用于激光等離子體時空譜診斷的x射線光學(xué)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于X射線光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)結(jié)構(gòu)，尤其是涉及一種用于激光 等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對激光等離子體進行X射線成像診斷是激光慣性約束聚變（ICF)研究的重要內(nèi) 容。將具備空間分辨能力的X射線光學(xué)系統(tǒng)與時間分辨能力的信號記錄設(shè)備（如條紋相機 等）結(jié)合，并配合分光元件（如X射線多層膜等），可以獲得激光等離子體的時間、空間、能 譜特性等重要的物理信息。X射線光學(xué)系統(tǒng)配合條紋相機是其中一種重要的診斷手段，可以 截取激光等離子體在一維方向上的空間分布及其動態(tài)演化行為。目前常用的X射線光學(xué)系 統(tǒng)主要是基于掠入射反射成像原理的Kirkpatrick-Baez顯微鏡（KB顯微鏡）及改進型KB 顯微鏡（如KBA顯微鏡）。KB顯微鏡由兩塊正交放置的球面反射鏡（SI、S2)構(gòu)成，分別在 子午和弧矢方向上實現(xiàn)聚焦，校正了單塊球面反射鏡在掠入射情況下的嚴(yán)重像散，光路結(jié) 構(gòu)如圖1。KB顯微鏡雖然校正了像散，但并沒有校正球差，同時存在嚴(yán)重的像場傾斜問題， 因此KB顯微鏡僅能在百微米量級的視場范圍實現(xiàn)優(yōu)于5微米的高空間分辨。KBA顯微鏡 是在KB顯微鏡的基礎(chǔ)上，在子午和弧矢上各多引入一塊球面鏡組成雙反鏡結(jié)構(gòu)（Ml與M2、 M3與M4)，可以有效校正球差和視場傾斜等像差，高空間分辨的有效視場擴展至毫米級，光 路結(jié)構(gòu)如圖2。在KB顯微鏡或KBA顯微鏡的物鏡反射面鍍制基于布拉格衍射的X射線周期 多層膜作為分光元件，可以在保證空間分辨的同時實現(xiàn)一定的能譜分辨。
[0003] 新一代強激光裝置靶丸尺度的增加和診斷需求的提高，對X射線光學(xué)系統(tǒng)提出了 新的要求，主要表現(xiàn)在診斷視場增大（毫米量級），工作能點提高（幾個keV)，并要求一定 的能譜分辨。KBA顯微鏡雖然具備大視場高分辨的成像特性，但是當(dāng)推進到幾個keV能點 (如4. 3keV的Sc類He線）工作時，仍然存在無法解決的局限。首先，為實現(xiàn)一定的能譜分 辨，KBA顯微鏡的物鏡反射面必須鍍制X射線周期多層膜，X射線周期多層膜在特定的掠入 射角θ〇下具有較高的反射率，但是其角度帶寬很窄。KBA系統(tǒng)雖然在中心視場（對應(yīng)中心 掠入射角G tl)具有獲得較高的集光效率，但是視場偏離使得掠入射角發(fā)生明顯變化，造成 非中心視場的集光效率因為掠入射角偏離角度帶寬范圍而迅速降低，從而限制了 KBA系統(tǒng) 實際能夠成像的有效視場范圍。其次，KBA結(jié)構(gòu)同一方向上的兩塊反射鏡互為光闌，因此在 非中心視場位置存在的漸暈也造成集光效率的迅速降低。另外，由于條紋相機是一維方向 上的圖像信息在時間分辨方向上的展開，因此要求KBA系統(tǒng)的成像具有較高的信號強度。 現(xiàn)有KBA結(jié)構(gòu)基于四次反射成像，因此在幾個keV能點工作時，入射X射線在經(jīng)過周期多層 膜四次反射后的總體反射率也會明顯降低，特別在非中心視場。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有周期多層膜KBA顯微鏡在用于幾個keV能點激光等離子體的時空 譜診斷時，存在著有效視場范圍受限和集光效率低等瓶頸問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有周期多層膜KBA顯微鏡存在的上述問題，而提出 了一種用于激光等離子體時空譜診斷的具備大視場高分辨特性的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] -種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，該光學(xué)結(jié)構(gòu)由子午方向上 一對單層膜球面鏡和弧矢方向上一塊多層膜球面鏡構(gòu)成，通過子午方向上的一對球面鏡獲 得大視場高空間分辨的成像特性。
[0008] 所述的單層膜球面鏡是在球面鏡上鍍制基于全外反射原理的金屬單層膜構(gòu)成的， 一對單層膜球面鏡用以在大視場內(nèi)獲得均勻的反射率。
[0009] 所述的多層膜球面鏡是在球面鏡上鍍制基于布拉格衍射原理的X射線周期多層 膜構(gòu)成的，多層膜球面鏡用以實現(xiàn)對激光等離子體X射線的能譜選擇。
[0010] 進一步地，所述的金屬單層膜為Ir膜。所述的X射線周期多層膜為周期數(shù)為20 的w/B 4c周期多層膜。
[0011] 為實現(xiàn)大視場內(nèi)的高空間分辨，該結(jié)構(gòu)在子午方向上仍基于KBA成像原理，但是 在兩塊球面鏡的反射面均鍍制基于全外反射原理的金屬單層膜，金屬單層膜在低于X射線 全外反射臨界角的角度變化范圍內(nèi)均具有較高的反射率，因此視場變化對集光效率的影響 并不顯著。在實際的診斷應(yīng)用時，條紋相機的光陰極狹縫方向（即空間成像方向）與本發(fā) 明X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)的子午方向一致。本發(fā)明X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)的弧矢方向?qū)?yīng)條紋相機的時 間掃描方向（即光陰極狹縫的垂直方向），該方向?qū)鈱W(xué)結(jié)構(gòu)的空間分辨能力要求不高，因 此本發(fā)明在弧矢方向采用基于KB成像原理的單塊球面鏡。為實現(xiàn)一定的能譜分辨，本發(fā)明 的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)在弧矢方向的單塊球面鏡反射面上鍍制X射線周期多層膜，由于單塊球 面鏡的工作距離更長，掠入射角隨視場變化的改變并不明顯，因此在較大的視場范圍內(nèi)均 具有較高的集光效率。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：
[0013] (1)同時具備了大視場高分辨和能譜分辨的能力。本發(fā)明提出的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu) 通過子午方向的一對球面鏡獲得高空間分辨。在該對球面鏡的反射面鍍制金屬單層膜，實 現(xiàn)了大視場范圍內(nèi)較均勻的反射效率，因此擴展了系統(tǒng)的有效視場范圍。本發(fā)明提出的X 射線光學(xué)結(jié)構(gòu)通過在弧矢方向的球面鏡反射面鍍制周期多層膜鏡，實現(xiàn)了對幾個keV能點 X射線的能譜分辨。
[0014] (2)針對幾個keV能點X射線具有更高的反射效率。本發(fā)明提出的X射線光學(xué)結(jié) 構(gòu)由三塊球面鏡構(gòu)成，因此入射X射線在鏡面的反射次數(shù)由現(xiàn)有KBA顯微鏡的四次減少為 三次，具有更高的反射效率，因此在配合條紋相機工作時具有更高的成像信號強度。
【附圖說明】
[0015] 圖1為KB系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為KBA系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)不意圖；
[0017] 圖3為X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖4為X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)在子午和弧矢面的投影視圖；
[0019] 圖5為實施例光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率和幾何集光效率隨視場的變化圖；
[0020] 圖6為實施例針對4. 3keV設(shè)計的子午方向兩塊物鏡（Tl、T2)采用的Ir單層膜和 弧矢方向單塊物鏡（T3)采用的W/B4C周期多層膜的反射率隨掠入射角變化的曲線圖；
[0021] 圖7為實施例在1. 2°的掠入射角下弧矢方向物鏡（Τ3)采用的W/B4C周期多層膜 的能譜響應(yīng)圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0023] 實施例
[0024] 一種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，圖中，B表示 條紋相機，t和h分別是條紋相機的時間掃描方向和空間成像方向。該光學(xué)結(jié)構(gòu)由子午方 向上一對單層膜球面鏡Tl、T2和弧矢方向上一塊多層膜球面鏡T3構(gòu)成，通過子午方向上的 一對球面鏡獲得大視場高空間分辨的成像特性。
[0025] 單層膜球面鏡ΤΙ、Τ2是在球面鏡上鍍制基于全外反射原理的金屬單層膜構(gòu)成的， 其中金屬單層膜為Ir膜。一對單層膜球面鏡用以在大視場內(nèi)獲得均勻的反射率。多層膜 球面鏡T3是在球面鏡上鍍制基于布拉格衍射原理的X射線周期多層膜構(gòu)成的，其中X射線 周期多層膜為周期數(shù)為20的W/B 4C周期多層膜，多層膜球面鏡用以實現(xiàn)對激光等離子體X 射線的能譜選擇。
[0026] 為實現(xiàn)大視場內(nèi)的高空間分辨，該結(jié)構(gòu)在子午方向上仍基于KBA成像原理，但是 在兩塊球面鏡的反射面均鍍制基于全外反射原理的金屬單層膜，金屬單層膜在低于X射線 全外反射臨界角的角度變化范圍內(nèi)均具有較高的反射率，因此視場變化對集光效率的影響 并不顯著。在實際的診斷應(yīng)用時，條紋相機的光陰極狹縫方向（即空間成像方向h)與本發(fā) 明X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)的子午方向一致。本發(fā)明X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)的弧矢方向?qū)?yīng)條紋相機的時 間掃描方向（即光陰極狹縫的垂直方向t)，該方向?qū)鈱W(xué)結(jié)構(gòu)的空間分辨能力要求不高， 因此本發(fā)明在弧矢方向采用基于KB成像原理的單塊球面鏡。為實現(xiàn)一定的能譜分辨，本發(fā) 明的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)在弧矢方向的單塊球面鏡反射面上鍍制X射線周期多層膜，由于單塊 球面鏡的工作距離更長，掠入射角隨視場變化的改變并不明顯，因此在較大的視場范圍內(nèi) 均具有較高的集光效率。
[0027] 本實施例適用于4. 3keV能點激光等離子體的大視場高分辨時空譜診斷。物點A 發(fā)出的X射線依次經(jīng)過子午方向的一對單層膜球面鏡ΤΙ、T2,再通過弧矢方向的一塊多層 膜球面鏡T3成像在條紋相機的光陰極狹縫位置（A'處）。如圖4所示，本發(fā)明的X射線光 學(xué)結(jié)構(gòu)在子午方向上的成像公式為：
【主權(quán)項】
1. 一種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該光學(xué)結(jié)構(gòu)由 子午方向上一對單層膜球面鏡和弧矢方向上一塊多層膜球面鏡構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述的單層膜球面鏡是在球面鏡上鍍制基于全外反射原理的金屬單層膜構(gòu)成的， 一對單層膜球面鏡用以在大視場內(nèi)獲得均勻的反射率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述的多層膜球面鏡是在球面鏡上鍍制基于布拉格衍射原理的X射線周期多層膜 構(gòu)成的，多層膜球面鏡用以實現(xiàn)對激光等離子體X射線的能譜選擇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述的金屬單層膜為Ir膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述的X射線周期多層膜為周期數(shù)為20的W/B 4C周期多層膜。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于激光等離子體時空譜診斷的X射線光學(xué)結(jié)構(gòu)，該光學(xué)結(jié)構(gòu)由子午方向上一對單層膜球面鏡和弧矢方向上一塊多層膜球面鏡構(gòu)成，子午方向上的一對單層膜球面鏡均鍍制基于全外反射原理的金屬單層膜，以在大視場內(nèi)獲得均勻的反射率，弧矢方向上的多層膜球面鏡鍍制基于布拉格衍射原理的X射線周期多層膜，以實現(xiàn)對激光等離子體X射線的能譜選擇。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過上述的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在具備一定能譜分辨的同時，解決了現(xiàn)有KB型和KBA型X射線光學(xué)系統(tǒng)在幾個keV能點工作時存在的有效集光效率隨視場增大而迅速下降，有效視場受限的問題。
【IPC分類】H05G2-00
【公開號】CN104582225
【申請?zhí)枴緾N201310469934
【發(fā)明人】穆寶忠, 章逸舟, 伊圣振, 王新, 王占山
【申請人】同濟大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月10日