CN103955108A - 多能点谱分辨软x射线分幅成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，该成像系统主要包括针孔阵列板、掠入射平面镜、光学调整机构、滤片、限光狭缝和记录介质等。掠入射平面镜与滤片组成X射线选能元件，每一块掠入射平面镜与一列针孔构成一个成像通道，每列针孔直径依据观测能点进行了最优设计以获得最佳空间分辨，成像结果最终利用时间分辨的分幅相机或时间积分的X光成像板等记录。该成像系统主要用于观测激光聚变、Z箍缩聚变或实验室天体物理实验中的高温高密度等离子体，一次实验即可获得具有时间分辨、二维空间分辨和光谱分辨的等离子体演化图像。与现有技术相比，具有实施难度较低、应用范围广、能区配置灵活、成像信噪比好以多能点成像特点等优点。

Description

多能点谱分辨软X射线分幅成像系统

技术领域

本发明涉及一种软X射线分幅成像系统，尤其是涉及一种基于掠入射平面镜的多能点谱分辨软X射线分幅成像系统及其应用，属于X射线成像领域。

背景技术

对于间接驱动的惯性约束聚变，黑腔辐射场均匀性直接关系到靶丸内爆对称性。从实验研究的角度，黑腔等离子体演化涉及两个重要过程：激光光斑运动和腔壁等离子体膨胀，它们既有明显区别，又相互关联，且都发生在激光能量沉积区附近。激光光斑运动直接影响靶丸辐照均匀性。腔壁等离子体高速膨胀，则可能使靶丸提前预热甚至解体，同时引起腔内密度梯度，导致临界密度面位移和激光折射，进而影响激光注入效率和靶丸辐照均匀性。鉴于惯性约束聚变使用的黑腔通常由金材料制作，为定量评估和表征黑腔辐射场均匀性，理论上必须获取金O带、N带和M带的单色或准单色等离子体时空演化图像，这就要求诊断设备必须同时具备时间分辨、二维空间分辨和光谱分辨能力。

X光分幅相机满足时空分辨要求，是激光惯性约束聚变研究的重要诊断设备，它由针孔阵列、阴极微带线、微通道板、荧光屏和皮秒脉冲发生器等组成，阴极微带线直接镀制在微通道板输入面上。相机工作时，激光等离子体产生的X射线辐射经针孔阵列成像到阴极微带线上，同时皮秒电脉冲在微带上传输，电脉冲每经过一个成像区域，相机曝光一次，最终在记录面上形成按时间顺序排布的系列二维图像。其实时间分辨约80ps，二维空间分辨优于15lp/mm，响应光谱范围为0.1-10keV。如此宽的光谱响应说明分幅相机不具备光谱选择能力，分幅相机无法直接用于定量观测黑腔辐射场均匀性。

为适应实验研究的需要，目前使用滤片（带通滤片或ROSS滤片）来获得准单能X射线，再经过针孔阵列成像到分幅相机探测面，以获得具有时空能分辨的等离子体演化图像。根据实验效果，当前技术至少存在三方面不足：第一，滤片法透过率低，分幅相机工作在动态模式下，获得的图像信号强度弱，信噪比差，噪声信号容易掩盖黑腔等离子体演化过程中的重要特征；第二，滤片单色性差，存在高能X射线尾巴，使得成像结果总是包含高温等离子体的辐射特征信息；第三，较软X射线波段（<1keV）的滤片制作难度很大，滤片厚度通常为亚微米量级，实验中容易被靶解体碎片破坏，极大地影响实验效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有诊断技术存在的缺陷而提供一种基于掠入射平面镜的多能点谱分辨软X射线分幅成像系统及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，该成像系统包括针孔阵列板、掠入射平面镜、光学调整机构、滤片、限光狭缝和记录介质；所述针孔阵列板上排布了多列成像针孔，每列针孔与一块掠入射平面镜构成一个成像通道；所述掠入射平面镜安装在光学调整机构上；目标靶发出的X光经针孔成像后，辐照到掠入射平面镜上，满足特定掠射角条件的光线被镜面反射出来，通过限光狭缝，最终成像到记录介质上，成像画幅数与针孔数目相同。

所述的针孔阵列板包括基板和按一定规则排布在基板上的针孔阵列，所述的基板为钽薄片或钨薄片或金薄片，其厚度不大于50微米，所述的针孔阵列是通过激光打孔或光刻的方法在上述基板上形成按阵列规则排布的多个贯穿通孔，所述的通孔直径依据X射线观测能点进行最优设计，以获得最佳空间分辨。

所述的掠入射平面镜表面镀制了光谱选择性薄膜，所述的薄膜可以是单层膜也可以是多层膜。

所述的单层膜掠入射平面镜光谱选择原理基于掠入射X射线全反射原理，具有高能X射线截止功能。

所述的多层膜掠入射平面镜光谱选择原理基于掠入射X射线Bragg衍射原理。

所述的掠入射平面镜数量为1块或2块或4块。

所述的光学调整机构为掠入射平面镜的支撑底座，使掠入射平面镜具有位置与姿态调整功能，所述的位置与姿态调整包括二维平移、俯仰和方位调整。

所述的滤片其厚度介于0.05微米至10微米之间，厚度较厚时采用单一材料薄片，厚度较薄时制作于CH膜或C膜衬底上。

所述的限光狭缝位于X射线光束交叉处，采用重金属材料制作，厚度不小于3毫米，狭缝宽度介于1毫米至5毫米之间。

所述的记录介质为X光成像板、胶片或CCD时，获得时间积分的二维成像结果；所述的记录介质为分幅相机时，获得时间分辨的等离子体二维演化图像。

多能点谱分辨软X射线分幅成像系统的应用，该系统应用于激光聚变、Z箍缩聚变和实验室天体物理实验中的等离子体诊断，目的是研究等离子体时间、空间和能谱的演化规律。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1. 本发明提出的多能点谱分辨软X射线分幅成像系统及其应用，基于成熟的门控针孔分幅成像技术，仅通过在成像光路增加掠入射平面镜，即可使系统具备时间分辨、二维空间分辨和光谱分辨能力，合理降低了实施难度，提高了系统实用性。本发明是对分幅相机诊断能力的极大提升。

2. 本发明的掠入射平面镜数量最多可达到4块，对应4个X射线选能通道，因此系统具有多能点成像特点。

3. 本发明的掠入射平面镜表面薄膜可灵活配置，能适应不同物理实验对观测能点的特殊需求，应用范围较广。

4. 本发明的掠入射平面镜表面薄膜为单层膜时，可完全消除高能X射线尾巴的影响，大幅提高成像信噪比，可应用于等离子体能带辐射的观测实验；掠入射平面镜表面薄膜为多层膜时，光谱分辨本领至少提高数倍，可应用于等离子体背光照相或自发辐射的单能观测实验。

5. 本发明的针孔阵列通孔直径依据观测能点进行了最优设计，可使系统获得最佳空间分辨，有利于克服像模糊的问题，提高成像质量。

附图说明

图1为实施例1中三通道谱分辨软X射线分幅成像系统的光路结构示意图；

图2为实施例1中的针孔阵列排布示意图；

图3为实施例1中的分幅相机记录面成像区域排布示意图；

图4为实施例1中通道1和通道2的X射线选能曲线；

图5为实施例1中通道3的Be滤片X射线透过率曲线；

图6为实施例1中利用成像板作为记录介质获得的成像结果；

图7为实施例2中四通道谱分辨软X射线分幅成像系统的掠入射平面镜排布示意图；

图中：1.目标物体    2.针孔阵列板     3.通道1掠入射平面镜     4.通道1光学调整机构     5.通道2掠入射平面镜     6.通道2光学调整机构     7.限光狭缝     8.滤片组件     9.记录介质     10.通道1光线     11.通道2光线     12.通道3光线     13.分幅相机微带     14.针孔阵列板基板     15.通道1选能曲线     16.通道2选能曲线     17.Be滤片透过率曲线     18.四通道系统第一掠入射平面镜基底     19.四通道系统第二掠入射平面镜基底     20.四通道系统通道1光线     21.四通道系统通道2光线     22.四通道系统通道4光线     23.四通道系统通道3光线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例为三通道谱分辨软X射线分幅成像系统，设计了三个成像通道，目的是对目标等离子体实现三能点观测。该成像系统主要用于观测惯性约束聚变或Z箍缩聚变中高温高密度等离子体时间、空间和能谱的演化过程。如图1所示，该成像系统由成像目标物体1、针孔阵列板2、通道1掠入射平面镜3、通道1光学调整机构4、通道2掠入射平面镜5、通道2光学调整机构6、限光狭缝7、滤片8和记录介质9等组成。

对于通道1，其成像过程为：目标物体1发出的宽谱X光10经针孔成像后，辐照到单层膜掠入射平面镜3上，满足掠入射条件的光线通过镜面反射出来（不满足掠入射条件的光线则被镜面吸收），至此完成X射线的“低通滤波”，反射光线继续传播，通过滤片8又完成X射线的“高通滤波”，滤波后的准单能光线最终成像到记录介质9上。对于通道2，其成像过程与通道1类似：目标物体1发出的宽谱X光11经针孔成像后，辐照到单层膜掠入射平面镜5上，满足掠入射条件的光线通过镜面反射出来（不满足掠入射条件的光线则被镜面吸收），至 “高通滤波”，滤波后的准单能光线最终成像到记录介质9上。

对于通道3，与通道1和通道2的不同之处在于成像光路中无掠入射平面镜，仅通过滤片8来完成X光12的“高通滤波”，故通道3为较硬X射线成像通道，获得的成像结果也总是包含高能X射线辐射信息。每通道成4幅图像，在记录面上共可获得12分幅图像。若采用分幅相机作为记录介质9，成像区域在微带13上的分布如图2所示，分幅相机为四微带结构，微带13与通道呈正交排布关系，每条微带上成3幅不同能点的像。

针孔阵列为系统的成像元件，是成像系统空间分辨率最主要的决定因素。对于激光惯性约束聚变物理实验中的针孔成像系统，为获得较好的空间分辨效果，其针孔直径通常小于30um，此时软X射线容易发生衍射，在像面上形成衍射斑，针孔越小，衍射光斑就越大。因此必须综合考虑几何分辨和衍射分辨的影响，系统的综合空间分辨表述为：

                       （1）

式中，R_g为系统几何分辨，R_d为系统衍射分辨，λ为X射线波长，d为针孔直径，u和M分别为成像系统物距和放大倍数。对式1求导，令，可得空间分辨R在极小值时对应的最佳针孔直径d_min与最佳空间分辨R_min，

                                                                     （2）

                                                          （3）

本实例有三个能量通道，为获得最佳空间分辨，据式2，三个通道必须设计三种对应的最佳孔径。本实例中，取放大倍数M=5，物距u=88.3mm，通道1观测峰值能点为550eV；通道2观测峰值能点为750eV；通道3观测X射线能量大于2keV。将上述数据代入式2和式3，可得到系统的最佳针孔直径和最佳空间分辨，结果如表1所示。最终设计的针孔阵列如图3所示，通过激光打孔或光刻的方法在针孔阵列基板14上形成按3×4阵列规则排布的多个贯穿通孔。

表1

 所述通道1的掠入射平面镜3为Al平面镜，制作方法是在光洁度性能优越的K9玻璃表面镀制Al薄膜（厚度为100-500nm）。在3°掠入射角下，Al平面镜与滤片的组合选能曲线15如图4所示，采用的滤片为200nm厚的Al箔片。由图可知，通道1的观测峰值能点为550eV，谱分辨E/ΔE=2.3。

所述通道2的掠入射平面镜5为Cu平面镜，制作方法是在光洁度性能优越的K9玻璃表面镀制Cu薄膜（厚度为100-500nm）。在3°掠入射角下，Cu平面镜与滤片的组合选能曲线16如图4所示，采用的滤片为800nm厚的Al箔片。由图可知，通道2 的观测峰值能点为750eV，谱分辨E/ΔE=3。

所述通道3的成像光路中无掠入射平面镜，采用100μm厚的Be滤片来截止低能X射线，其透过率曲线17如图5所示，由图可知，通道3的观测X射线能量E>2keV，可用于诊断Au等离子体冕区辐射。

本发明设计了掠入射平面镜的光学调整机构，所述调整机构具有四个调整自由度，分别为沿镜面切向与法向的二维平移调整、俯仰调整和方位调整，可以实现掠入射平面镜位置和姿态的高精度调整。所述的调整其目的是使X射线按照3°掠射角要求辐照到镜面上，掠射角误差小于0.01°，以选择需求的X射线光谱，并获得最大的反射光强度，同时成像结果按照图3所示排布于成像面上。

本实例的限光狭缝7位于X射线光束交叉处，采用重金属材料制作，厚度不小于3毫米，狭缝宽度介于1毫米至5毫米之间。

本发明的记录介质9可以是X光成像板、胶片或CCD，也可以是分幅相机。图6为采用X光成像板获得的实验结果，X射线源利用激光打靶的方式产生，实验条件如下：激光能量为3J，脉冲宽度1.1ns，光波长1064nm，靶为Cu平面靶，激光与成像系统间夹角为45°。获得的等离子体分幅图像是时间积分的，通道1观测峰值能点为550eV；通道2观测峰值能点为750eV；通道3观测X射线能量大于2keV。采用分幅相机作为记录介质9的目的是获得时间分辨的等离子体演化图像。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，该系统为四通道系统，针孔阵列为4×4阵列，所有通道的成像光路中均设置了掠入射平面镜，如图7所示，每通道成4幅图像，在记录面上共可获得16分幅图像。本实例特点在于，四通道系统仅使用两块掠入射平面镜基底（包括第一平面镜基底18和第二平面镜基底19）即实现四通道成像功能，通道1的X光20照射到第一平面镜基底18正面，通道2的X光21照射到第一平面镜基底18反面，通道3的X光23照射到第二平面镜基底19正面，通道4的X光22照射到第二平面镜基底19反面。每块掠入射平面镜基底正面及反面的表面均镀制了光谱选择性薄膜，所述的薄膜可以是单层膜也可以是多层膜。

Claims (8)

1.一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，该成像系统包括针孔阵列板、掠入射平面镜、光学调整机构、滤片、限光狭缝和记录介质；所述针孔阵列板上排布了多列成像针孔，每列针孔与一块掠入射平面镜构成一个成像通道；所述掠入射平面镜安装在光学调整机构上；目标靶发出的X光经针孔成像后，辐照到掠入射平面镜上，满足特定掠射角条件的光线被镜面反射出来，通过限光狭缝，最终成像到记录介质上，成像画幅数与针孔数目相同。

2.根据权利要求1所述的一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，所述的针孔阵列板包括基板和按一定规则排布在基板上的针孔阵列，所述的基板为钽薄片或钨薄片或金薄片，其厚度小于50微米。

3.根据权利要求2所述的一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，所述的针孔阵列是通过激光打孔或光刻的方法在上述基板上形成按阵列规则排布的多个贯穿通孔。

4.根据权利要求1所述的一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，所述的掠入射平面镜表面镀制有光谱选择性薄膜，所述的薄膜是单层膜或多层膜。

5.根据权利要求4所述的一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，所述的掠入射平面镜数量为1块、2块或4块。

6.根据权利要求1所述的一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，所述的光学调整机构为掠入射平面镜的支撑底座，使掠入射平面镜具有位置与姿态调整功能，所述的位置与姿态调整包括二维平移、俯仰和方位调整。

7.根据权利要求1所述的一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，所述的滤片其厚度为0.05微米至10微米。

8.根据权利要求1所述的一种多能点谱分辨软X射线分幅成像系统，其特征在于，所述的记录介质为X光成像板、分幅相机、胶片或CCD。