CN104582225B - 用于激光等离子体时空谱诊断的x射线光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构，该光学结构由子午方向上一对单层膜球面镜和弧矢方向上一块多层膜球面镜构成，子午方向上的一对单层膜球面镜均镀制基于全外反射原理的金属单层膜，以在大视场内获得均匀的反射率，弧矢方向上的多层膜球面镜镀制基于布拉格衍射原理的X射线周期多层膜，以实现对激光等离子体X射线的能谱选择。与现有技术相比，本发明通过上述的光学结构，在具备一定能谱分辨的同时，解决了现有KB型和KBA型X射线光学系统在几个keV能点工作时存在的有效集光效率随视场增大而迅速下降，有效视场受限的问题。

Description

用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构

技术领域

本发明属于X射线光学系统领域，涉及一种光学结构，尤其是涉及一种用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构。

背景技术

对激光等离子体进行X射线成像诊断是激光惯性约束聚变(ICF)研究的重要内容。将具备空间分辨能力的X射线光学系统与时间分辨能力的信号记录设备(如条纹相机等)结合，并配合分光元件(如X射线多层膜等)，可以获得激光等离子体的时间、空间、能谱特性等重要的物理信息。X射线光学系统配合条纹相机是其中一种重要的诊断手段，可以截取激光等离子体在一维方向上的空间分布及其动态演化行为。目前常用的X射线光学系统主要是基于掠入射反射成像原理的Kirkpatrick-Baez显微镜(KB显微镜)及改进型KB显微镜(如KBA显微镜)。KB显微镜由两块正交放置的球面反射镜(S1、S2)构成，分别在子午和弧矢方向上实现聚焦，校正了单块球面反射镜在掠入射情况下的严重像散，光路结构如图1。KB显微镜虽然校正了像散，但并没有校正球差，同时存在严重的像场倾斜问题，因此KB显微镜仅能在百微米量级的视场范围实现优于5微米的高空间分辨。KBA显微镜是在KB显微镜的基础上，在子午和弧矢上各多引入一块球面镜组成双反镜结构(M1与M2、M3与M4)，可以有效校正球差和视场倾斜等像差，高空间分辨的有效视场扩展至毫米级，光路结构如图2。在KB显微镜或KBA显微镜的物镜反射面镀制基于布拉格衍射的X射线周期多层膜作为分光元件，可以在保证空间分辨的同时实现一定的能谱分辨。

新一代强激光装置靶丸尺度的增加和诊断需求的提高，对X射线光学系统提出了新的要求，主要表现在诊断视场增大(毫米量级)，工作能点提高(几个keV)，并要求一定的能谱分辨。KBA显微镜虽然具备大视场高分辨的成像特性，但是当推进到几个keV能点(如4.3keV的Sc类He线)工作时，仍然存在无法解决的局限。首先，为实现一定的能谱分辨，KBA显微镜的物镜反射面必须镀制X射线周期多层膜，X射线周期多层膜在特定的掠入射角θ₀下具有较高的反射率，但是其角度带宽很窄。KBA系统虽然在中心视场(对应中心掠入射角θ₀)具有获得较高的集光效率，但是视场偏离使得掠入射角发生明显变化，造成非中心视场的集光效率因为掠入射角偏离角度带宽范围而迅速降低，从而限制了KBA系统实际能够成像的有效视场范围。其次，KBA结构同一方向上的两块反射镜互为光阑，因此在非中心视场位置存在的渐晕也造成集光效率的迅速降低。另外，由于条纹相机是一维方向上的图像信息在时间分辨方向上的展开，因此要求KBA系统的成像具有较高的信号强度。现有KBA结构基于四次反射成像，因此在几个keV能点工作时，入射X射线在经过周期多层膜四次反射后的总体反射率也会明显降低，特别在非中心视场。

综上所述，现有周期多层膜KBA显微镜在用于几个keV能点激光等离子体的时空谱诊断时，存在着有效视场范围受限和集光效率低等瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有周期多层膜KBA显微镜存在的上述问题，而提出了一种用于激光等离子体时空谱诊断的具备大视场高分辨特性的X射线光学结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构，该光学结构由子午方向上一对单层膜球面镜和弧矢方向上一块多层膜球面镜构成，通过子午方向上的一对球面镜获得大视场高空间分辨的成像特性。

所述的单层膜球面镜是在球面镜上镀制基于全外反射原理的金属单层膜构成的，一对单层膜球面镜用以在大视场内获得均匀的反射率。

所述的多层膜球面镜是在球面镜上镀制基于布拉格衍射原理的X射线周期多层膜构成的，多层膜球面镜用以实现对激光等离子体X射线的能谱选择。

进一步地，所述的金属单层膜为Ir膜。所述的X射线周期多层膜为周期数为20的W/B₄C周期多层膜。

为实现大视场内的高空间分辨，该结构在子午方向上仍基于KBA成像原理，但是在两块球面镜的反射面均镀制基于全外反射原理的金属单层膜，金属单层膜在低于X射线全外反射临界角的角度变化范围内均具有较高的反射率，因此视场变化对集光效率的影响并不显著。在实际的诊断应用时，条纹相机的光阴极狭缝方向(即空间成像方向)与本发明X射线光学结构的子午方向一致。本发明X射线光学结构的弧矢方向对应条纹相机的时间扫描方向(即光阴极狭缝的垂直方向)，该方向对光学结构的空间分辨能力要求不高，因此本发明在弧矢方向采用基于KB成像原理的单块球面镜。为实现一定的能谱分辨，本发明的X射线光学结构在弧矢方向的单块球面镜反射面上镀制X射线周期多层膜，由于单块球面镜的工作距离更长，掠入射角随视场变化的改变并不明显，因此在较大的视场范围内均具有较高的集光效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)同时具备了大视场高分辨和能谱分辨的能力。本发明提出的X射线光学结构通过子午方向的一对球面镜获得高空间分辨。在该对球面镜的反射面镀制金属单层膜，实现了大视场范围内较均匀的反射效率，因此扩展了系统的有效视场范围。本发明提出的X射线光学结构通过在弧矢方向的球面镜反射面镀制周期多层膜镜，实现了对几个keV能点X射线的能谱分辨。

(2)针对几个keV能点X射线具有更高的反射效率。本发明提出的X射线光学结构由三块球面镜构成，因此入射X射线在镜面的反射次数由现有KBA显微镜的四次减少为三次，具有更高的反射效率，因此在配合条纹相机工作时具有更高的成像信号强度。

附图说明

图1为KB系统的光路结构示意图；

图2为KBA系统的光路结构示意图；

图3为X射线光学结构的光路结构示意图；

图4为X射线光学结构在子午和弧矢面的投影视图；

图5为实施例光学系统的空间分辨率和几何集光效率随视场的变化图；

图6为实施例针对4.3keV设计的子午方向两块物镜(T1、T2)采用的Ir单层膜和弧矢方向单块物镜(T3)采用的W/B4C周期多层膜的反射率随掠入射角变化的曲线图；

图7为实施例在1.2°的掠入射角下弧矢方向物镜(T3)采用的W/B4C周期多层膜的能谱响应图。

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

一种用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构，如图3所示，图中，B表示条纹相机，t和h分别是条纹相机的时间扫描方向和空间成像方向。该光学结构由子午方向上一对单层膜球面镜T1、T2和弧矢方向上一块多层膜球面镜T3构成，通过子午方向上的一对球面镜获得大视场高空间分辨的成像特性。

单层膜球面镜T1、T2是在球面镜上镀制基于全外反射原理的金属单层膜构成的，其中金属单层膜为Ir膜。一对单层膜球面镜用以在大视场内获得均匀的反射率。多层膜球面镜T3是在球面镜上镀制基于布拉格衍射原理的X射线周期多层膜构成的，其中X射线周期多层膜为周期数为20的W/B₄C周期多层膜，多层膜球面镜用以实现对激光等离子体X射线的能谱选择。

为实现大视场内的高空间分辨，该结构在子午方向上仍基于KBA成像原理，但是在两块球面镜的反射面均镀制基于全外反射原理的金属单层膜，金属单层膜在低于X射线全外反射临界角的角度变化范围内均具有较高的反射率，因此视场变化对集光效率的影响并不显著。在实际的诊断应用时，条纹相机的光阴极狭缝方向(即空间成像方向h)与本发明X射线光学结构的子午方向一致。本发明X射线光学结构的弧矢方向对应条纹相机的时间扫描方向(即光阴极狭缝的垂直方向t)，该方向对光学结构的空间分辨能力要求不高，因此本发明在弧矢方向采用基于KB成像原理的单块球面镜。为实现一定的能谱分辨，本发明的X射线光学结构在弧矢方向的单块球面镜反射面上镀制X射线周期多层膜，由于单块球面镜的工作距离更长，掠入射角随视场变化的改变并不明显，因此在较大的视场范围内均具有较高的集光效率。

本实施例适用于4.3keV能点激光等离子体的大视场高分辨时空谱诊断。物点A发出的X射线依次经过子午方向的一对单层膜球面镜T1、T2，再通过弧矢方向的一块多层膜球面镜T3成像在条纹相机的光阴极狭缝位置(A’处)。如图4所示，本发明的X射线光学结构在子午方向上的成像公式为：

其中，u_t和v_t分别表示子午方向的物距和像距，M_t、θ_t、f_t分别是子午方向的放大倍率，工作掠入射角度和焦距，R_t是镜子的曲率半径(弧矢方向下标为s)。

为实现子午和弧矢方向的像散补偿，系统子午和弧矢方向的物像距(C)应相等：

u_t+v_t＝u_s+v_a＝C (2)

弧矢方向基于传统KB成像原理，通过多层膜球面镜T3的聚焦成像来提高集光效率，并采用周期多层膜以实现能谱分辨。通过弧矢方向的成像公式(3)推出弧矢方向的结构参数。

弧矢方向：

本实施例的X射线光学结构的参数选取流程如下：首先，由式(1)并根据具体的ICF物理实验对空间分辨率、工作能点和工作距离等指标的要求，确定子午方向的初始结构参数(如放大倍数M_t、掠入射角θ_t和曲率半径R_t等)；其次，由式(2)确定系统的物像距C；最后，由式(3)并根据ICF物理实验对能谱分辨率等指标的要求，确定弧矢方向的初始结构参数(如掠入射角θ_s和曲率半径R_s)。最终得到的本实施例的光学结构参数如表1所示。

表1：本实施例的光学结构参数

子午方向的放大倍率M_t=20，主要是避免条纹相机像素尺寸对最终空间分辨率的制约。通过光线追迹模拟得到实施例的光学结构的空间分辨率和几何集光效率如图5所示，其中虚线为空间分辨率随视场的变化曲线，实线为几何集光效率随视场的变化曲线。由图5可以看出，在±0.3mm的视场内本实施例的光学结构在子午方向的空间分辨率均明显优于5μm。

为实现子午方向上均匀的反射效率，本实施例针对4.3keV能点在子午方向两块物镜T1和T2的反射面镀制了单层Ir膜；为实现能谱分辨，本实施例在弧矢方向的物镜T3的反射面镀制了W/B4C周期多层膜。

表2：单层Ir膜和W/B4C周期多层膜的膜系结构参数

表2是所镀制的单层Ir膜和W/B4C周期多层膜的膜系结构参数。图6中虚线和实线分别是4.3keV能点下利用表2结构参数模拟得到的单层Ir膜和W/B₄C周期多层膜的反射率随掠入射角的变化曲线。可以看出，4.3keV能点时单层Ir膜在0.757°掠入射角的反射率达到了65％，并且在较大的角度范围内均有较高且平缓变化的反射率，从而保证了本实施例的光学结构在大成像视场内有效集光效率的均匀性。4.3keV能点W/B4C周期多层膜在1.2°掠入射角的反射率也达到了70％。通过光线追迹可以得到4.3keV能点下本实施例的有效集光效率在-0.4mm～+0.6mm视场内都优于2×10^-7sr。

结合图5可知，本实施例的X射线光学结构在±0.3mm成像视场内的有效集光效率均显著高于2×10^-7sr，并且±0.3mm成像视场对应的空间分辨率也优于5μm。另外，本实施例的X射线光学结构还具备一定的能谱分辨，图7是W/B4C周期多层膜在1.2°掠入射角下的能谱分辨曲线，其能谱半峰宽约为0.5keV。综上可以看出，本实施例的X射线光学结构同时具备了在大视场范围内的高空间分辨和高集光效率，并实现了能谱分辨。

为了说明本实施例的技术优势，将实施例与现有的周期多层膜KBA系统进行对比。表3是在子午方向与实施例相同的周期多层膜KBA系统的光学结构参数。表4是在4.3keV能点下针对表3中结构参数设计的W/B4C周期多层膜的膜系结构参数。

表3：在子午方向与实施例相同的周期多层膜KBA系统的光学结构参数

表4：在4.3keV能点下针对表3中结构参数设计的W/B4C周期多层膜的膜系结构参数

光线追迹得到4.3keV能点下周期多层膜KBA系统的有效集光效率仅在-0.1mm～+0.1mm视场内优于2×10^-7sr。因此，现有的周期多层膜KBA系统在4.3keV能点的有效集光效率随视场变化非常明显，有效集光效率高于2×10^-7sr的视场范围仅在百微米量级。对比实施例X射线光学系统和周期多层膜KBA系统的有效视场可知，4.3keV能点时，本实施例的X射线光学结构在有效集光效率和成像视场范围等关键指标上，较现有的周期多层膜KBA系统均具有明显优势。

Claims (1)

1.一种用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构，其特征在于，该光学结构由子午方向上一对单层膜球面镜和弧矢方向上一块多层膜球面镜构成；

所述的单层膜球面镜是在球面镜上镀制基于全外反射原理的金属单层膜构成的，一对单层膜球面镜用以在大视场内获得均匀的反射率，所述的金属单层膜为Ir膜；

所述的多层膜球面镜是在球面镜上镀制基于布拉格衍射原理的X射线周期多层膜构成的，多层膜球面镜用以实现对激光等离子体X射线的能谱选择，所述的X射线周期多层膜为周期数为20的W/B₄C周期多层膜。