CN103234987B - 一种时间分辨的多色单能x射线成像谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，该谱仪包括子午方向上的一块球面物镜和弧矢方向上依次排列的n块球面物镜，n为大于1的整数；n个通道均基于Kirkpatrick-Baez(KB)结构成像，物点发出的X射线经过子午方向上的球面物镜反射后形成一维成像，随后再经过弧矢方向上依次排列的n块球面物镜反射后在像面上形成n个通道的两维成像。与现有技术相比，本发明的多色单能X射线成像谱仪较现有的MMI和弯晶成像技术具有更高的空间分辨率，较现有的MMI和GMXI具有更高的集光效率，因此适合进行X射线产额较少的自发光成像诊断，特别是在较高能段区域或能量较低的kJ级强激光装置上。

Description

一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪

技术领域

本发明涉及X射线成像领域，尤其是涉及一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪。

背景技术

在激光惯性约束聚变(ICF)研究工作中，对激光等离子体进行时间分辨的单能或准单能成像观测是获取等离子体动态演化信息的重要手段，也是校验数值模拟程序的必要途径。如多色单能X射线成像，其利用涵盖靶丸自发光或某种掺杂元素特征线的X射线能谱范围内多个能点的X射线单能图像，以获得激光等离子体在不同区域的温度和密度分布等重要信息。

目前的多色单能X射线成像方法主要有三种，第一种是基于弯晶成像原理，通过将多块弯晶按照一定角度和顺序排列，分别获得靶丸掺杂元素不同特征线的单色化图像。该方法的优势在于单能性很好，能量分辨E/ΔE可以达到1000以上，但是高能量分辨也使得能谱积分效率显著降低。另外，弯晶采用将平面晶体压弯的方法制备，通过这种方式制备的弯晶面形精度有限，使其无法达到优于5微米的空间分辨，系统实际空间分辨能力普遍在5-10微米左右。第二种方式是采用多针孔阵孔配合布拉格反射镜成像(MMI)。布拉格反射镜可以采用平面晶体或X射线多层膜等。其利用多针孔阵列和布拉格反射镜分别作为成像元件和分光元件，这种方式的设计、研制和装调比较简单。但是受针孔数值孔径的制约，其空间分辨率和有效集光效率都较低。第三种方式是采用四通道Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜配合平面晶体成像(GMXI)。其采用基于掠入射反射式成像原理的KB显微镜和平面晶体分别作为成像元件和分光元件。中心视场分辨率可以到2-3微米，几百微米视场的分辨率均可优于5微米。其集光效率可以达到10-7，比针孔约高2个量级。配合分幅相机，一次实验可以在两个时刻分别获得两个能点的单能图像。

上述三种方法在某些ICF物理实验类型和强激光装置能量条件下，仍然存在以下不足：1.弯晶成像和MMI的空间分辨能力不足，无法达到优于5微米的空间分辨，GMXI虽然具有优于5微米的空间分辨率，但是通道数只有2个；2.在进行X射线自发光成像时，轫致辐射的自发光连续谱强度远低于特征辐射的线谱，特别是在较高能段的诊断区域(如2-5keV)或能量仅有kJ级的强激光装置(如神光II)，这种实验类型时采用四通道KB显微镜配合X射线多层膜元件，以牺牲一定的能量分辨为代价获得较高的集光效率，是一种可行的解决措施，但是仍然存在通道数受限的问题。3.上述三种方式的像面探测器均采用分幅相机，可以获取多个瞬态时刻的二维图像信息。但是在进行时间分辨ICF物理实验时，像面探测器使用的是扫描式的条纹相机，其通过长度约几十毫米，宽度约百微米的长条形光阴极狭缝截取成像的一维空间信息，并将其转换成电信号后，经偏转高压扫描后实现时间分辨。这一过程要求多个通道的图像在光阴极狭缝的长度范围内沿同一直线分布排列，而上述三种方式无法满足这一要求。

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配合条纹相机使用的时间分辨的多色单能X射线成像谱仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，该谱仪包括子午方向上的一块球面物镜和弧矢方向上依次排列的n块球面物镜，子午方向上的球面物镜分别与弧矢方向上的n块球面物镜构成n个通道，n为大于1的整数；

该谱仪的n个通道均基于Kirkpatrick-Baez(KB)结构成像，物点发出的X射线经过子午方向上的球面物镜反射后形成一维成像，随后再经过弧矢方向上依次排列的n块球面物镜反射后在像面上形成n个通道的两维成像。

所述的子午方向上的球面物镜镀制基于全外反射原理的单层金属膜，能量低于截止能点的X射线均能被反射。

所述的弧矢方向上的球面物镜镀制基于Bragg衍射原理的窄能带X射线多层膜以实现单能性；n块球面物镜分别镀制针对n个能点工作的窄能带X射线多层膜，以同时实现多色和单能性。

像面上形成n个通道的两维成像沿同一条直线顺序排列，与条纹相机光阴极狭缝复合，可以实现时间分辨。通过微调弧矢方向上球面物镜的工作掠入射角度和空间位置，可以改变n个通道所成图像在光阴极狭缝上的间隔。

所述的n为2～8之间的整数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明的多色单能X射线成像谱仪所成n个图像的空间位置沿同一直线排列，并可通过微调弧矢方向上球面物镜的角度和空间位置来改变成像间隔，因此配合条纹相机使用可以实现时间扫描的多色单能X射线成像。

2.本发明的多色单能X射线成像基于多层膜KB结构，其单能性是通过多层膜结构实现的，多层膜结构比晶体具有较高的积分效率，同时KB结构自身的空间分辨率和几何集光效率也明显高于X射线针孔。因此本发明的多色单能X射线成像较现有的MMI和弯晶成像技术具有更高的空间分辨率，较现有的MMI和GMXI具有更高的集光效率，因此适合进行X射线产额较少的自发光成像诊断，特别是在较高能段区域或能量较低的kJ级强激光装置上。

附图说明

图1为本发明的光路结构示意图；

图2为实施例1中X射线在相邻两块反射镜位置的光路传播示意图。

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

一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，如图1所示，该谱仪包括子午方向上的一块球面物镜(即TRM)和弧矢方向上依次排列的5块球面物镜(即M1、M2、M3、M4、M5)，子午方向上的球面物镜分别与弧矢方向上的5块球面物镜构成5个通道；该谱仪的5个通道均基于Kirkpatrick-Baez(KB)结构成像，物点发出的X射线经过子午方向上的球面物镜反射后形成一维成像，随后再经过弧矢方向上依次排列的5块球面物镜反射后在像面上形成5个通道的两维成像。

子午方向上的球面物镜镀制基于全外反射原理的单层金属膜，能量低于截止能点的X射线均能被反射。弧矢方向上的球面物镜镀制基于Bragg衍射原理的窄能带X射线多层膜以实现单能性；5块球面物镜分别镀制针对5个能点工作的窄能带X射线多层膜，以同时实现多色和单能性。

像面上形成5个通道的两维成像沿同一条直线顺序排列，与条纹相机光阴极狭缝复合，可以实现时间分辨。通过微调弧矢方向上球面物镜的工作掠入射角度和空间位置，可以改变5个通道所成图像在光阴极狭缝上的间隔。

如图1所示，子午方向上的一块球面物镜(即TRM)和弧矢方向上依次排列的5块球面物镜(即M1、M2、M3、M4、M5)的成像公式如下：

$\frac{1}{u_i}+\frac{1}{v_i}=\frac{1}{u_i}+\frac{1}{M_i{u}_i}=\frac{1}{f_i}=\frac{2}{R_i{\sin \mathrm{\θ}}_i}---\left(1\right)$

式(1)中，u_i是每块球面物镜中心到物点A的距离，v_i是每块球面物镜中心到像面的距离，M_i是每块球面物镜对应的放大倍数，R_i是每块球面物镜的曲率半径。为了克服子午和弧矢方向上存在的严重像散，子午和弧矢方向上球面物镜的工作距离必须相等，即：

u+v＝u_i+v₁＝……u₆+v₆    (2)

式(2)中，u是子午方向上球面物镜(TRM)到物点A的距离，v是子午方向上球面物镜(TRM)到像面的距离。上述两式联立可以得到子午和弧矢方向上物镜的初始结构参数之间的关系为：

(1+M)²Rsinθ＝(1+M_i)²R_ssinθ_i    (3)

式(3)中，物镜M1-M5具有相同的曲率半径R_s。由图1可知，在子午方向上各个通道的X射线成像均利用了一块球面物镜(TRM)，因此依靠子午方向上的球面物镜(TRM)并不能实现多色性，而应通过在弧矢方向上的5块球面物镜上镀制针对不同能点(E1-E5)工作的X射线多层膜实现。并且为了实现单能性，X射线多层膜应在较大的掠入射角度下工作。子午方向上的球面物镜(TRM)上需要镀制全外反射原理的单层金属膜(如Cr、Ir或Au等)，此时能量低于截止能点的X射线均可通过。由于截止能点随掠入射角度的增大而降低，TRM需要在一定的掠入射角度下工作，以保证E1-E5均能通过。

由于系统基于掠入射反射式原理工作，并且弧矢方向上的球面物镜M1-M5在空间上依次排列，因此弧矢方向上的球面物镜M1-M5相互之间可能阻碍X射线的传播路径。接下来我们以前M1和M2为例对其进行分析，其它三块M3-M5的分析过程与之相同。如图2所示，只需要第二块球面物镜M2的下边缘B₂在垂直方向上高于第一块球面物镜M1上边缘B₁的入射X射线AB₁，同时又低于第一块球面物镜M1上边缘B₁的出射X射线B₁A′1，整个X射线光路就不被阻碍，即：

$m-\frac{{\mathrm{d\θ}}_2}{2}>\frac{{\mathrm{d\θ}}_1}{2}$ (B2高于AB1)    (4)

$m-\frac{d{\mathrm{\&theta;}}_2}{2}<\frac{{\mathrm{d\&theta;}}_1}{2}+2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;D}\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_1$ (B2低于B1A′1)    (5)

式(4)与(5)中，m是子午方向上是两块球面物镜中心(O₁和O₂)在垂直方向上的距离；d是球面物镜的镜长，ΔD是两块球面物镜边缘点(B₁和B₂)的间隔，α₁是球面物镜M1上边缘的工作掠入射角.由于α₁≈θ₁≈θ₂，式(4)和(5)可以简化为：

dθ₁＜m＜(d+2ΔD)·θ₁    (6)

由此可知m容许的变化范围为2ΔD·θ₁。在工作掠入射角θ₁＝2°和间隔ΔD＝1mm时，m容许的变化范围达到70微米，可以满足物镜装配和装调的需要。由图2同样可知像面上两个通道成像点的间隔ΔL为：

$\mathrm{\&Delta;L}=L_2-L_1=(\frac{m}{u_2}+2{\mathrm{\&theta;}}_2)v_2+m-2v_1{\mathrm{\&theta;}}_1$

$=(M_2+1)m+2(v_2{\mathrm{\&theta;}}_2-v_1{\mathrm{\&theta;}}_1)---\left(7\right)$

式(7)中，L₁是像点A′1到入射X射线AO₁的距离，L₂是像点A′2到入射X射线AO₂的距离。由式(6)和(3)可知，通过选择合理的结构参数，可以改变像面上成像点的间隔，以使位于条纹相机狭缝范围以内。

表1是一组设计完成的小放大倍数的多色单能X射线成像谱仪的初始结构参数。约3倍的放大倍数主要是考虑到对较低强度的自发光进行成像诊断时像面探测器响应阈值的要求。六块物镜的镜长d＝20mm，弧矢方向上五块物镜具有相同的曲率半径R＝13.5m，以降低大曲率半径超光滑物镜元件的光学加工成本。像点在狭缝上的间隔分别为6.11mm，5.60mm，5.21mm，4.73mm。

表2是一组设计完成的大放大倍数的多色单能X射线成像谱仪的初始结构参数。约15至20倍的放大倍数主要为避免X射线背光成像诊断时像面探测器像素大小对系统空间分辨率的限制。六块物镜的镜长d＝10mm，并具有相同的曲率半径R＝20m，以降低大曲率半径超光滑物镜元件的光学加工成本。像点在狭缝上的间隔分别为10.93mm，10.97mm，10.76mm，10.43mm。

表1：小放大倍数的时间分辨的多色单能X射线成像谱仪的初始结构参数

表2：大放大倍数的时间分辨的多色单能X射线成像谱仪的初始结构参数

实施例2

一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，该谱仪包括子午方向上的一块球面物镜和弧矢方向上依次排列的2块球面物镜；该谱仪的2个通道均基于Kirkpatrick-Baez(KB)结构成像，物点发出的X射线经过子午方向上的球面物镜反射后形成一维成像，随后再经过弧矢方向上依次排列的2块球面物镜反射后在像面上形成2个通道的两维成像。

子午方向上的球面物镜镀制基于全外反射原理的单层金属膜，能量低于截止能点的X射线均能被反射。弧矢方向上的球面物镜镀制基于Bragg衍射原理的窄能带X射线多层膜以实现单能性；2块球面物镜分别镀制针对2个能点工作的窄能带X射线多层膜，以同时实现多色和单能性。

像面上形成2个通道的两维成像沿同一条直线顺序排列，与条纹相机光阴极狭缝复合，可以实现时间分辨。通过微调弧矢方向上球面物镜的工作掠入射角度和空间位置，可以改变2个通道所成图像在光阴极狭缝上的间隔。

实施例3

一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，该谱仪包括子午方向上的一块球面物镜和弧矢方向上依次排列的8块球面物镜；该谱仪的8个通道均基于Kirkpatrick-Baez(KB)结构成像，物点发出的X射线经过子午方向上的球面物镜反射后形成一维成像，随后再经过弧矢方向上依次排列的8块球面物镜反射后在像面上形成8个通道的两维成像。

子午方向上的球面物镜镀制基于全外反射原理的单层金属膜，能量低于截止能点的X射线均能被反射。弧矢方向上的球面物镜镀制基于Bragg衍射原理的窄能带X射线多层膜以实现单能性；8块球面物镜分别镀制针对8个能点工作的窄能带X射线多层膜，以同时实现多色和单能性。

像面上形成8个通道的两维成像沿同一条直线顺序排列，与条纹相机光阴极狭缝复合，可以实现时间分辨。通过微调弧矢方向上球面物镜的工作掠入射角度和空间位置，可以改变8个通道所成图像在光阴极狭缝上的间隔。

Claims (4)

1.一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，其特征在于，该谱仪包括子午方向上的一块球面物镜和弧矢方向上依次排列的n块球面物镜，子午方向上的球面物镜分别与弧矢方向上的n块球面物镜构成n个通道，n为大于1的整数；

所述的n个通道均基于Kirkpatrick-Baez结构成像，物点发出的X射线经过子午方向上的球面物镜反射后形成一维成像，随后再经过弧矢方向上依次排列的n块球面物镜反射后在像面上形成n个通道的两维成像；

像面上形成n个通道的两维成像沿同一条直线顺序排列，与条纹相机光阴极狭缝复合。

2.根据权利要求1所述的一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，其特征在于，所述的子午方向上的球面物镜镀制基于全外反射原理的单层金属膜，能量低于截止能点的X射线均能被反射。

3.根据权利要求1所述的一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，其特征在于，所述的弧矢方向上的球面物镜镀制基于Bragg衍射原理的窄能带X射线多层膜；n块球面物镜分别镀制针对n个能点工作的窄能带X射线多层膜。

4.根据权利要求1所述的一种时间分辨的多色单能X射线成像谱仪，其特征在于，所述的n为2～8之间的整数。