CN107941827A - 一种icf靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，所述的成像装置包括位于竖直方向并正对靶丸的针孔板、位于竖直方向且反射面相对的球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ、位于水平方向且反射面向下的复合球面物镜Ⅴ和X射线分幅相机；球面物镜Ⅲ以及球面物镜Ⅳ的反射面分别和复合球面物镜Ⅴ的反射面Ⅲ与反射面Ⅳ构成两个KB镜通道。通过具有高时间分辨的X射线分幅相机，对靶丸压缩前后阶段进行区分以及两个针孔通道与两个KB镜通道成像时间及间隔进行选取。该成像装置整合了针孔成像以及KB镜成像各自的优势，同时有效规避成像通道间高达10%的视场几何差别，可对整个ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像，具有广阔且重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于X射线成像领域，具体涉及一种ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置。
背景技术
对惯性约束聚变（ICF）靶丸内爆压缩过程所释放的X射线辐射进行时间、空间分辨成像研究，可以提供ICF靶丸中由于做功和能量（电子热传导、辐射热传导）输运导致的流体状态的时空演化信息，既是研究聚变点火的基础也是重点之一。常用X射线成像器件包括针孔、KB镜以及弯晶等，由于弯晶晶体压弯过程所带来的面形误差使得空间分辨无法进一步提高至优于5µm 的水平，且采用近轴反射的原理，碎片屏蔽较难，另外加工难度也较大，因而对于小尺度目标如内爆热斑的诊断，通常采用KB镜代替弯晶。
但是，上述成像器件存在着以下问题：1、针孔成像空间分辨在10µm左右，而靶丸内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，尺度在35µm~45µm，10µm的空间分辨对于ICF精密物理研究明显不足。2、KB镜成像的空间分辨为2µm~5µm，然而在该空间分辨下KB镜的成像目标大小仅在100µm以下，这对于靶丸（700µm~900µm尺寸）内爆压缩前期大尺度阶段，成像目标大小显得不足。3、现有各种多通道成像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难以规避，而该几何差别可达10%。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置。
本发明的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特点是，所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置包括位于竖直方向并正对靶丸的针孔板、位于竖直方向且反射面相对的球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ、位于水平方向且反射面向下的复合球面物镜Ⅴ和X射线分幅相机；靶丸为间接或直接驱动惯性约束聚变ICF常用靶丸，在靶丸内爆压缩前期大尺度阶段，靶丸发射的X射线沿光路Ⅰ和光路Ⅱ分别穿过针孔板上的两个针孔，在X射线分幅相机的Au微带上成像为两个多能像，两个多能像经X射线分幅相机的选通电压脉冲选通后被依次记录；在靶丸内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，靶丸发射的X射线沿光路Ⅲ和光路Ⅳ分别入射到球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ，反射至复合球面物镜Ⅴ的反射面Ⅲ和反射面Ⅳ后截取能量带EⅢ和EⅣ X射线，在X射线分幅相机的Au微带上成像为两个单能像，两个单能像经X射线分幅相机的选通电压脉冲选通后被依次记录，球面物镜Ⅲ以及球面物镜Ⅳ的反射面分别和复合球面物镜Ⅴ的反射面Ⅲ与反射面Ⅳ构成两个Kirkpatrick-Baze 镜通道即两个KB镜通道；
所述的针孔板和复合球面物镜Ⅴ的中心位于球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ的竖直对称面Ⅰ上，针孔板位于球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ的与竖直对称面Ⅰ呈90°的竖直对称面Ⅱ上，X射线分幅相机的竖直对称面与球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ的竖直对称面Ⅰ重合；
所述的反射面Ⅲ和反射面Ⅳ上分别涂覆有窄能带X光多层膜。
所述的靶丸和针孔板上的两个针孔中心的连线之间的夹角θ1，即两个针孔通道相对靶丸的夹角θ1，在靶丸内爆压缩前期大尺度阶段，夹角θ1所引入的两个针孔通道之间最大视场几何差别小于两个针孔通道的空间分辨的二分之一；靶丸和球面物镜Ⅲ的中心的连线，与靶丸和球面物镜Ⅳ的中心的连线之间的夹角θ2，即两个KB镜通道相对靶丸的夹角θ2，在靶丸内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，夹角θ2所引入的两个KB镜通道之间最大视场几何差别小于两个KB镜通道的空间分辨的二分之一。
所述的针孔板上的针孔直径为大于等于10μm并且小于等于20μm。针孔板的厚度为大于等于10μm并且小于等于20μm，材料为钽或钨。
所述的针孔板与反射面相对的球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ所确定的立体空间无干涉，针孔板的针孔与球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ的下边界的距离小于等于100μm。
所述的球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ的反射面上涂覆有单层金属膜。
所述的反射面Ⅲ上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得单能EⅢ的X光多层膜，反射面Ⅳ上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得单能EⅣ的X光多层膜。
所述的能量带EⅢ和能量带EⅣ的宽度小于等于0.5keV，能量带EⅢ和能量带EⅣ之间的间隔大于0.5keV。
所述的X射线分幅相机为可以提供空间二维、总时间宽度若干纳秒的多幅的X光图像的X射线分幅相机。
本发明的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置的工作过程如下：
惯性约束聚变ICF靶丸内爆压缩发射混合多能X射线，在压缩前期大尺度阶段，采用针孔板上的两个针孔对该阶段靶丸进行多能X光成像，由X射线分幅相机对该多能像进行记录；在内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，采用两个KB镜通道对热斑进行单能X光成像，热斑发射的混合多能X射线沿光路Ⅲ和光路Ⅳ分别入射到球面物镜Ⅲ和球面物镜Ⅳ，反射至复合球面物镜Ⅴ的反射面Ⅲ和反射面Ⅳ后截取能量带EⅢ和EⅣ的X射线，在X射线分幅相机的Au微带上成像为两个单能像。通过具有高时间分辨的X射线分幅相机，进行靶丸压缩前后阶段的区分以及两个针孔通道与两个KB镜通道成像时间及间隔的选取。由于靶丸和针孔板上的两个针孔中心的连线之间的夹角θ1，即两个针孔通道相对靶丸的夹角θ1，在靶丸内爆压缩前期大尺度阶段，夹角θ1所引入的两个针孔通道之间最大视场几何差别小于两个针孔通道的空间分辨的二分之一；靶丸和球面物镜Ⅲ的中心的连线，与靶丸和球面物镜Ⅳ的中心的连线之间的夹角θ2，即两个KB镜通道相对靶丸的夹角θ2，在靶丸内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，夹角θ2所引入的两个KB镜通道之间最大视场几何差别小于两个KB镜通道的空间分辨的二分之一，因此以上针孔通道以及KB镜通道之间视角差异，所引入的视场几何差别得到有效规避。
本发明的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置针对靶丸内爆压缩前后阶段尺度的显著差异以及研究需求，整合了针孔成像视场范围大以及KB镜成像空间分辨高的优势，同时有效规避成像通道间高达10%的视场几何差别，可对整个ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像，具有广阔且重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置的结构示意图；
图中，1.靶丸 2.针孔板 3.球面物镜Ⅲ 4. 球面物镜Ⅳ 5.复合球面物镜Ⅴ 6.X射线分幅相机 7.多能像 8.单能像 9.反射面Ⅲ 10.反射面Ⅳ。
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。
如图1所示，本发明的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置包括位于竖直方向并正对靶丸1的针孔板2、位于竖直方向且反射面相对的球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4、位于水平方向且反射面向下的复合球面物镜Ⅴ5和X射线分幅相机6；靶丸1为间接或直接驱动惯性约束聚变ICF常用靶丸，在靶丸1内爆压缩前期大尺度阶段，靶丸1发射的X射线沿光路Ⅰ和光路Ⅱ分别穿过针孔板2上的两个针孔，在X射线分幅相机6的Au微带上成像为两个多能像7，两个多能像7经X射线分幅相机6的选通电压脉冲选通后被依次记录；在靶丸1内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，靶丸1发射的X射线沿光路Ⅲ和光路Ⅳ分别入射到球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4，反射至复合球面物镜Ⅴ5的反射面Ⅲ9和反射面Ⅳ10后截取能量带EⅢ和EⅣ X射线，在X射线分幅相机6的Au微带上成像为两个单能像8，两个单能像8经X射线分幅相机6的选通电压脉冲选通后被依次记录，球面物镜Ⅲ3以及球面物镜Ⅳ4的反射面分别和复合球面物镜Ⅴ5的反射面Ⅲ9与反射面Ⅳ10构成两个Kirkpatrick-Baze 镜通道即两个KB镜通道；
所述的针孔板2和复合球面物镜Ⅴ5的中心位于球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4的竖直对称面Ⅰ上，针孔板2位于球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4的与竖直对称面Ⅰ呈90°的竖直对称面Ⅱ上，X射线分幅相机6的竖直对称面与球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4的竖直对称面Ⅰ重合；
所述的反射面Ⅲ9和反射面Ⅳ10上分别涂覆有窄能带X光多层膜。
所述的靶丸1和针孔板2上的两个针孔中心的连线之间的夹角θ1，即两个针孔通道相对靶丸1的夹角θ1，在靶丸1内爆压缩前期大尺度阶段，夹角θ1所引入的两个针孔通道之间最大视场几何差别小于两个针孔通道的空间分辨的二分之一；靶丸1和球面物镜Ⅲ3的中心的连线，与靶丸1和球面物镜Ⅳ4的中心的连线之间的夹角θ2，即两个KB镜通道相对靶丸1的夹角θ2，在靶丸1内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，夹角θ2所引入的两个KB镜通道之间最大视场几何差别小于两个KB镜通道的空间分辨的二分之一。
所述的针孔板2上的针孔直径为大于等于10μm并且小于等于20μm。针孔板2的厚度为大于等于10μm并且小于等于20μm，材料为钽或钨。
所述的针孔板2与反射面相对的球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4所确定的立体空间无干涉，针孔板2的针孔与球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4的下边界的距离小于等于100μm。
所述的球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4的反射面上涂覆有单层金属膜。
所述的反射面Ⅲ9上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得单能EⅢ的X光多层膜，反射面Ⅳ10上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得单能EⅣ的X光多层膜。
所述的能量带EⅢ和能量带EⅣ的宽度小于等于0.5keV，能量带EⅢ和能量带EⅣ之间的间隔大于0.5keV。
所述的X射线分幅相机6为可以提供空间二维、总时间宽度若干纳秒的多幅的X光图像的X射线分幅相机。
实施例1
本实施例中所述的靶丸1为间接驱动惯性约束聚变ICF常用靶丸，其尺寸为直径800μm；所述的靶丸1和针孔板2上的两个针孔中心的连线之间的夹角θ1，即两个针孔通道相对靶丸1的夹角θ1为0.3°，在靶丸1内爆压缩前期大尺度阶段，按初始直径D=800μm计，夹角θ1为0.3°所引入的两个针孔通道之间最大视场几何差别为4.20μm，该值小于两个针孔通道的空间分辨(1+1/M)d=11.33μm的二分之一5.67μm，式中d为针孔直径10μm，M为成像放大倍数7.5，其中物距为400mm，像距为3000mm；靶丸1和球面物镜Ⅲ3的中心的连线，与靶丸1和球面物镜Ⅳ4的中心的连线之间的夹角θ2，即两个KB镜通道相对靶丸1的夹角θ2为0.9°（KB 镜单镜的尺寸在5×5mm左右），在靶丸1内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，按通常20倍收缩比，直径D=40μm计，夹角θ2为0.9°所引入的两个KB镜通道之间最大视场几何差别为0.63μm，该值小于KB镜通道的空间分辨2~5μm的二分之一1~2.5μm，因此视场几何差别得以有效规避，因而本发明能够实现高精度成像；所述的针孔板2上的针孔直径为10μm；针孔板2的厚度为10μm，材料为钽；所述的针孔板2的针孔与球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4的下边界的距离为100μm；所述的球面物镜Ⅲ3的反射面上涂覆的单层金属膜材料为钼，球面物镜Ⅳ4的反射面上涂覆的单层金属膜的材料为铜；所述的能量带EⅢ为4.2±0.25keV，能量带EⅣ为8±0.25keV。
这里对于视场差别的规避的必要性，举例说明。在我国神光III主机大型激光装置上，八通道KB镜通道间视角差是5.4°，热斑大小按40μm计，则由该视角差引入的视场几何差别是3.95μm，约为热斑大小的9.88%，在此基础上如果再考虑热斑温度、密度分布的不均匀性，视场差别将明显超过10%。
参见前述的本发明的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置的工作过程，可以看出，本发明针对靶丸内爆压缩前后阶段尺度的显著差异以及研究需求，整合针孔成像视场范围大以及KB镜成像空间分辨高的优势，同时有效规避成像通道间显著视场几何差别（现有成像通道视场几何差别可达10%），对整个ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像，具有广阔且重要应用前景。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的靶丸1为直接驱动惯性约束聚变ICF常用靶丸，其尺寸为直径900μm；所述的靶丸1和针孔板2上的两个针孔中心的连线之间的夹角θ1，即两个针孔通道相对靶丸1的夹角θ1为0.4°，在靶丸1内爆压缩前期大尺度阶段，按初始直径D=900μm计，夹角θ1为0.4°所引入的两个针孔通道之间最大视场几何差别为6.31μm，该值小于两个针孔通道的空间分辨(1+1/M)d=17μm的二分之一8.50μm，式中d为针孔直径15μm，M为成像放大倍数7.5，其中物距为380mm，像距为2850mm；靶丸1和球面物镜Ⅲ3的中心的连线，与靶丸1和球面物镜Ⅳ4的中心的连线之间的夹角θ2，即两个KB镜通道相对靶丸1的夹角θ2为0.8°，在靶丸1内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，按通常19倍收缩比，直径D=47.37μm计，夹角θ2为0.8°所引入的两个KB镜通道之间最大视场几何差别为0.67μm，该值小于两个KB镜通道的空间分辨2~5μm的二分之一1~2.5μm；所述的针孔板2上的针孔直径为15μm；针孔板2的厚度为15μm，材料为钨；所述的针孔板2的针孔与球面物镜Ⅲ3和球面物镜Ⅳ4的下边界的距离为80μm；所述的球面物镜Ⅲ3的反射面上涂覆的单层金属膜材料为金，球面物镜Ⅳ4的反射面上涂覆的单层金属膜的材料为钼；所述的能量带EⅢ为3.5±0.25keV，能量带EⅣ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 (8)
1.一种ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的成像装置包括位于竖直方向并正对靶丸（1）的针孔板（2）、位于竖直方向且反射面相对的球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4）、位于水平方向且反射面向下的复合球面物镜Ⅴ（5）和X射线分幅相机（6）；
所述的针孔板（2）和复合球面物镜Ⅴ（5）的中心位于球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4）的竖直对称面Ⅰ上，针孔板（2）位于球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4）的与竖直对称面Ⅰ呈90°的竖直对称面Ⅱ上，X射线分幅相机（6）的竖直对称面与球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4）的竖直对称面Ⅰ重合；
所述的反射面Ⅲ（9）和反射面Ⅳ（10）上分别涂覆有窄能带X光多层膜；
所述的成像装置的工作过程如下：
靶丸（1）为间接或直接驱动惯性约束聚变ICF靶丸，在靶丸（1）内爆压缩前期大尺度阶段，靶丸（1）发射的X射线沿光路Ⅰ和光路Ⅱ分别穿过针孔板（2）上的两个针孔，在X射线分幅相机（6）的Au微带上成像为两个多能像（7），两个多能像（7）经X射线分幅相机（6）的选通电压脉冲选通后被依次记录；在靶丸（1）内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，靶丸（1）发射的X射线沿光路Ⅲ和光路Ⅳ分别入射到球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4），反射至复合球面物镜Ⅴ（5）的反射面Ⅲ（9）和反射面Ⅳ（10）后截取能量带EⅢ和EⅣ X射线，在X射线分幅相机（6）的Au微带上成像为两个单能像（8），两个单能像（8）经X射线分幅相机（6）的选通电压脉冲选通后被依次记录，球面物镜Ⅲ（3）以及球面物镜Ⅳ（4）的反射面分别和复合球面物镜Ⅴ（5）的反射面Ⅲ（9）与反射面Ⅳ（10）构成两个Kirkpatrick-Baze 镜通道即两个KB镜通道。
2.根据权利要求1所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的靶丸（1）和针孔板（2）上的两个针孔中心的连线之间的夹角θ1，即两个针孔通道相对靶丸（1）的夹角θ1，在靶丸（1）内爆压缩前期大尺度阶段，夹角θ1所引入的两个针孔通道之间最大视场几何差别小于两个针孔通道的空间分辨的二分之一；靶丸（1）和球面物镜Ⅲ（3）的中心的连线，与靶丸（1）和球面物镜Ⅳ（4）的中心的连线之间的夹角θ2，即两个KB镜通道相对靶丸（1）的夹角θ2，在靶丸（1）内爆压缩后期小尺度阶段即热斑阶段，夹角θ2所引入的两个KB镜通道之间最大视场几何差别小于两个KB镜通道的空间分辨的二分之一。
3.根据权利要求1所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的针孔板（2）上的针孔直径为大于等于10μm并且小于等于20μm，针孔板（2）的厚度为大于等于10μm并且小于等于20μm，材料为钽或钨。
4.根据权利要求1所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的针孔板（2）与反射面相对的球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4）所确定的立体空间无干涉，针孔板（2）的针孔与球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4）的下边界的距离小于等于100μm。
5.根据权利要求1所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的球面物镜Ⅲ（3）和球面物镜Ⅳ（4）的反射面上涂覆有单层金属膜。
6.根据权利要求1所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的反射面Ⅲ（9）上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带EⅢ的X光多层膜，反射面Ⅳ（10）上的窄能带X光多层膜为依据Bragg衍射原理获得能量带EⅣ的X光多层膜。
7.根据权利要求1所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的能量带EⅢ和能量带EⅣ的宽度小于等于0.5keV，能量带EⅢ和能量带EⅣ之间的间隔大于0.5keV。
8.根据权利要求1所述的ICF靶丸内爆压缩过程分阶段高精度成像装置，其特征在于：所述的X射线分幅相机（6）为提供空间二维、总时间宽度若干纳秒的多幅的X光图像的X射线分幅相机。
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