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X光透射帶通技術

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-06-30 訪問數:

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1918年,康普頓在實驗中發現X光存在小角度的反射現象,由此人們認識到:X射線光學是光學的一個分支。因此能譜選擇或者帶通的方法一直是以掠入射反射光學構成。但是小角度反射光路系統會帶來視差、像差及視場受限等問題,解決方法只有讓X光像可見光一樣,具備透射式的帶通濾波。與可見光不同,X光折射率小于1而且不等于1,要使之在材料中進行光學偏折從而實現透射帶通,必須有高透及折射的材料匹配,但是幾乎所有元素的吸收限(原子共振和吸收線)都在軟X射線波段,因此遇到的科學問題就變得無法克服。

項目組在國際上率先開展了基于圓孔微通道板的透射標定實驗,提出了透射帶通概念,通過方孔光學通道設計和標定,進一步建立了透射帶通方法?;谧灾魈岢龅耐干鋷ǚ椒?,開展了系列的技術攻關,首次在透射模式下實現了X光的寬范圍選能和成像,使得X射線短波長光學首次具備了透射濾波的新技術。該方法和技術屬我院自主創新,項目技術難度大、精密性和工程性極強。項目組經過10年刻苦攻關,解決了理論設計、工藝突破、系統集成等一系列難題,在激光慣性約束聚變物理實驗中取得廣泛應用,獲得重要的應用成果。

1  透射帶通設計技術

由于所有元素的原子共振和吸收線都落在X光波段,X光無法像可見光一樣通過光路折射實現透射式選能和成像。盡管康普頓于1916年證實X光在掠入射條件下存在強反射從而使人們相信X光也是光學的一個分支,但掠入射光學系統是離軸光路系統,其復雜光路結構及器件制備工藝使得X光光學的應用范圍大受限制。許多在可見光波段輕而易舉即可實現的功能,如分光(選能)X光波段卻十分困難。針對此關鍵科學問題,項目組在國際上首次提出X光透射選能方法。該方法基于微鏡單元的X-ray Optics構建X光空間光導,如圖1所示。該方法在小于空間分辨單元內構建X光空間光導,單光導元為大長徑比的復合精密的微間隙結構單元,可實現可控多次的光路引導并實現高反射和強吸收的光學效果,進而實現X透射帶通。

X光透射帶通技術

基于亞空間分辨X光光導思想,分析了圓孔、六角和方孔光導結構的帶通光學特性。經過綜合比較三種構型微通道板的X光帶通特性,實現有效軟X光平面帶通的設計,解決通道出射效率低和截止邊能點過低的問題。通過光導類型元精細匹配和精密標定,建立了低通、中通、高通技術,實現了X光像可見光一樣的寬范圍透射帶通?;?/SPAN>I型光導元建立了寬帶及窄帶的低能段通帶設計和實現能力,達到與反射帶通效率相當,而且比反射帶通更具穩定性;基于型光導元建立了2~6 keV中能段通帶設計和實現能力;基于型光導元,建立了近20 keV高能段通帶設計和實現能力。

2  透射帶通診斷工程化技術

透射帶通診斷工程化與應用技術主要圍繞時空譜分辨診斷一體化系統,如透射帶通分頻組件與分幅相機耦合,前端光學系統的核心為X光透射帶通光路,其主要由指示目標模擬靶、針孔陣列、前置濾片和透射帶通器件陣列等構成。采用了插件化設計,可實現前置濾片、針孔陣列板和透射帶通器件等光學元件的快速插拔與調節。

    由于光路設計中首次引入了透射帶通器件,而帶通器件的空間角度需嚴格控制。為了實現光路準直,仿照大型激光裝置的模擬光校準方法,提出了多光路追蹤的診斷系統瞄準方法。以多光路模擬打靶和多光路模擬成像為核心設計,既能夠達到激光經緯儀和科士達長焦距顯微鏡的瞄準精度,又可以實現高精度的重復定位。2為透射帶通譜和診斷系統實物圖。

X光透射帶通技術

3  透射帶通診斷系統應用

       美國點火攻關計劃遭遇重大挫折,ICF研究面臨著前所未有的挑戰。革新現有診斷技術進而以更高的精密化水平揭示和量化許多超越當前認知的精細物理過程是破解點火難題的重要途徑。在ICF物理中,激光與靶相互作用產生的X光輻射的時間、空間和光譜信息均蘊含了豐富的物理內涵,實現譜分辨的瞬態二維照相是ICF研究中急需建立的診斷能力。長期以來,X光選能依賴于掠入射光學系統,但其復雜的光路和器件制備工藝使其應用范圍大受限制。本項目發展的透射帶通選能新方法從根本上解決了X光帶通選能面臨的應用難題,為ICF診斷和X射線光學發展提供了全新的技術途徑。以該技術為核心的高時空分辨透射帶通成像系統已在物理實驗中獲取實驗數據300多發,獲得一系列新穎的重要的實驗成果。典型的應用成果主要有:

   1在某物理研究中首次觀測到高質量的金等離子體Bubble膨脹圖像(N帶和M帶同時觀測),所得數據對黑腔輻射物理中某模型做出重要的校驗和修正。

X光透射帶通技術

2在某物理實驗中首次觀測到激光注入孔“縮口-再打開”現象。激光注入常規縮口后,具有激光注入口再打開的現象,很好地促進了聚變物理實驗研究的進展。

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