CN108614389B - 一种等离子体自发光软x射线准单色成像装置及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体自发光软X射线准单色成像装置，该装置包括多层膜球面镜、球面镜调整架、多层膜平面镜、平面镜调整架、接收部件和接收部件调整架，多层膜球面镜安装在球面镜调整架上，多层膜平面镜安装在平面镜调整架上，接收部件安装在接收部件调整架上，接收部件包括滤片压环、滤片、IP板和底片盒，IP板嵌设在底片盒中，滤片安装在IP板的左侧，在滤片的上端部和下端部均设有用于固定滤片的滤片压环，球面镜调整架、平面镜调整架、接收部件调整架均为三维调节架，多层膜球面镜、多层膜平面镜、接收部件的中心点所在的中轴线与激光束入射线相重合。本发明消除硬X射线和可见光对成像的干扰，实现对待测等离子体的软X射线准单能成像。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像领域，特别涉及到一种可用于等离子体自发光成像诊断的软X射线波段准单色成像装置及安装方法。
背景技术
等离子体自发光成像是等离子体诊断中的一种重要诊断手段，广泛应用于高温稠密激光等离子体相关的各种研究中。等离子体的自发光成像，可以获得诸如激光焦斑形状、温度分布、尺寸、轮廓等信息，对于定性了解激光聚焦状态和等离子体状态具有重要意义。其中代表性的技术有X射线针孔成像、X射线KB成像等。这些技术获得了很好的应用效果，但这些技术相应的波段均为几keV的较硬X射线。与之对应的，基于软X射线波段的等离子体成像方法，相对比较少。
所谓软X射线，这里指的是波长在5nm-30nm的波段。这一波段的辐射，对应的等离子体温度比较低，辐射的总体强度比较弱，因此常常被附近的高温稠密等离子体辐射出来的波长更短的X射线辐射所掩盖。因此针对这些软X射线的辐射的诊断，对于某些温度比较低的等离子体(如等离子体喷流、磁重联等)的诊断，具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种等离子体自发光软X射线准单色成像方法，该成像技术完好消除了硬X射线和可见光对成像的干扰，实现了对待测等离子体的软X射线准单能成像。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种等离子体自发光软X射线准单色成像装置，该装置包括多层膜球面镜、球面镜调整架、多层膜平面镜、平面镜调整架、接收部件和接收部件调整架，所述多层膜球面镜安装在球面镜调整架上，所述多层膜平面镜安装在平面镜调整架上，所述接收部件安装在接收部件调整架上，所述接收部件包括滤片压环、滤片、IP板和底片盒，所述IP板嵌设在底片盒中，所述滤片安装在IP板的左侧，在所述滤片的上端部和下端部均设有用于固定滤片的滤片压环，所述球面镜调整架、平面镜调整架、接收部件调整架均为三维调节架，所述多层膜球面镜、多层膜平面镜、接收部件的中心点所在的中轴线与激光束入射线相重合。
所述多层膜球面镜的通光口为圆形，该通光口径为30mm，多层膜球面镜的球面曲率半径范围为200mm-1000mm。
所述多层膜球面镜上镀制的多层膜的层数为20-100，每层膜的厚度为2nm-10nm，所述每层膜中包含一层Mo层和一层Si层，所述多层膜中Mo层和Si层依次交替排列。
所述每层膜中Mo层和Si层的厚度比为1:1。
所述多层膜平面镜的通光口为圆形，该通光口径为30mm。
所述多层膜平面镜上镀制的多层膜的层数为20-100，每层膜的厚度为2nm-10nm，所述每层膜中包含一层Mo层和一层Si层，所述多层膜中Mo层和Si层依次交替排列。
所述滤片由Zr薄膜、Al薄膜或Cu薄膜中的一种组成，具体采用那种材料根据具体情况选择，所述Zr薄膜、Al薄膜或Cu薄膜的厚度为100nm-5000nm。
一种等离子体自发光软X射线准单色成像装置的安装方法，该方法包括以下步骤：
第一步，在靶点位置放置基准小球，即在待测等离子体位置精确放置基准小球，用作光路调试的基准，此步是通过靶室内的靶架机构和调整方法来实现；
第二步，架设辅助激光器，选定成像光路的方向，在成像光路相反方向上架设辅助激光器和激光器调整架，通过激光器调整架调整辅助激光器的姿态，使得辅助激光器出射激光束中心穿过基准小球的中心；
第三步，部件安装，根据激光束的走向，依次安装多层膜球面镜、球面镜调整架、多层膜平面镜、平面镜调整架、接收部件和接收部件调整架，使得多层膜球面镜、多层膜平面镜、接收部件的中心位置与激光束中心位置重合，在安装过程使得多层膜球面镜的入射角为1-5度；多层膜平面镜的入射角为2-20度；接收部件与激光束之间夹角为90度；各元器件满足成像关系和拟定的放大倍数M：1/u+1/v＝1/f，M＝v/u，其中，焦距f为多层膜球面镜曲率半径的一半，物距u为基准小球到多层膜球面镜的距离，像距v为多层膜球面镜到多层膜平面镜的距离与多层膜平面镜到接收部件的距离之和；
第四步，成像质量精调，在所述第三步各部件安装完成后，进行成像质量精密调整，在接收部件前放置白纸接收屏，通过白纸接收屏观察基准小球的阴影像，通过调整球面镜调整架的一维平动调节装置，最终在白纸接收屏上实现清晰的基准小球的成像，在调整过程中，始终保持激光束在相应元件的中心位置；激光束会因为多层膜球面镜位置的变化，逐步偏离多层膜平面镜和接收部件的中心位置，因此在调整过程中需要随时调节各元件的二维俯仰和旋转，以保证激光束始终在相应元件的中心位置；
第五步，部件锁定，调试结束后将各个调整架锁死，测量各个安装部件之间的距离；取下白纸接收屏，在所述白纸接收屏的位置上安装接收部件，取下辅助激光器和激光器调整架，取下基准小球，在所述基准小球的位置安装靶点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
基于上述技术方案，本发明的一种用于等离子体自发光成像诊断的软X射线波段准单能成像方法，经过实践应用取得了如下技术效果：
1、通过多层膜光学元件近正入射成像，可以获得待测等离子体自发光在软X射线波段的准单色成像，具有很窄的带宽和很高的空间分辨能力，对等离子体研究具有很大的实用意义；
2、通过激光辅助调节，快速完成安装和调试，节省实验时间。
附图说明
以下参照附图对本发明作进一步说明，其中：
图1为多层膜球面镜和多层膜平面镜的多层膜光学元件的反射曲线。
图2为本发明成像方法的光路结构示意图。
图3为本发明中接收部件的结构示意图。
图4为本发明成像方法中利用激光辅助调节的光路结构示意图。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明一种等离子体自发光软X射线准单色成像装置及安装方法作进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成以及应用方式。但不能以此来限制本申请的保护范围。
如图2-图3所示，本实施例等离子体自发光软X射线准单色成像装置，该装置包括多层膜球面镜2、球面镜调整架3、多层膜平面镜4、平面镜调整架5、接收部件6和接收部件调整架7，所述多层膜球面镜2安装在球面镜调整架3上，所述多层膜平面镜4安装在平面镜调整架5上，所述接收部件6安装在接收部件调整架7上，所述接收部件6包括滤片压环61、滤片62、IP板63和底片盒64，所述IP板63嵌设在底片盒64中，所述滤片62安装在IP板63的左侧，在所述滤片62的上端部和下端部均设有用于固定滤片62的滤片压环61，所述球面镜调整架3、平面镜调整架4、接收部件调整架7均为三维调节架，三维调节架的调节包括平动或二维转动调节，其中所述平动调节范围大于±10mm，所述转动调节范围大于±5°，用于调节各元器件的姿态，所述多层膜球面镜2、多层膜平面镜4、接收部件6的表面中心点均与激光束入射线相重合。
本实施例中接收部件6由滤片压环61、滤片62、IP板63和底片盒64组装而成。滤片压环61由铝制成，厚度6mm，中心通孔Φ36mm，外径Φ42mm，外侧有螺纹M42，滤片62由Zr薄膜、Al薄膜或Cu薄膜其中的一种组成，各种薄膜的厚度均为100nm-5000nm，尺寸为Φ40mm，IP板63由Fuji Film公司生产的型号为TR2025的IP板产品裁剪而成，厚度1mm，裁剪尺寸为Φ40mm，底片盒64为圆形铝制外壳，外径Φ60mm，厚度10mm，中间部分凹进直径Φ42mm，深8mm的空间，凹进区域边缘有螺纹M42，与滤片压环61螺纹配合，如附图3所示，所述滤片62、IP板63依次放置在底片盒64凹进的空间中，利用滤片压环61通过螺纹压紧，完成接收部件6的组装。
作为优选，本实施例多层膜球面镜2的通光口为圆形，该通光口径为30mm，多层膜球面镜2的球面曲率半径范围为200mm-1000mm。
作为进一步优选，本实施例多层膜球面镜2上镀制的多层膜的层数为20-100，每层膜的厚度为2nm-10nm，所述每层膜中包含一层Mo层和一层Si层，所述多层膜中Mo层和Si层依次交替排列。
作为进一步优选，本实施例每层膜中Mo层和Si层的厚度比为1:1。
作为进一步优选，本实施例多层膜平面镜5的通光口为圆形，该通光口径为30mm。
作为进一步优选，本实施例多层膜平面镜5上镀制的多层膜的层数为20-100，每层膜的厚度为2nm-10nm，所述每层膜中包含一层Mo层和一层Si层，所述多层膜中Mo层和Si层依次交替排列。
作为进一步优选，本实施例滤片62由Zr薄膜、Al薄膜或Cu薄膜其中的一种组成，所述Zr薄膜、Al薄膜或Cu薄膜的厚度为100nm-5000nm，从而用于衰减光强并阻挡杂散光，上述厚度、材料等可变参数，根据具体实施的情况选择。
作为进一步优选，本实施例IP板63选用Fuji Film公司生产的IP板产品，型号TR2025，配合专用的IP读出仪器，可获得的最小像素尺寸0.025mm的二维图像。
本实施例一种等离子体自发光软X射线准单色成像装置的安装方法，该方法包括以下步骤：
第一步，在靶点位置放置基准小球1，基准小球1为直径0.5mm的金属小球，用来标示待测等离子体位置；
第二步，架设辅助激光器8，选定成像光路的方向，在成像光路相反方向上架设辅助激光器8和激光器调整架9，通过激光器调整架9调整辅助激光器8的姿态，使得辅助激光器8出射激光束中心穿过基准小球1的中心；
第三步，部件安装，根据激光束的走向，依次安装多层膜球面镜2、球面镜调整架3、多层膜平面镜4、平面镜调整架5、接收部件6和接收部件调整架7，使得多层膜球面镜2、多层膜平面镜4、接收部件6的中心位置与激光束中心位置重合，在安装过程使得多层膜球面镜2的入射角为1-5度；多层膜平面镜4的入射角为2-20度；接收部件6与激光束之间夹角为90度；各元器件满足成像关系和拟定的放大倍数M：1/u+1/v＝1/f，M＝v/u，其中，焦距f为多层膜球面镜2曲率半径的一半，物距u为基准小球1到多层膜球面镜2的距离，像距v为多层膜球面镜2到多层膜平面镜4的距离与多层膜平面镜4到接收部件6的距离之和；
第四步，成像质量精调，在所述第三步各部件安装完成后，进行成像质量精密调整，在接收部件6前放置白纸接收屏，通过白纸接收屏观察基准小球1的阴影像，通过调整球面镜调整架3的一维平动调节装置，最终在白纸接收屏上实现清晰的基准小球1的成像，在调整过程中，始终保持激光束在相应元件的中心位置；经过精确的调整，使得待测等离子体放置于基准小球1上后，待测等离子体的自发光成像在接收部件6上被记录，多层膜光学元件的带宽很窄，光路中仅有窄带的软X射线和可见光成分能够通过，在光路中增加合适的金属薄膜滤片消除可见光成分，即可实现对待测等离子体自发光的软X射线准单色成像；
第五步，部件锁定，调试结束后将各个调整架锁死，测量各个安装部件之间的距离；取下白纸接收屏，在所述白纸接收屏的位置上安装接收部件6，取下辅助激光器8和激光器调整架9，取下基准小球1，在所述基准小球1的位置安装靶点。
实验验证
在高功率激光联合实验室的“神光Ⅱ”系列高功率激光装置的打靶实验中，对本实施例的一种用于等离子体自发光成像诊断的软X射线波段准单能成像方法进行了实验验证。实验前按照上述调节方法和步骤进行安装调节，然后开展激光辐照等离子体的实验。实验中，采用装置第九路发射的数皮秒数百焦耳的超短超强激光点聚焦辐照平面靶，产生高温稠密等离子体，利用该方法进行等离子体的自发光准单色成像，获得了清晰的等离子体发光图像。靶点等离子体的成像非常清楚，本底噪声很低，图像很干净，表明本发明的实用效果很好。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (1)
1.一种等离子体自发光软X射线准单色成像装置的安装方法，其特征在于，该装置包括多层膜球面镜（2）、球面镜调整架（3）、多层膜平面镜（4）、平面镜调整架（5）、接收部件（6）和接收部件调整架（7），所述多层膜球面镜（2）安装在球面镜调整架（3）上，所述多层膜平面镜（4）安装在平面镜调整架（5）上，所述接收部件（6）安装在接收部件调整架（7）上，所述接收部件（6）包括滤片压环（61）、滤片（62）、IP板（63）和底片盒（64），所述IP板（63）嵌设在底片盒（64）中，所述滤片（62）安装在IP板（63）的左侧，在所述滤片（62）的上端部和下端部均设有用于固定滤片（62）的滤片压环（61），所述球面镜调整架（3）、平面镜调整架（4）、接收部件调整架（7）均为三维调节架，所述多层膜球面镜（2）、多层膜平面镜（4）、接收部件（6）的中心点所在的中轴线与激光束入射线相重合；所述多层膜球面镜（2）的通光口为圆形，该通光口径为30mm，多层膜球面镜（2）的球面曲率半径范围为200mm-1000mm；所述多层膜球面镜（2）上镀制的多层膜的层数为20-100，每层膜的厚度为2nm-10nm，所述每层膜中包含一层Mo层和一层Si层，所述多层膜中Mo层和Si层依次交替排列，所述每层膜中Mo层和Si层的厚度比为1:1，所述多层膜平面镜（5）的通光口为圆形，该通光口径为30mm，所述多层膜平面镜（5）上镀制的多层膜的层数为20-100，每层膜的厚度为2nm-10nm，所述每层膜中包含一层Mo层和一层Si层，所述多层膜中Mo层和Si层依次交替排列，所述滤片（62）由Zr薄膜、Al薄膜或Cu薄膜其中的一种组成，所述Zr薄膜、Al薄膜或Cu薄膜的厚度均为100nm-5000nm；
该安装方法具体包括以下步骤：
第一步，在靶点位置放置基准小球（1）；
第二步，架设辅助激光器（8），选定成像光路的方向，在成像光路相反方向上架设辅助激光器（8）和激光器调整架（9），通过激光器调整架（9）调整辅助激光器（8）的姿态，使得辅助激光器（8）出射激光束中心穿过基准小球（1）的中心；
第三步，部件安装，根据激光束的走向，依次安装多层膜球面镜（2）、球面镜调整架（3）、多层膜平面镜（4）、平面镜调整架（5）、接收部件（6）和接收部件调整架（7），使得多层膜球面镜（2）、多层膜平面镜（4）、接收部件（6）的中心位置与激光束中心位置重合，在安装过程使得多层膜球面镜（2）的入射角为1-5度；多层膜平面镜（4）的入射角为2-20度；接收部件（6）与激光束之间夹角为90度；各元器件满足成像关系和拟定的放大倍数M：1/u+1/v=1/f，M=v/u，其中，焦距f为多层膜球面镜（2）曲率半径的一半，物距u为基准小球（1）到多层膜球面镜（2）的距离，像距v为多层膜球面镜（2）到多层膜平面镜（4）的距离与多层膜平面镜（4）到接收部件（6）的距离之和；
第四步，成像质量精调，在所述第三步各部件安装完成后，进行成像质量精密调整，在接收部件（6）前放置白纸接收屏，通过白纸接收屏观察基准小球（1）的阴影像，通过调整球面镜调整架（3）的一维平动调节装置，最终在白纸接收屏上实现清晰的基准小球（1）的成像，在调整过程中，始终保持激光束在相应元件的中心位置；
第五步，部件锁定，调试结束后将各个调整架锁死，测量各个安装部件之间的距离；取下白纸接收屏，在所述白纸接收屏的位置上安装接收部件（6），取下辅助激光器（8）和激光器调整架（9），取下基准小球（1），在所述基准小球（1）的位置安装靶点。
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