CN106706157A - 一种基于准同视轴的icf热斑电子温度探测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，所述的探测设备包括子午方向的两块球面物镜、弧矢方向的一块复合球面物镜和X射线的成像板，所构成的两个通道基于Kirkpatrick‑Baze（KB）镜结构成像；惯性约束聚变ICF中热斑发出的X射线经过子午方向的球面物镜反射后形成两个一维成像，而后再经过弧矢方向的复合球面物镜反射后在像面即X射线成像板上形成两个二维成像，结合系统标定数据并对比两个图像的强度，即可得出热斑电子温度的二维分布绝对量。本发明能够实现准同视轴探测，不受不同探测通道间视角差异所引入的视场差别的显著影响，且具有高空间分辨、高集光效率优势，在无需掺杂的情况下给出热斑电子温度的二维结果，具有广阔而重要的应用前景。

Description

一种基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备

技术领域

本发明属于电子温度探测领域，具体涉及一种基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备。

背景技术

惯性约束聚变（ICF）靶丸内爆压缩的最终目标是热斑物质达到高的温度和高的面密度，热斑的温度和面密度是聚变点火的重要判断依据。其中温度是产生聚变反应所需的必要条件，只有达到一定的温度，聚变反应才可能发生。因此对电子温度的精确探测是研究潜含在热斑状态下物理问题的基础之一，更是研究聚变点火的重点和难点。

而现有诊断技术及设备存在着以下不足：1、现有各种多通道电子温度探测设备在观测靶点同一位置时，由不同通道之间视角差异，所引入的视场差别难以规避。2、电子温度探测设备主要利用针孔或者狭缝提供空间分辨，但针孔或狭缝成像，空间分辨率（约10μm）与集光效率（约10^-9sr量级）较低，对于诸如神光III主机大型激光装置热斑70μm～100μm的典型尺寸及较低的X光发射强度而言，显得不足。3、目前国际上通常在热斑中掺杂少量的中高Z元素，通过测量掺杂元素的谱线来给出热斑电子温度，而掺杂元素的辐射制冷效应是不可忽视的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备。

本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，其特点是，所述的ICF热斑电子温度探测设备包括位于子午方向、反射面相对的球面物镜Ⅰ和球面物镜Ⅱ，位于弧矢方向、反射面向上的复合球面物镜Ⅲ和X射线的成像板；热斑通过间接或直接驱动惯性约束聚变ICF靶丸内爆获得，热斑发射的X射线沿光路Ⅰ入射到球面物镜Ⅰ反射至复合球面物镜Ⅲ的反射面Ⅰ后截取能量带E₁的X射线，在成像板上成像为二维的单能像Ⅰ，球面物镜Ⅰ的反射面和复合球面物镜Ⅲ的反射面Ⅰ构成一个Kirkpatrick-Baze 镜通道即KB镜通道Ⅰ；所述的热斑发射的X射线沿光路Ⅱ入射到球面物镜Ⅱ反射至复合球面物镜Ⅲ的反射面Ⅱ后截取能量带E₂的X射线，在成像板上成像为二维的单能像Ⅱ，球面物镜Ⅱ的反射面和复合球面物镜Ⅲ的反射面Ⅱ构成另一个KB镜通道Ⅱ；所述的单能像Ⅰ和单能像Ⅱ的信号传输至激光磷屏分析仪进行识别，之后通过数据处理获得热斑的二维电子温度；

所述的复合球面物镜Ⅲ的中心位于球面物镜Ⅰ和球面物镜Ⅱ的对称面上，成像板的竖直对称面与球面物镜Ⅰ和球面物镜Ⅱ的对称面重合；

所述的反射面Ⅰ和反射面Ⅱ上分别涂覆有窄能带X光多层膜。

所述的热斑和球面物镜Ⅰ的中心的连线Ⅰ与热斑和球面物镜Ⅱ的中心的连线Ⅱ的夹角θ，即两个通道相对热斑的夹角θ，夹角θ所引入的最大视场几何差别小于KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨的二分之一。

所述的球面物镜Ⅰ和球面物镜Ⅱ的反射面上涂覆有单层金属膜。

所述的反射面Ⅰ上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带E₁的X光多层膜，反射面Ⅱ上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带E₂的X光多层膜。

所述的能量带E₁和能量带E₂的宽度小于等于0.5keV，能量带E₁和能量带E₂之间的间隔大于0.5keV。

本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备的工作过程如下：

惯性约束聚变ICF中内爆热斑发出高能X射线，该X射线经过子午方向的球面物镜Ⅰ和球面物镜Ⅱ反射，仅有低于能量带E₁和能量带E₂的不同截止能点的X射线被反射，形成两个一维成像，而后再经过弧矢方向的复合球面物镜Ⅲ反射后在像面即X射线的成像板上形成两个通道的二维单能成像。所获得的X光二维的单能像Ⅰ和单能像Ⅱ由成像板记录，利用激光磷屏分析仪扫描成像板，即可得到该X光二维的单能像Ⅰ和单能像Ⅱ的二维分布图像。结合两个KB镜通道以及成像板的标定数据，通过对比两个图像的强度，即可得出热斑电子温度的二维分布绝对量。由于两个通道相对热斑的夹角θ所引入的最大视场几何差别小于KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨的二分之一，通道间的视场差别得到有效规避，因而所得结果为准同视轴的热斑电子温度信息。

本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备能够实现准同视轴的ICF热斑电子温度定量探测，空间分辨率达到3μm -5μm，集光效率达到10^-11～10^-12sr量级，可探测到高空间分辨热斑电子温度。本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备还可直接对ICF热斑氘氚燃料轫致发射X射线进行测量，无需掺杂，避免辐射制冷效应，具有广阔且重要应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备的结构示意图。

图中，1.热斑 2.球面物镜Ⅰ 3.球面物镜Ⅱ 4. 复合球面物镜Ⅲ 5.成像板 6.单能像Ⅰ 7.单能像Ⅱ 8.反射面Ⅰ 9.反射面Ⅱ。

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

如图1所示，本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备包括位于子午方向、反射面相对的球面物镜Ⅰ2和球面物镜Ⅱ3，位于弧矢方向、反射面向上的复合球面物镜Ⅲ4和X射线的成像板5；热斑1通过间接驱动惯性约束聚变ICF靶丸内爆获得，热斑1发射的X射线沿光路Ⅰ入射到球面物镜Ⅰ2反射至复合球面物镜Ⅲ4的反射面Ⅰ8后截取能量带E₁的X射线，在成像板5上成像为二维的单能像Ⅰ6，球面物镜Ⅰ2的反射面和复合球面物镜Ⅲ4的反射面Ⅰ8构成一个Kirkpatrick-Baze 镜通道即KB镜通道Ⅰ；所述的热斑1发射的X射线沿光路Ⅱ入射到球面物镜Ⅱ3反射至复合球面物镜Ⅲ4的反射面Ⅱ9后截取能量带E₂的X射线，在成像板5上成像为二维的单能像Ⅱ7，球面物镜Ⅱ3的反射面和复合球面物镜Ⅲ4的反射面Ⅱ9构成另一个KB镜通道Ⅱ；所述的单能像Ⅰ6和单能像Ⅱ7的信号传输至激光磷屏分析仪进行识别，之后通过数据处理获得热斑1的二维电子温度；

所述的复合球面物镜Ⅲ4的中心位于球面物镜Ⅰ2和球面物镜Ⅱ3的对称面上，成像板5的竖直对称面与球面物镜Ⅰ2和球面物镜Ⅱ3的对称面重合；

所述的反射面Ⅰ8和反射面Ⅱ9上分别涂覆有窄能带X光多层膜。

所述的热斑1和球面物镜Ⅰ2的中心的连线Ⅰ与热斑1和球面物镜Ⅱ3的中心的连线Ⅱ的夹角θ，即两个通道相对热斑的夹角θ，夹角θ所引入的最大视场几何差别小于KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨的二分之一。

所述的球面物镜Ⅰ2和球面物镜Ⅱ3的反射面上涂覆有单层金属膜。所述的球面物镜Ⅰ2的反射面上涂覆的单层金属膜的材料为钼，球面物镜Ⅱ3的反射面上涂覆的单层金属膜的材料为铜。

所述的反射面Ⅰ8上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带E₁的X光多层膜，反射面Ⅱ9上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带E₂的X光多层膜。

所述的能量带E₁和能量带E₂的宽度小于等于0.5keV，能量带E₁和能量带E₂之间的间隔大于0.5keV。

本实施例中KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨是3μm～5μm，成像放大倍数是7.5，之间的夹角θ是0.9°，由于采用了复合球面物镜的设计从而节省空间，因而能够达到0.9°。子午方向的球面物镜Ⅰ 2和球面物镜Ⅱ 3以及弧矢方向的复合球面物镜Ⅲ 4均是5mm大小，X射线的成像板5是15cm大小。基于KB镜基本原理，KB镜通道Ⅰ对热斑1发出的能量带E₁为3.5±0.25keV X 射线进行二维单能成像，所成像为X光二维的单能像Ⅰ6。基于KB镜基本原理，KB镜通道Ⅱ对热斑1发出的能量带E₂为8±0.25keV X 射线进行二维单能成像，所成像为X光二维的单能像Ⅱ 7。神光III主机大型激光装置上间接驱动ICF靶丸内爆过程中典型热斑1尺寸为70μm～100μm。

本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，要求对热斑获取准同视轴内两个能量带的谱线强度。对于ICF内爆热斑单位质量的谱能辐射为：

（1）

其中，是电荷，是电子质量，是光速，是原子序数，是电子密度，是玻尔兹曼常量，是电子温度，是质量数，是质子质量，是普朗克常量，是频率，此时有：

（2）

及：

（3）

也就是说，只要探测到热斑上两种不同谱线的强度，就可以根据上述公式给出电子温度，然而是与位置密切相关的，即，也就是以及必须来自同一个点（x，y）。然而目前多通道电子温度诊断设备在观测靶点同一位置时，由不同通道之间视角差异，所引入的视场几何差别将会带来，这个视场差既不仅包括二维投影截面几何差异，还包括垂直于截面的空间探测路径差异，因而难以得到电子温度的精确结果。

这里提出将上述视场差最大值规避到KB显微镜空间分辨S的二分之一（取二分之一的原因是空间分辨带宽是以视轴为中心线对称分布的）以下，因此得出，进而得出电子温度的精确结果，从而实现准同视轴的ICF热斑电子温度定量探测。

在神光III主机大型激光装置上，目前常用较高空间分辨的多通道热斑电子温度探测设备各通道间最小视角差为5.45°，由此引入的视场几何差别为3.65μm～5.20μm，并且大于了KB镜的空间分辨二分之一范围1.5μm～2.5μm，因而难以得到电子温度的精确结果。而本发明的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备中两个通道间视角差异的夹角θ为0.9°，其所引入的视场几何差别为0.56μm～0.79μm，并且小于了KB镜的空间分辨二分之一范围1.5μm～2.5μm，因此有效规避了视场差别的显著影响，定义了准同视轴概念，同时结合KB镜高集光效率、高空间分辨等优势，直接测量热斑1氘氚燃料轫致发射X射线，无需热斑掺杂，给出电子温度二维分布的精确信息，实现准同视轴的ICF热斑电子温度定量探测，为研究诸如惯性约束聚变ICF内爆热斑重要物理状态密切相关参数以及电子温度及其与热斑几何之间的关系等物理问题做出了有益的探索。

假定P是基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备对热斑1所成X光二维的单能像上每一个点的强度，是X射线的成像板5的谱响应，是KB镜通道的谱响应，则，因此，对于本实施例则，从而得出准同视轴的ICF内爆热斑电子温度二维分布的精确信息。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的热斑1通过直接驱动惯性约束聚变ICF靶丸内爆获得，所述的球面物镜Ⅰ2的反射面上涂覆的单层金属膜的材料为金，球面物镜Ⅱ3的反射面上涂覆的单层金属膜的材料为钼。所述的两个通道相对热斑的夹角θ为0.7°，所述的热斑1发出的能量带E₂为12±0.25keV，能量带E₁为4.2±0.25keV。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，其特征在于，所述的ICF热斑电子温度探测设备包括位于子午方向、反射面相对的球面物镜Ⅰ（2）和球面物镜Ⅱ（3），位于弧矢方向、反射面向上的复合球面物镜Ⅲ（4）和X射线的成像板（5）；热斑（1）通过间接或直接驱动惯性约束聚变ICF靶丸内爆获得，热斑（1）发射的X射线沿光路Ⅰ入射到球面物镜Ⅰ（2）反射至复合球面物镜Ⅲ（4）的反射面Ⅰ（8）后截取能量带E₁的X射线，在成像板（5）上成像为二维的单能像Ⅰ（6），球面物镜Ⅰ（2）的反射面和复合球面物镜Ⅲ（4）的反射面Ⅰ（8）构成一个Kirkpatrick-Baze 镜通道即KB镜通道Ⅰ；所述的热斑（1）发射的X射线沿光路Ⅱ入射到球面物镜Ⅱ（3）反射至复合球面物镜Ⅲ（4）的反射面Ⅱ（9）后截取能量带E₂的X射线，在成像板（5）上成像为二维的单能像Ⅱ（7），球面物镜Ⅱ（3）的反射面和复合球面物镜Ⅲ（4）的反射面Ⅱ（9）构成另一个KB镜通道Ⅱ；所述的单能像Ⅰ（6）和单能像Ⅱ（7）的信号传输至激光磷屏分析仪进行识别，之后通过数据处理获得热斑（1）的二维电子温度；

所述的复合球面物镜Ⅲ（4）的中心位于球面物镜Ⅰ（2）和球面物镜Ⅱ（3）的对称面上，成像板（5）的竖直对称面与球面物镜Ⅰ（2）和球面物镜Ⅱ（3）的对称面重合；

所述的反射面Ⅰ（8）和反射面Ⅱ（9）上分别涂覆有窄能带X光多层膜。

2.根据权利要求1所述的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，其特征在于，所述的热斑（1）和球面物镜Ⅰ（2）的中心的连线Ⅰ与热斑（1）和球面物镜Ⅱ（3）的中心的连线Ⅱ的夹角θ，即两个通道相对热斑的夹角θ，夹角θ所引入的最大视场几何差别小于KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨的二分之一。

3.根据权利要求1所述的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，其特征在于，所述的球面物镜Ⅰ（2）和球面物镜Ⅱ（3）的反射面上涂覆有单层金属膜。

4.根据权利要求1所述的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，其特征在于，所述的反射面Ⅰ（8）上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带E₁的X光多层膜，反射面Ⅱ（9）上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带E₂的X光多层膜。

5.根据权利要求1所述的基于准同视轴的ICF热斑电子温度探测设备，其特征在于，所述的能量带E₁和能量带E₂的宽度小于等于0.5keV，能量带E₁和能量带E₂之间的间隔大于0.5keV。