CN111487261A - 一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法 - Google Patents

一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法 Download PDF

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安红海
王轶文
方智恒
熊俊
贺芝宇
曹兆栋
谢志勇
张帆
王伟
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Abstract

本发明涉及一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，包括以下步骤：S1、安装、调节成像装置，成像装置包括背光靶、待测靶、多层膜球面镜、接收部件；S2、驱动激光辐照背光靶，产生软X射线，所述软X射线的波长为19.6nm；S3、驱动激光辐照射待测靶，驱动产生等离子体；S4、软X射线穿越等离子体，多层膜球面镜对等离子体进行成像，接收部件接收记录等离子体成像。本发明采用波长19.6nm的软X射线作为探针，由于穿透能力适中，使得诊断传统硬X射线背光阴影方法无能为力的某些特殊条件下的中等及较低电子密度等离子体成为可能；可以非常方便的实现准单能近正入射成像，所得背光阴影图像具有准单能性和高空间分辨，方便进一步的解读和处理。

Description

一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法
技术领域
本发明涉及X射线成像领域，具体涉及一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法。
背景技术
X射线背光阴影方法是诊断等离子体的一种重要技术，能够测量得到等离子体的发展轮廓，有助于深刻认识相关物理过程和校验模拟程序，具有重要的参考价值。因此广泛应用于与高温稠密激光等离子体相关的各种实验研究中。所谓X射线背光阴影方法，是利用X射线背光探针探测等离子体轮廓的一种主动诊断技术，一束具有一定空间分布的X射线背光探针，穿越待测等离子体，由于待测等离子体内部不同位置具有不同的参数，对X射线背光探针的吸收也会有所变化，反映在记录图像上，就是亮度变化的阴影图像，通过对阴影图像的处理，进而获得关于等离子体的相关状态信息。
目前常用的X射线背光阴影方法是基于等离子体硬X射线作为背光探针的，这种方法通常采用数keV能段的X射线作为探针，具体包括点投影、针孔成像、弯晶成像、Kirkpatrick-Baez(K-B)成像等方式，其技术相对成熟，已经获得了很多研究成果，大部分方法至今仍在广泛应用。但是该类方法存在一定的不足之处，主要表现在两个方面：一是数keV能段的硬X射线穿透能力太强，对于中等及较低电子密度的等离子体无能为力；二是空间分辨率提高困难，实现容易的点投影、针孔成像等方式，空间分辨率受限无法提升到10μm以下，而能够实现10μm以下空间分辨率的弯晶成像、K-B成像方式在元件制备、现场装调、测试视场等方面存在各类问题，实施难度较大。
在目前的一些等离子体实验中，如高能量密度物理、实验室天体物理的相关实验中，等离子体的密度不高，keV能段的硬X射线直接穿透，难以诊断，而空间分辨率的要求依然比较高，传统的X射线背光阴影方法遇到了困难。
发明内容
针对在较低电子密度等离子体相关实验中，目前X射线背光阴影方法难以实施的问题，本发明提供了一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，该方法包括以下步骤：
S1、安装、调节成像装置，成像装置包括背光靶、待测靶、多层膜球面镜、接收部件；
S2、驱动激光发射激光束辐照背光靶，产生软X射线，软X射线的波长为19.6nm；
S3、驱动激光发射激光束辐照射待测靶，驱动产生等离子体；
S4、软X射线穿越等离子体，多层膜球面镜对等离子体进行成像，接收部件接收记录等离子体成像。
进一步地，在S1中，成像装置还包括背光靶调整架、待测靶调整架、多层膜球面镜调整架、接收部件调整架。
进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：
S5、在靶点位置放置基准小球；
S6、选定成像光路的方向，在成像光路相反方向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发射出的激光束穿过基准小球中心；
S7、根据光路走向依次安装多层膜球面镜、多层膜球面镜调整架、接收部件、接收部件调整架；
S8、成像质量调整，在接收部件前放置白纸接收屏，调整多层膜球面镜调整架的一维平动调节，直至在白纸接收屏上可以显现清晰的基准小球成像，此过程保证激光束始终在接收部件的中心位置；
S9、锁定背光靶调整架、待测靶调整架、多层膜球面镜调整架、接收部件调整架，取下基准小球；
S10、调整待测靶，使待测靶的中心位置处于基准小球的位置；
S11、调整背光靶，使背光靶处于待测靶和辅助激光器之间，辅助激光器的光束中心与背光靶中心位置一致；
S12、将白纸更换为IP板和滤片，取下辅助激光器和激光器调整架，测量、记录各个安装部件之间的距离。
进一步地，在S7中，多层膜球面镜的入射角为1-5°，接收部件与激光束之间的夹角为90°。
进一步地，背光靶为Al平面薄膜组成。
进一步地，多层膜球面镜的中心波长为19.6nm。
进一步地，接收装置包括底片盒、IP板、滤片、压环，IP板嵌设在底片盒内，滤片设置在IP板一侧的底片盒内，IP板设置在滤片和底片盒之间，压环活动安装在底片盒内，压环压在滤片上。
进一步地，多层膜球面镜为Mo:Si多层膜球面镜，多层膜球面镜的球面曲率半径为200-1000mm。
进一步地，在S2中，驱动激光发射激光束脉冲宽度为100ps。
进一步地，在S7中，各元器件满足成像关系和拟定的放大倍数M，M＝v/u，1/u+1/v＝1/f，f为多层膜球面镜曲率半径的1/2，u为基准小球和多层膜球面镜的距离，v为多层膜球面镜到接收部件的距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用波长19.6nm的软X射线作为探针，由于穿透能力适中，使得诊断传统硬X射线背光阴影方法无能为力的某些特殊条件下的中等及较低电子密度等离子体成为可能；
2、采用比较成熟的Mo:Si多层膜软X射线光学元件，利用波长19.6nm的背光探针，可以非常方便的实现准单能近正入射成像，所得背光阴影图像具有准单能性和高空间分辨，方便进一步的解读和处理；
3、整套系统，稳定可靠，利用辅助激光辅助调节，快速完成成像装置的安装和调试，节省时间。
附图说明
图1是中心波长为19.6nm的Mo：Si多层膜元件的理论反射曲线。
图2是探针光束经过一次多层膜球面镜反射和一次Al滤片衰减的信号强度曲线。
图3是本发明的光路结构示意图。
图4是本发明中的接收部件的结构示意图。
图5-7是本发明中利用辅助激光调节光路示意图。
图中，1、背光靶调整架；2、背光靶；3、驱动激光a；4、待测靶调整架；5、待测靶；6、驱动激光b；7、多层膜球面镜；8、多层膜球面镜调整架；9、接收部件调整架；10、接收部件；11、基准小球；12、辅助激光器；13、激光器调整架；10-1、底片盒；10-2、IP板；10-3、滤片；10-4、压环。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步描述：
图1是中心波长为19.6nm的Mo:Si多层膜元件的理论反射曲线，可以看出，在19.6nm附近是形状比较好的单峰，峰值约40％，半高全宽约2.1nm。在10nm附近，存在一个小反射峰，在大约(20-40)nm区间，存在较低连续谱，但这些部分的反射率均小于19.6nm峰值的10％。
在光路中，探针光束经过一次多层膜球面镜的反射和一次2μm厚度的Al滤片的衰减，综合的信号强度曲线(即多层膜球面镜的反射率与Al滤片透射率的乘积)如图2所示，可以看出，除了19.6nm附近的单峰，其他波段的信号基本全被抑制，因此能够实现19.6nm的准单能背光。
一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，包括以下步骤：
步骤1、安装、调节成像装置，如图3和图4所示，成像装置包括背光靶调整架1、背光靶2、待测靶5、待测靶调整架4、多层膜球面镜7、多层膜球面镜调整架8、接收部件10、接收部件调整架9，将背光靶2安装在背光靶调整架1上，待测靶5安装在待测靶调整架4上，多层膜球面镜7安装在多层膜球面镜调整架8上，接收部件10安装在接收部件调整架9上。
本实施例中，背光靶2为Al平面靶，厚度为50μm，尺寸为10mm×30mm，背光靶2表面正对光路方向，待测靶5为Au小球靶，直径为0.5mm，多层膜球面镜7的通光口为圆形，通光口口径为30mm,多层膜球面镜7的球面曲率半径为500mm，对应焦距约250mm；作为优选，本实施例的多层膜球面镜7上镀制的多层膜的层数有40层，每层膜中包含一层Mo层和Si层，多层膜中Mo层和Si层依次交替排列，每层膜的厚度约为10.4nm，多层膜球面镜7反射的中心波长为19.6nm。
具体的，接收部件10包括底片盒10-1、IP板10-2、滤片10-3、压环10-4，IP板嵌设在底片盒10-1内，滤片10-3设置在IP板10-2一侧的底片盒10-1内，IP板10-2设置在滤片10-3和底片盒10-1之间，压环10-4通过螺纹螺接安装在底片盒10-1内，压环10-4压在滤片10-3上；背光靶调整架1、待测靶调整架4、多层膜球面镜调整架8、接收部件调整架9均为多维调节架，均可实现多维平动和转动调节，均由市售不同尺寸的标准平移台、旋转台、反射镜架等组合而成，平动调节范围大于±10mm，转动调节范围大于±5°。本实施例中底片盒10-1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。IP板10-2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，配合专用的IP读出仪器，可获得最小像素尺寸0.025mm的二维图像；滤片10-3由Al薄膜组成，厚度为2μm，尺寸为Φ40mm，用于衰减光强并阻挡杂散光，与多层膜球面镜7配合保证准单色的信号成像；压环10-4由铝制成，厚度6mm,中心通孔Φ36mm，外径Φ42mm，外侧有螺纹M42，底片盒10-1与压环10-4螺纹配合，利用压环10-4通过螺纹压紧IP板10-2和滤片10-3，完成接收部件的组装。
安装、调节成像装置的时候，包括以下步骤：
(1)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，此步通过靶室内的靶架机构和调整来实现，如图5所示；
(2)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12和激光器调整架13，通过激光器调整架13调整辅助激光器12的姿态，使得辅助激光器12出射的激光光束中心穿过基准小球11的中心，如图5所示；
(3)根据激光束的走向，依次安装多层膜球面镜7、多层膜球面镜调整架8、接收部件10、接收部件调整架9，使得多层膜球面镜7、接收部件10的中心位置与激光束中心位置重合，安装过程中使得多层膜球面镜7的入射角为1-5°，接收部件10与激光束之间的夹角为90°，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7曲率半径的一半，物距u为基准小球11到多层膜球面镜7的距离，像距v为多层膜球面镜7到接收部件10的距离，如图5所示；
(4)在(3)中各个部件安装完成后，进行成像质量精密调整，在接收部件10中利用白纸代替IP板10-2和滤片10-3，观察白纸上基准小球11的阴影像，通过调整多层膜球面镜调整架8的一维平动调节，最终在接收部件10的白纸上实现清晰的基准小球11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，由于多层膜球面镜7的位置变化，激光束会逐步偏离接收部件10的中心位置，因此在调整过程中需要随时调节多层膜球面镜7的俯仰和旋转，以保证激光束始终在接收部件10的中心位置，如图5所示；
(5)调整完成后，将背光靶调整架1、待测靶调整架4、多层膜球面镜调整架8、接收部件调整架9锁定，取下基准小球11。
(6)调整待测靶5，利用靶场的监视系统和待测靶调整架4，精确调整待测靶5的位置，使待测靶5的中心位置处于基准小球11的位置，如图6所示；
(7)利用背光靶调整架1，精确调整背光靶2的位置，使背光靶2位于待测靶5与辅助激光器12之间，背光靶2与待测靶5的之间的距离根据驱动激光器件瞄准的两个靶位的实际距离确定，并使得辅助激光器12的光束中心与背光靶2的中心位置一致，如图7所示；
(8)取下接收部件10，将白纸更换为IP板10-2和滤片10-3，在原位安装接收部件10，取下辅助激光器12和激光器调整架13，测量并记录各个安装部件之间的距离，调节结束。
步骤2、单路或多路驱动激光a3聚焦辐照背光靶2表面的中心部位，驱动产生等离子体，并辐射出包括19.6nm软X射线的自发辐射，作为背光源，驱动激光a3的脉冲宽度约为100ps，以保证产生的背光软X射线持续时间约100ps，以获得等离子体的时间冻结背光阴影结果；
步骤3、单路或多路驱动激光b6聚焦辐射待测靶5的球面部位，驱动产生等离子体，被软X射线背光探针穿过测量；
步骤4、软X射线穿越等离子体，多层膜球面镜7对等离子体进行成像，接收部件10接收记录等离子体成像。
实验验证
利用高功率激光联合实验室的“神光Ⅱ”系列高功率激光装置，对本实施例的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影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，然后开展了实验。实验中，采用装置南路发射的脉冲宽度约100ps的激光束辐照背光靶产生软X射线辐射，北四路脉冲宽度约1ns的激光束辐照待测靶产生待测等离子体，利用该方法进行等离子体的基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像，获得了清晰的等离子体阴影图像。
本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、安装、调节成像装置，成像装置包括背光靶、待测靶、多层膜球面镜、接收部件；
S2、驱动激光辐照背光靶，产生软X射线，所述软X射线的波长为19.6nm；
S3、驱动激光辐照射待测靶，驱动产生等离子体；
S4、软X射线穿越等离子体，多层膜球面镜对等离子体进行成像，接收部件接收记录等离子体成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，在S1中，成像装置还包括背光靶调整架、待测靶调整架、多层膜球面镜调整架、接收部件调整架。
3.根据权利要求2所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，所述S1具体包括以下步骤：
S5、在靶点位置放置基准小球；
S6、选定成像光路的方向，在成像光路相反方向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发射出的激光束穿过基准小球中心；
S7、根据光路走向依次安装多层膜球面镜、多层膜球面镜调整架、接收部件、接收部件调整架；
S8、成像质量调整，在接收部件前放置白纸接收屏，调整多层膜球面镜调整架的一维平动调节，直至在白纸接收屏上可以显现清晰的基准小球成像，此过程保证激光束始终在接收部件的中心位置；
S9、锁定背光靶调整架、待测靶调整架、多层膜球面镜调整架、接收部件调整架，取下基准小球；
S10、调整待测靶，使待测靶的中心位置处于基准小球的位置；
S11、调整背光靶，使背光靶处于待测靶和辅助激光器之间，辅助激光器的光束中心与背光靶中心位置一致；
S12、将白纸更换为IP板和滤片，取下辅助激光器和激光器调整架，测量、记录各个安装部件之间的距离。
4.根据权利要求3所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，S7中，多层膜球面镜的入射角为1-5°，接收部件与激光束之间的夹角为90°。
5.根据权利要求1所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，所述背光靶为Al平面。
6.根据权利要求1所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，所述多层膜球面镜的中心波长为19.6nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，所述接收装置包括底片盒、IP板、滤片、压环，所述IP板嵌设在底片盒内，所述滤片设置在IP板一侧的底片盒内，所述IP板设置在滤片和底片盒之间，所述压环活动安装在底片盒内，所述压环压在滤片上。
8.根据权利要求1所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，所述多层膜球面镜为Mo:Si多层膜球面镜，所述多层膜球面镜的球面曲率半径为200-1000mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，所述S2中，驱动激光发射激光束脉冲宽度为100ps。
10.根据权利要求根据权利要求3所述的一种基于19.6nm软X射线的准单能背光阴影成像方法，其特征在于，S7中，各元器件满足成像关系和拟定的放大倍数M，M＝v/u，1/u+1/v＝1/f，f为多层膜球面镜曲率半径的1/2，u为基准小球和多层膜球面镜的距离，v为多层膜球面镜到接收部件的距离。
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