專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及極紫外成像領(lǐng)域，尤其是涉及一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
高功率Z-pinch裝置可產(chǎn)生強(qiáng)X射線脈沖，在材料和器件的輻照特性、可控聚變和納米光刻技術(shù)等研究方面有重要的應(yīng)用前景。具有光譜選擇能力的成像系統(tǒng)可以獲取特定溫度下等離子體的輻射狀況。目前，在Z-pinch裝置等離子體診斷中國(guó)內(nèi)外常用的成像設(shè)備包括:針孔相機(jī)、掠入射成像系統(tǒng)和正入射成像系統(tǒng)。針孔相機(jī)是基于“小孔成像”的原理，Z-pinch的靶經(jīng)過直徑約幾十微米的針孔后成像在像面，利用軟X射線積分CXD相機(jī)將所成的像記錄下來。如果將單個(gè)針孔換成由多個(gè)針孔組成的陣列，并采用分幅相機(jī)作為探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)二維空間分辨和時(shí)間分辨成像。在等離子體診斷中常用的掠入射成像系統(tǒng)是KB顯微成像系統(tǒng)，等離子體發(fā)出的軟X光與鏡面的夾角很小，約1°。軟X光經(jīng)過兩個(gè)正交放置的球面鏡聚焦成像在探測(cè)器的表面。KB顯微鏡還可以組成多通道成像物鏡，即能夠?qū)σ粋€(gè)物點(diǎn)成多幅圖像，例如，四通道KB成四幅圖像，八通道KB成八幅圖像……。如果采用分幅相機(jī)作為探測(cè)器，也可以實(shí)現(xiàn)二維空間分辨和時(shí)間分辨。另外一種常用的等離子體診斷設(shè)備是基于正入射結(jié)構(gòu)的Schwarzschild(施瓦茲希爾德)成像系統(tǒng)。對(duì)于該系統(tǒng)，極紫外或軟X光幾乎與鏡面相垂直，光線經(jīng)過凹面鏡和凸面鏡的反射后成像在探測(cè)器表面，目前，該類型的裝置已經(jīng)應(yīng)用在了國(guó)外OMEGA和我國(guó)SILEX強(qiáng)激光裝置上。對(duì)于針孔相機(jī)而言，其可以進(jìn)行單個(gè)針孔的二維積分成像，也可以利用針孔陣列結(jié)合分幅相機(jī)實(shí)現(xiàn)具有時(shí)間分辨的二維成像。但是，針孔相機(jī)的光譜分辨能力是依賴放置在探測(cè)器前面的濾片來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于針孔本身而言，其沒有光譜選擇的能力，即針孔對(duì)任何波段的光均通過，無法選擇對(duì)特定波段的光進(jìn)行成像。結(jié)合濾片后能夠選擇具有一定波長(zhǎng)的光，但是濾片對(duì)很大波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光均可以通過，例如，如果采用Al材料的濾片，其可以濾除掉可見光，但是從1 7.2nm到接近80nm的光均能夠穿透濾片,所以光譜選擇能力弱。針孔相機(jī)的另外一個(gè)不足之處是集光效率(收集光的能力)太低，約10_9。由于分幅相機(jī)的靈敏度低，較低的集光效率會(huì)影響探測(cè)到的圖像的亮度。相對(duì)于針孔相機(jī)而言，掠入射成像系統(tǒng)(KB顯微鏡)將集光效率提高了約2個(gè)數(shù)量級(jí)。在光學(xué)元件表面鍍制特定的多層膜，其具有了一定的光譜分辨能力，但是，在掠入射情況下，其光譜的分辨率仍不高，例如，鍍制Cr/C和W/C周期結(jié)構(gòu)多層膜的KB顯微鏡在2.5keV能點(diǎn)的光譜帶寬約500eV，能量分辨本領(lǐng)為Ε/ΔΕ = 5。正入射結(jié)構(gòu)的Schwarzschild顯微鏡的數(shù)值孔徑可以做到0.2甚至更大，考慮到薄膜對(duì)光的反射率后，集光效率可以達(dá)到10_2，較針孔相機(jī)及掠入射成像系統(tǒng)得到了明顯的提高。另外，光學(xué)元件表面鍍制多層膜后，其在92eV的帶寬僅3.4eV，光譜分辨本領(lǐng)為27，明顯優(yōu)于以上兩種成像裝置。但是，系統(tǒng)僅由一塊凹面鏡和一塊凸面鏡組成，僅能進(jìn)行單能成像，即無法同時(shí)對(duì)多個(gè)能點(diǎn)進(jìn)行診斷。另外，該顯微鏡僅能對(duì)一個(gè)目標(biāo)成一幅圖像，無法和分幅相機(jī)結(jié)合進(jìn)行二維空間和時(shí)間分辨成像，可以采用條紋相機(jī)作為探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)一維空間分辨和時(shí)間分辨成像。目前，國(guó)內(nèi)正在開展Z-pinch源等離子體診斷方面的研究，需要對(duì)其極紫外波段的輻射進(jìn)行時(shí)空分辨的二維成像診斷，為了在分幅相機(jī)的像面獲得高亮度的等離子體圖像，要求其集光立體角達(dá)到10_4sr，并且要求該系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)能點(diǎn)的等離子體輻射進(jìn)行成像。前面所述的三種成像系統(tǒng)均無法達(dá)到診斷的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有診斷成像技術(shù)存在的缺陷而提供一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應(yīng)用。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):—種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，用于對(duì)一個(gè)物體形成多個(gè)圖像，該成像系統(tǒng)包括多塊主鏡和一塊副鏡，所述的主鏡均設(shè)在一個(gè)圓周上，所述的副鏡位于該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡共同組成一個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)同一個(gè)物體形成一幅圖像；物體發(fā)出的光經(jīng)每一個(gè)主鏡反射后，均照射到副鏡上，再經(jīng)過副鏡反射后形成與主鏡塊數(shù)相同的多幅圖像。所述的主鏡和副鏡的表面均鍍制具有光譜選擇性的薄膜，所述的薄膜僅對(duì)特定波長(zhǎng)或能點(diǎn)的極紫外光或軟X射線光進(jìn)行反射，能夠使同一個(gè)物體所得到的圖像對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)或能點(diǎn)。在副鏡表面鍍制薄膜時(shí)，將副鏡表面均分成與主鏡個(gè)數(shù)相同的區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域內(nèi)鍍制薄膜，每個(gè)區(qū)域上薄膜的材料和參數(shù)與相對(duì)應(yīng)主鏡上薄膜的材料和參數(shù)相同。副鏡的不同區(qū)域與相對(duì)應(yīng)的主鏡構(gòu)成的通道對(duì)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行反射，從而實(shí)現(xiàn)多能點(diǎn)或多波長(zhǎng)的光譜選擇能力。所述的薄膜的材料選自C/S1、Mo/S1、Mo/Y或Mo/Si。所述的薄膜為多層膜。鍍制的薄膜在極紫外波段反射光譜的帶寬窄，僅幾個(gè)電子伏特，具有較高的光譜選擇能力，可以用來探測(cè)等離子體溫度等物理信息。所述的主鏡的個(gè)數(shù)為4個(gè)或8個(gè)。在主鏡和副鏡表面鍍制的薄膜還可以為寬帶多層膜，使系統(tǒng)覆蓋更寬的光譜。一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)的應(yīng)用，將成像系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)Z-pinch裝置的等離子體成像，有利于研究不同溫度的等離子體隨時(shí)間的演化過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1.本發(fā)明的物鏡具有較大的集光立體角(約10_3 I(T4Sr)，較針孔相機(jī)(約10_9sr)提高約5個(gè)數(shù)量級(jí)，較KB顯微鏡提高了 2 3個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠明顯改善像面的光強(qiáng)度，提高圖像的亮度。2.本發(fā)明在主鏡和副鏡表面鍍制多種薄膜，所鍍制的薄膜僅對(duì)特定波長(zhǎng)(能點(diǎn))的極紫外或軟X射線光反射，具有光譜選擇的本領(lǐng)，并且光譜分辨率高，能夠使同一個(gè)物所得到的圖像對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)(能點(diǎn))。3.本發(fā)明在主鏡 和副鏡表面鍍制的薄膜還可以為寬帶多層膜，使系統(tǒng)覆蓋更寬的光譜。
4.本發(fā)明的系統(tǒng)具有多能點(diǎn)成像、集光效率高及光譜分辨率高的特點(diǎn)。


圖1為實(shí)施例1中四通道極紫外成像系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1中的主鏡排布示意圖；圖3為實(shí)施例1中的的副鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實(shí)施例1的成像系統(tǒng)在四個(gè)能點(diǎn)的反射率曲線示意圖；圖5為實(shí)施例2中的主鏡排布示意圖。圖中，1為物體,2為副鏡,3為第一主鏡,4為第二主鏡,5為第三主鏡,6為第四主鏡，7為第一圖像，8為第二圖像，9為第三圖像，10為第四圖像，11為物體發(fā)出的極紫外或軟X光，12為主鏡所在的圓周，13為第一區(qū)域，14為第二區(qū)域，15為第三區(qū)域，16為第四區(qū)域，17為第一投影，18為第二投影，19為第三投影，20為第四投影，21為中心孔，22為50eV能點(diǎn)的反射率曲線，23為95eV能點(diǎn)的反射率曲線，24為150eV能點(diǎn)的反射率曲線，25為系統(tǒng)在寬帶50 IOOeV的反射率曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1一種實(shí)現(xiàn) 極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為極紫外光或軟X射線光。該成像系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)Z-Pinch裝置的等離子體進(jìn)行成像。如圖1、圖2所不，該系統(tǒng)包括4塊主鏡(分別為第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5、第四主鏡6)和一塊副鏡2，第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5、第四主鏡6均勻布設(shè)在一個(gè)圓周上，副鏡2位子該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡2共同組成一個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)同一個(gè)物體I形成一幅圖像；物體I發(fā)出的極紫外或軟X光11經(jīng)第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6反射后，均照射到副鏡2上，光再經(jīng)過副鏡2反射后形成物體的4個(gè)圖像，分別為第一圖像7、第二圖像8、第三圖像9及第四圖像10。圖1中，xoy平面垂直于軸O1O^yoz平面垂直于xoy平面，圖中，h1、h2分別表示圖像之間的距離。第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6和副鏡2的表面均鍍制薄膜，所鍍制的薄膜具有光譜選擇性，僅對(duì)特定波長(zhǎng)或能點(diǎn)的極紫外光或軟X射線光反射，能夠使同一個(gè)物體所得到的圖像對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)或能點(diǎn)。第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6分別對(duì)應(yīng)50eV、95eV、150eV和50 IOOeV寬帶光譜，所鍍制的薄膜為多層膜，材料分別為C/S1、Mo/S1、Mo/Y和Mo/Si。鍍制的薄膜在極紫外波段反射光譜的帶寬窄，僅幾個(gè)電子伏特，具有較高的光譜選擇能力，可以用來探測(cè)等離子體溫度等物理信息。如圖3所示，副鏡2為帶有中心孔21的圓形物鏡，中心孔21的直徑為50mm。在副鏡2表面鍍制薄膜時(shí)，副鏡2表面被均分成與主鏡個(gè)數(shù)相同的區(qū)域，分別為第一區(qū)域13、第二區(qū)域14、第三區(qū)域15及第四區(qū)域16。副鏡2的每個(gè)區(qū)域分別與不同的主鏡相對(duì)應(yīng)，即第一區(qū)域13、第二區(qū)域14、第三區(qū)域15及第四區(qū)域16分別與第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6 —一對(duì)應(yīng)。副鏡2每個(gè)區(qū)域鍍制的薄膜的材料和參數(shù)分別與對(duì)應(yīng)的主鏡的薄膜的材料和參數(shù)相同；副鏡2與不同主鏡構(gòu)成的不同的通道對(duì)不同波長(zhǎng)的極紫外或軟X光11進(jìn)行反射，從而實(shí)現(xiàn)多能點(diǎn)或多波長(zhǎng)的光譜選擇能力。物體I發(fā)出的光經(jīng)第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6反射后在副鏡2表面形成投影，分別為第一投影17，第二投影18，第三投影19及第四投影20。因此第一圖像7、第二圖像8、第三圖像9及第四圖像10分別對(duì)應(yīng)等離子體在50eV、95eV、150eV和50 IOOeV寬帶光譜的輻射，反映了等離子體在該溫度的輻射狀況。本實(shí)施例的成像系統(tǒng)具有高光譜分辨率的特性。圖4給出了該成像系統(tǒng)在四個(gè)能點(diǎn)(50eV、95eV、150eV和50 IOOeV寬帶光譜)的反射率曲線。系統(tǒng)在這三個(gè)單能點(diǎn)的反射率分別為22.1%，71.9%、25.7%，在50 IOOeV寬帶的反射率為10%。單能點(diǎn)的光譜帶寬分別為5.58eV，3.79eV和1.48eV，光譜分辨本領(lǐng)分別為9.0,25.1和101.4。本成像系統(tǒng)有一個(gè)通道為寬帶。50 IOOeV寬帶范圍內(nèi)，系統(tǒng)的反射率較平，說明對(duì)該范圍內(nèi)的光反射率基本相同。該特點(diǎn)可以用來獲取等離子體更多的溫度信息。實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于，該系統(tǒng)為八通道系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括八個(gè)主鏡，如圖5所示，八個(gè)主鏡均布設(shè)在同一個(gè)圓周12上，相應(yīng)的副鏡2被分割成與主鏡個(gè)數(shù)相同的區(qū)域。該系統(tǒng)包括12個(gè)或更多個(gè)主鏡，相應(yīng)的 副鏡2被分割成與主鏡個(gè)數(shù)相同的區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，用于對(duì)一個(gè)物體形成多個(gè)圖像，其特征在于，該成像系統(tǒng)包括多塊主鏡和一塊副鏡，所述的主鏡均設(shè)在一個(gè)圓周上，所述的副鏡位于該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡共同組成一個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)同一個(gè)物體形成一幅圖像； 物體發(fā)出的光經(jīng)每一個(gè)主鏡反射后，均照射到副鏡上，再經(jīng)過副鏡反射后形成與主鏡塊數(shù)相同的多幅圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的主鏡和副鏡的表面均鍍制具有光譜選擇性的薄膜，所述的薄膜僅對(duì)特定波長(zhǎng)或能點(diǎn)的極紫外光或軟X射線光進(jìn)行反射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，在副鏡表面鍍制薄膜時(shí)，將副鏡表面均分成與主鏡個(gè)數(shù)相同的區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域內(nèi)鍍制薄膜，每個(gè)區(qū)域上薄膜的材料和參數(shù)與相對(duì)應(yīng)主鏡上薄膜的材料和參數(shù)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的薄膜的材料選自C/S1、Mo/S1、Mo/Y或Mo/Si。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的薄膜為多層膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的主鏡的個(gè)數(shù)為4個(gè)或8個(gè)。
7.—種如權(quán)利要求1 6任一所述的實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于，將成像系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)Z`-pinch裝置的等離子體成像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)極紫外波段多能點(diǎn)光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應(yīng)用，該系統(tǒng)包括多塊主鏡和一塊副鏡，主鏡均設(shè)在一個(gè)圓周上，副鏡位于該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡共同組成一個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)同一個(gè)物體形成一幅圖像；物體發(fā)出的光經(jīng)每一個(gè)主鏡反射后，均照射到副鏡上，再經(jīng)過副鏡反射后形成與主鏡塊數(shù)相同的多幅圖像；該系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)Z-pinch裝置的等離子體進(jìn)行成像，一次成像即可以獲得極紫外波段、多個(gè)能點(diǎn)、高光譜分辨的等離子體圖像，有利于研究不同溫度的等離子體隨時(shí)間的演化過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有多能點(diǎn)成像、集光效率高及光譜分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK103234634SQ20131013416
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者穆寶忠, 王新, 伊圣振, 王占山, 朱京濤 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)