2. 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2. Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900, China
受控聚变可为人类提供几乎无限的清洁能源,缓解人类日益增长的能源资源矛盾,其中,惯性约束核聚变(ICF)又称靶丸聚变[1],是实现受控核聚变的一种途径。在惯性约束聚变的研究中,聚变靶丸在高强度激光束或X射线激发下的聚爆稳定性是重要内容之一,同时,惯性约束聚变过程中束靶耦合及爆聚燃烧都是发生在极短时间、极小空间中的物理现象,而且会产生超高密度的高温等离子体,这些特性要求惯性约束聚变的诊断应有相当苛刻的参量测量性能,因此,需要发展各种具有高时空及能谱分辨能力的等离子体诊断技术[2-3]。
对聚爆过程中的等离子体进行成像能显示出聚变材料的尺寸、形状和分布情况[4-6],能深入研究等离子体状态及辐射的时空特性。利用晶体谱仪,可以对等离子体X射线进行衍射成像[7-8],为聚变点火提供重要验证依据,是一种理想的等离子诊断工具。与平面晶体或者柱面凸晶谱仪相比,相同尺寸的球面[9-11]和超环面弯晶[12-14]诊断X射线时能有效降低空间尺寸对谱线宽度的影响,获得更高的能谱分辨力;此外,球面及超环面弯晶的成像性能使其能够对激光等离子体进行成像,同时记录等离子体X射线的能量和空间分布信息。球面弯晶衍射成像时需要X射线近垂直入射,当X射线偏离垂直方向入射时,球面弯晶得到的X射线衍射图像在子午和弧矢方向的放大比将不同,为得到等放大比的图像,需要精确选定成像板的位置,该原理限制了球面弯晶的使用范围。当布拉格角偏离直角时,超环面弯晶可利用其不同的子午面和弧矢面曲率半径来消除像散,从而实现在子午和弧矢方向等放大比的不失真等离子体X射线衍射图像。
在前期研制的椭圆及球面晶体分析器[15-16]的基础上,文中基于X射线Bragg衍射原理研制了子午和弧矢曲率半径分别为290 mm和196 mm的超环面晶体分析器。采用云母作为衍射晶体,X射线IP板作为等离子体X射线成像器件,利用X射线衍射仪铬靶Kα单色谱成像,对所研制的晶体分析器进行了网格的二维背光成像。
1 超环面晶体分析器超环面晶体分析器利用X射线在晶体中的布拉格衍射和球面几何光学原理,实现对目标物体的单色成像。在用超环面晶体分析器对物体进行背光衍射成像时,用于照明的背光光源位于罗兰圆附近,被成像物体位于光源和晶体之间。背光成像原理图如图 1所示。
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图 1 超环面晶体背光成像原理 |
假设光源与晶体中心所成的布拉格角为θ,该角度由布拉格衍射条件确定。
$ 2d\sin \theta = n\lambda, $ | (1) |
式中:d是晶体的晶面间距;θ是入射光与晶面的夹角;λ是入射X射线波长;n是衍射级次。用超环面晶体进行背光成像时,光源在子午和弧矢2个方向分别满足如下透镜成像公式,在子午面上
$ \frac{1}{p} + \frac{1}{q} = \frac{2}{{{R_{\rm{m}}}\sin \theta }}, $ | (2) |
在弧矢面上
$ \frac{1}{p} + \frac{1}{{q'}} = \frac{{2\sin \theta }}{{{R_{\rm{s}}}}}, $ | (3) |
式中:p是光源到超环面晶体中心的距离,当成像器件为球面弯晶时,光源在子午和弧矢面的成像聚焦位置不同,分别为q和q′[14],对于超环面,调节其子午和弧矢面的曲率半径Rm和Rs,使Rs=Rmsin2θ,则子午平面和弧矢平面的像将在同一位置聚焦,即q=q′。记物体距晶体中心距离为a,若将成像板置于距晶体中心d的位置,则系统的成像放大率可简单的表示为
$ M = \frac{p}{q} \times \frac{{d - q}}{{p - a}}。$ | (4) |
该公式对子午和弧矢方向都适用。
2 超环面晶体分析器研制由于云母晶体的衍射效率较高,且材料弹性好,因此,采用云母材料作为衍射晶体。目前能够使用的晶体最大尺寸在80 mm左右。将云母晶体解理成0.2 mm的薄片,这些薄片置于一定温度条件下,在凹凸折弯机上进行塑性弯曲,凹面和凸面超环面形的模具精确地决定了晶体的曲率半径。在凹面模具表面和云母晶体片之间放置了橡胶垫圈,以减少压力过大可能导致的晶体损坏。弯曲成型后的云母晶体片贴于已经做好的超环面玻璃基底表面,制成用于X射线背光成像的超环面晶体分析器。超环面的表面形状应符合设计的理论数据,晶体分析器子午和弧矢面的焦距分别为290 mm和196 mm,借助于三坐标仪测得超环面曲线最大误差为5 μm。目前已进行的超环面晶体分析器背光成像实验结果证明,该晶体分析器具有高光谱分辨力和灵敏度,对波长范围为0. 2~0. 4 nm的X射线其谱分辨力(λ/Δλ)可达1 000,因此超环面弯曲晶体特别适用于研究等离子体X射线光谱学及其光谱成像。
3 背光成像实验 3.1 实验条件制成的超环面晶体分析器在X射线衍射仪装置上进行了X光背光成像实验,采用铬靶X射线源作为背光源,其Kα特征谱线波长为2.29 Å(5.406 keV),负载电流为10 mA,电压为50 kV,曝光时间180 s。为对超环面晶体分析器的成像空间分辨力进行验证,在线状铬靶射线源前加500 μm小孔,使实验所用射线源尺寸接近实际激光等离子体尺寸。云母晶体分析器的晶格常数2d=19.8 Å,将云母7阶作为衍射面,铬靶与晶体中心线成54°角,以满足Bragg衍射条件。
以X射线源作为背光源,在射线源与晶体之间放置网孔尺寸为200 μm×200 μm的金属网格,光源发出的射线经晶体衍射并聚焦后,将金属网格的像成在IP板上,其中射线源、金属网格到晶体的距离及晶体与成像板的距离分别为250、125、460 mm,实验装置如图 2所示。为了比较球面晶体和超环面晶体的成像效果,在相同成像角度条件下,用球面晶体分析器也进行了二维衍射成像,表 1列出了实验所用超环面晶体分析器和球面晶体分析器的各项指标及实验参数。
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图 2 背光成像实验装置图 |
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表 1 晶体分析器背光成像实验参数 |
图 3是超环面晶体和球面晶体分析器的衍射图像,被成像网格的网孔呈3×3阵列排布,外加最上方尺寸稍大的定位孔。对比图 3(a)和3(b)可以看出,当布拉格角偏离90°时,相同成像角度条件下,超环面晶体分析器得到的衍射图像在子午和弧矢2个方向具有相同的放大倍数,能够更直观地反映被测物体的状态信息,而相同成像角度条件下,由于成像板偏离最佳成像位置,球面晶体分析器得到的衍射图像在子午和弧矢方向的放大倍数不同,图像产生变形,在这种情况下,不能直接通过衍射图像获得被测等离子体状态信息,而需要根据成像条件做额外的分析。
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图 3 网格目标X射线背光衍射二维单能像 |
用WinView软件对图 3(a)所示超环面晶体分析器衍射图像进行分析,得到图像的三维像素强度分布如图 4所示。图 4中靠近Y轴一侧的图像像素强度值较低,是因为实验时射线源中心出光孔位置的偏差。另外,对比图 4中网格衍射图像在X轴和Y轴的坐标可知,图像在X轴和Y轴的像素尺寸相当,证明当Bragg角为54°时,超环面晶体分析器得到的衍射图像在子午和弧矢2个方向的放大倍数相当。
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图 4 衍射图像的三维像素强度图 |
为得到超环面晶体分析器的空间分辨力,图 5给出了图 3(a)所示衍射图像的二维局部像素强度分布图。由图 5可知,图像的半高宽(FWHM)约为5个像素点,成像板每个像素点对应的实际尺寸为25 μm。将实验时的距离参数带入式(2)或式(3),求得光源聚焦距离q=238 mm,再将各参数连同求得的q值带入式(4),得到上述实验条件下,系统成像放大倍数为1.86倍。结合图像半高宽为5个像素点,当光源尺寸为500 μm时,超环面晶体分析的空间分辨力(由衍射图像半高宽尺寸与图像放大倍数的比值决定)约为67 μm。
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图 5 衍射图像的像素强度分布图 |
基于X射线布拉格衍射原理,研制了子午和弧矢曲率半径分别为290 mm和196 mm的云母超环面晶体分析器,在X射线衍射仪上进行了200 μm×200 μm网孔间隔金属网格的背光成像实验,获得了在子午和弧矢2个方向上等放大倍数的二维单能衍射图像。实验结果验证了超环面晶体分析器对等离子体X射线的等放大比单能成像能力,通过对网格的二维单能像进行分析,得出当光源尺寸为500 μm时,所研制超环面晶体分析器用于成像时的空间分辨力为67 μm。目前超环面晶体分析器的成像分辨力受限于光源尺寸,当光源尺寸进一步减小时,分析器空间分辨力有望达到微米量级[12]。
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