等離子體X射線對數(shù)螺線彎晶成像技術(shù)研究.pdf

1、慣性約束聚變(ICF)和Z箍縮研究的開展不僅在基礎(chǔ)物理探索方面，而且在國民經(jīng)濟(jì)和軍事等領(lǐng)域均具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。兩者物理過程的復(fù)雜性以及可控性需要與之相匹配的診斷技術(shù)和裝置，建立相應(yīng)的綜合診斷系統(tǒng)可以為慣性約束聚變研究提供保證，是ICF和Z箍縮研究的重點(diǎn)內(nèi)容。將彎曲晶體分析器作為信息獲取最前端，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的 X射線成像系統(tǒng)，是ICF和Z箍縮診斷技術(shù)研究中常用裝置。
　　目前，現(xiàn)有的成像系統(tǒng)通?；诜瓷涫讲祭裨順?gòu)建，

2、如球面及超環(huán)面彎晶成像譜儀，球面彎晶成像譜儀用于 X射線單能成像時(shí)要求布拉格角要盡量大于80°以減小成像像差，在ICF靶丸成像應(yīng)用中常會(huì)影響其他成像器件的空間布置，另外，在 Z箍縮等離子體單能成像時(shí)不具備寬的視場區(qū)域；相較于球面彎晶，超環(huán)面彎晶能夠解決其在小布拉格角成像時(shí)的像差問題，但其六維調(diào)節(jié)難度以及晶體衍射效率等問題卻限制了實(shí)際應(yīng)用。對數(shù)螺線彎晶在大立體角范圍內(nèi)均具有等角特性，從而具有較寬的單色成像視場范圍，目前，對對數(shù)螺線彎曲晶體

3、的研究主要是利用其聚焦、色散的特性實(shí)現(xiàn)X射線分光，用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的X射線熒光和相襯成像以及實(shí)現(xiàn)同步輻射光源的單色化。然而，利用對數(shù)螺線彎晶所特有的在大立體角內(nèi)的等角特性，研制應(yīng)用于等離子體 X射線成像的透射及反射式對數(shù)螺線彎晶分析器尚未見報(bào)道。
　　因此，鑒于ICF和Z箍縮爆聚過程對等離子體X射線單色成像診斷的迫切需求，在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.10976033)“高溫等離子體X射線球面晶體單色成像譜學(xué)研究”和中國工程物

4、理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金項(xiàng)目(No.2010B0401050)“對數(shù)螺線彎晶在 Z箍縮等離子體診斷中的應(yīng)用研究”的資助下，圍繞對數(shù)螺線彎晶成像器的 X射線單色成像原理及其應(yīng)用，開展了如下研究工作：
　　(1)分析了對數(shù)螺線的幾何數(shù)學(xué)性質(zhì)，根據(jù)其相關(guān)特性，推導(dǎo)了對數(shù)螺線方程及重要幾何參數(shù)對螺線性質(zhì)的影響；結(jié)合晶體 X射線衍射機(jī)理，分析了將晶體在子午面彎曲成對數(shù)螺線形狀時(shí)對 X射線的衍射特性，為研制對數(shù)螺線彎曲晶體提供了理論分析基礎(chǔ)。

5、
　　(2)從晶體對X射線的單色衍射原理出發(fā)，結(jié)合彎曲晶體片層模型，分析了對數(shù)螺線彎曲晶體對等離子體 X射線進(jìn)行單色衍射時(shí)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了透射和反射式對數(shù)螺線彎晶公式，分別研究了透射式對數(shù)螺線彎晶和針孔配接反射式對數(shù)螺線彎晶用于 X射線單色成像的原理；理論分析了兩種類型彎晶成像系統(tǒng)的成像放大倍數(shù)、成像視場、空間分辨率等性能參數(shù)，探討了成像探測器的位置選取原則，并采用光線追跡原理分別對兩種成像系統(tǒng)進(jìn)行了成像仿真，分析了背光

6、源位置偏移對透射式對數(shù)螺線彎晶成像性能造成的影響。
　　(3)研制了透射式石英對數(shù)螺線彎晶成像器(晶格常數(shù)0.8512 nm)，并搭建了單色背光成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了透射式對數(shù)螺線彎晶的 X射線單色背光成像測試實(shí)驗(yàn)：以Cu靶X射線源作為背景光源(特征譜線波長為0.154 nm)，分別對網(wǎng)絲直徑200μm、100μm和50μm的微型網(wǎng)格進(jìn)行了背光成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了透射式對數(shù)螺線彎晶成像器進(jìn)行 X射線單色背光成像時(shí)成像視場大的特點(diǎn)，衍射圖

7、像的FWHM（網(wǎng)絲峰值邊沿延展的12.5％到87.5%）表明，在背景光源尺寸為110μm時(shí)，成像器子午和弧矢方向的空間分辨能力分別達(dá)到30μm和37μm，與該背光源尺寸下的理論計(jì)算相符。
　　(4)研制了針孔配接反射式對數(shù)螺線晶體的單色成像器，在中國工程物理研究院“陽”加速器上，針對鋁絲陣內(nèi)爆等離子體，用研制的石英(1010)和云母(002)對數(shù)螺線晶體分析器分別瞄準(zhǔn)類氫線Al Lyα2(2p1/2–1s1/2)和類氦互組合躍遷線

8、Al Heα(1s2p3P1–1s21S0)進(jìn)行了Z箍縮聚爆等離子體K殼層單色成像實(shí)驗(yàn)，并成功獲取了絲陣等離子體相應(yīng)能譜的單色圖像。所獲得的單色圖像反映了等離子體的內(nèi)爆形態(tài)，并在原始圖像上觀測到磁瑞利-泰勒不穩(wěn)定性造成的多個(gè)熱點(diǎn)。類氦線單色圖像上所反映的類似螺旋形結(jié)構(gòu)還表明，箍縮過程中產(chǎn)生了凍結(jié)于膨脹等離子體中的軸向磁場。
　　(5)為提高成像器效率，并在同發(fā)次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)捕捉到絲陣內(nèi)爆等離子體多個(gè)能譜的單色像，在單通道對數(shù)螺線晶體

9、成像器基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制了多通道對數(shù)螺線晶體成像器，并在“陽”加速器上進(jìn)行了 Z箍縮鋁絲陣內(nèi)爆等離子體單色成像實(shí)驗(yàn)。在成功捕獲的鋁絲陣多能點(diǎn)單色圖像中，可以看出，不同能點(diǎn)的圖像在空間強(qiáng)度分布上存在差異，Hα線的亮區(qū)比 Heα線圖像的亮區(qū)窄，且更集中于絲陣等離子體軸心，說明原子被激發(fā)到類氫離子的數(shù)量少于類氦離子的數(shù)量；亮斑中心主要集中在軸線上，說明軸心處等離子體溫度和密度比外圍等離子體高，該現(xiàn)象與實(shí)際 Z箍縮內(nèi)爆規(guī)律相符合。此外，在成像器