本套KB系统得到的600目金网的X射线CCD成像结果，网格线宽约6μm，其中心小孔用于标记最佳物点，并与强激光装置自身的模拟定位球复合。曝光条件如下：工作电压37.6kV，工作电流17.6mA，增益5，曝光时间60min。经简单测算，空间分辨率在中心视场约为2-3μm，400μm视场内分辨率优于5μm。

利用本发明所设计的4.75/8keV双能点多层膜结构，通过实验室内空气环境下的KB系统装调，成功获得了4.7keV能点KB显微镜的清晰网格成像结果，如图7所示。4.75keV背光X射线由120焦能量，二倍频，80皮秒的激光轰击Ti靶产生，2000目金网电镜实测周期和线宽分别约为12μm和5μm。可以看出，整个照明区域内均能分辨5μm宽度的金网格线；亮度较高的中心区域网格最清晰，向边缘视场逐渐模糊，说明背光源照亮的位置基本位于最佳物点；系统分辨率受CCD像素尺寸的限制，有效分辨率约为5μm；系统有效视场受背光X射线源大小的限制。

表1

表2

实施例2

不同于图1所示的现有的用于软X射线掠入射光学系统，本发明的一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，如图2所示，该光学系统包括物镜基底，物镜基底上镀设双能点多层膜，双能点多层膜由上方膜系和下方膜系构成，上方膜系针对工作能点软X射线反射，下方膜系针对8keV能点X射线反射。通过多层膜设计，上方膜系针对物理实验中实际工作能点的软X射线反射；下方膜系针对8keV装调能点的X射线反射，以用于实验室内软X射线掠入射光学系统的物镜装配和系统装调。8keV能点X射线在多层膜内的穿透深度可达几十层，因此穿过上方膜系后仍然具有约30％-50％的反射率。双能点多层膜镀制在同一块物镜元件上，因此在软X射线工作能点和8keV装调能点系统的光路结构完全相同，所以在软X射线工作能点时系统的最佳物点与实验室内利用Cu靶X射线管寻找到的最佳物点完全一致，其位置不会发生变化。

其中，软X射线掠入射光学系统，是基于多层膜对掠入射X射线的Bragg衍射或全外反射原理工作的系统。

光学系统为KB显微系统、KBA显微系统、Wolter显微系统、KB聚焦系统、KBA聚焦系统或Wolter聚焦系统，本实施例中为KBA显微系统。

双能点多层膜为周期多层膜、非周期多层膜或梯度多层膜。

本实施例中，双能点多层膜由W和B₄C材料制成。

软X射线的工作能点为1.4keV(Cu的L线)、2.5keV(Mo的L线)或4.75keV(Ti的类He线)，本实施例中为1.4keV(Cu的L线)。

8keV能点X射线由Cu靶X射线管获得，并可以工作在大气环境中。

一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统的应用，该应用包括以下步骤：

首先在实验室大气环境下利用Cu靶X射线管寻找到8keV能点X射线的最佳物点，此最佳物点与软X射线掠入射光学系统的最佳物点相同，然后切换到强激光装置，用于实际软X射线工作能点的ICF物理实验。

双能点多层膜的膜系可以根据具体的ICF物理实验对工作能点、工作掠入射角度、反射率、角度带宽、和能量分辨等性能参数的要求进行选择，包括周期多层膜、非周期多层膜或梯度多层膜的膜系结构。

Claims (8)

1.一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，其特征在于，该光学系统包括物镜，所述的物镜上镀设双能点多层膜，所述的双能点多层膜由上方膜系和下方膜系构成，所述的上方膜系针对工作能点软X射线反射，所述的下方膜系针对8keV能点X射线反射。

2.根据权利要求1所述的一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，其特征在于，所述的双能点多层膜为周期多层膜、非周期多层膜或梯度多层膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，其特征在于，所述的双能点多层膜由W和B₄C材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，其特征在于，所述的软X射线的工作能点为1.4keV、2.5keV或4.75keV。

5.根据权利要求1所述的一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，其特征在于，所述的8keV能点X射线由Cu靶X射线管获得。

6.根据权利要求1所述的一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，其特征在于，所述的软X射线掠入射光学系统，是基于多层膜对掠入射X射线的Bragg衍射或全外反射原理工作的系统。

7.根据权利要求1所述的一种基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统，其特征在于，所述的光学系统为KB显微系统、KBA显微系统、Wolter显微系统、KB聚焦系统、KBA聚焦系统或Wolter聚焦系统。

8.一种如权利要求1所述的基于双能点多层膜的软X射线掠入射光学系统的应用，其特征在于，该应用包括以下步骤：

首先在实验室大气环境下利用Cu靶X射线管寻找到8keV能点X射线的最佳物点，此最佳物点与软X射线掠入射光学系统的最佳物点相同，然后切换到强激光装置，用于实际软X射线工作能点的ICF物理实验。

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