等離子體X射線對數(shù)螺線彎晶成像技術研究.pdf

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

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靶丸成像應用中常會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的像差問題，但其六維調節(jié)難度以及晶體衍射效率等問題卻限制了實際應用。對數(shù)螺線彎晶在大立體角范圍內均具有等角特性，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、色散的特性實現(xiàn)X射線分光，用于生物醫(yī)學領域的X射線熒光和相襯成像以及實現(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的等角特性，研制應用于等離子體 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，在國家自然科學基金面上項目(No.10976033)“高溫等離子體X射線球面晶體單色成像譜學研究”和中國工程物

4、理研究院科學技術發(fā)展基金項目(No.2010B0401050)“對數(shù)螺線彎晶在 Z箍縮等離子體診斷中的應用研究”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)學性質，根據其相關特性，推導了對數(shù)螺線方程及重要幾何參數(shù)對螺線性質的影響；結合晶體 X射線衍射機理，分析了將晶體在子午面彎曲成對數(shù)螺線形狀時對 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。

5、
　　(2)從晶體對X射線的單色衍射原理出發(fā)，結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射線進行單色衍射時的特點，在此基礎上，推導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驗平臺，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驗：以Cu靶X射線源作為背景光源(特征譜線波長為0.154 nm)，分別對網絲直徑200μm、100μm和50μm的微型網格進行了背光成像實驗，驗證了透射式對數(shù)螺線彎晶成像器進行 X射線單色背光成像時成像視場大的特點，衍射圖

7、像的FWHM（網絲峰值邊沿延展的12.5％到87.5%）表明，在背景光源尺寸為110μm時，成像器子午和弧矢方向的空間分辨能力分別達到30μm和37μm，與該背光源尺寸下的理論計算相符。
　　(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類氫線Al Lyα2(2p1/2–1s1/2)和類氦互組合躍遷線

8、Al Heα(1s2p3P1–1s21S0)進行了Z箍縮聚爆等離子體K殼層單色成像實驗，并成功獲取了絲陣等離子體相應能譜的單色圖像。所獲得的單色圖像反映了等離子體的內爆形態(tài)，并在原始圖像上觀測到磁瑞利-泰勒不穩(wěn)定性造成的多個熱點。類氦線單色圖像上所反映的類似螺旋形結構還表明，箍縮過程中產生了凍結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)次實驗中同時捕捉到絲陣內爆等離子體多個能譜的單色像，在單通道對數(shù)螺線晶體

9、成像器基礎上，進一步研制了多通道對數(shù)螺線晶體成像器，并在“陽”加速器上進行了 Z箍縮鋁絲陣內爆等離子體單色成像實驗。在成功捕獲的鋁絲陣多能點單色圖像中，可以看出，不同能點的圖像在空間強度分布上存在差異，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)象與實際 Z箍縮內爆規(guī)律相符合。此外，在成像器