[发明专利]用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构

说明书

技术领域

本发明属于X射线光学系统领域，涉及一种光学结构，尤其是涉及一种用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构。

背景技术

对激光等离子体进行X射线成像诊断是激光惯性约束聚变(ICF)研究的重要内容。将具备空间分辨能力的X射线光学系统与时间分辨能力的信号记录设备(如条纹相机等)结合，并配合分光元件(如X射线多层膜等)，可以获得激光等离子体的时间、空间、能谱特性等重要的物理信息。X射线光学系统配合条纹相机是其中一种重要的诊断手段，可以截取激光等离子体在一维方向上的空间分布及其动态演化行为。目前常用的X射线光学系统主要是基于掠入射反射成像原理的Kirkpatrick-Baez显微镜(KB显微镜)及改进型KB显微镜(如KBA显微镜)。KB显微镜由两块正交放置的球面反射镜(S1、S2)构成，分别在子午和弧矢方向上实现聚焦，校正了单块球面反射镜在掠入射情况下的严重像散，光路结构如图1。KB显微镜虽然校正了像散，但并没有校正球差，同时存在严重的像场倾斜问题，因此KB显微镜仅能在百微米量级的视场范围实现优于5微米的高空间分辨。KBA显微镜是在KB显微镜的基础上，在子午和弧矢上各多引入一块球面镜组成双反镜结构(M1与M2、M3与M4)，可以有效校正球差和视场倾斜等像差，高空间分辨的有效视场扩展至毫米级，光路结构如图2。在KB显微镜或KBA显微镜的物镜反射面镀制基于布拉格衍射的X射线周期多层膜作为分光元件，可以在保证空间分辨的同时实现一定的能谱分辨。

新一代强激光装置靶丸尺度的增加和诊断需求的提高，对X射线光学系统提出了新的要求，主要表现在诊断视场增大(毫米量级)，工作能点提高(几个keV)，并要求一定的能谱分辨。KBA显微镜虽然具备大视场高分辨的成像特性，但是当推进到几个keV能点(如4.3keV的Sc类He线)工作时，仍然存在无法解决的局限。首先，为实现一定的能谱分辨，KBA显微镜的物镜反射面必须镀制X射线周期多层膜，X射线周期多层膜在特定的掠入射角θ₀下具有较高的反射率，但是其角度带宽很窄。KBA系统虽然在中心视场(对应中心掠入射角θ₀)具有获得较高的集光效率，但是视场偏离使得掠入射角发生明显变化，造成非中心视场的集光效率因为掠入射角偏离角度带宽范围而迅速降低，从而限制了KBA系统实际能够成像的有效视场范围。其次，KBA结构同一方向上的两块反射镜互为光阑，因此在非中心视场位置存在的渐晕也造成集光效率的迅速降低。另外，由于条纹相机是一维方向上的图像信息在时间分辨方向上的展开，因此要求KBA系统的成像具有较高的信号强度。现有KBA结构基于四次反射成像，因此在几个keV能点工作时，入射X射线在经过周期多层膜四次反射后的总体反射率也会明显降低，特别在非中心视场。

综上所述，现有周期多层膜KBA显微镜在用于几个keV能点激光等离子体的时空谱诊断时，存在着有效视场范围受限和集光效率低等瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有周期多层膜KBA显微镜存在的上述问题，而提出了一种用于激光等离子体时空谱诊断的具备大视场高分辨特性的X射线光学结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于激光等离子体时空谱诊断的X射线光学结构，该光学结构由子午方向上一对单层膜球面镜和弧矢方向上一块多层膜球面镜构成，通过子午方向上的一对球面镜获得大视场高空间分辨的成像特性。

所述的单层膜球面镜是在球面镜上镀制基于全外反射原理的金属单层膜构成的，一对单层膜球面镜用以在大视场内获得均匀的反射率。

所述的多层膜球面镜是在球面镜上镀制基于布拉格衍射原理的X射线周期多层膜构成的，多层膜球面镜用以实现对激光等离子体X射线的能谱选择。

进一步地，所述的金属单层膜为Ir膜。所述的X射线周期多层膜为周期数为20的W/B₄C周期多层膜。