1 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 四川大学原子与分子物理研究所, 四川 成都 610065
在基于大型激光装置的惯性约束聚变实验研究中,球面弯晶成像是一种能够实现准单能高分辨成像的测量技术。采用类点投影的高分辨背光排布设计,在万焦耳级神光系列激光装置中,球面弯晶成像系统被应用于流体力学不稳定性和内爆压缩流线等多种激光等离子体实验研究中。在球形样品烧蚀压缩过程界面轨迹测量应用中,球面弯晶成像具有大视场、准单色和背光分布自匀滑等优势。在不改变成像系统排布参数的条件下,通过对成像参数的设计优化,平衡了子午方向和弧矢方向分辨率对一维界面轨迹测量的影响。在使用具有更大尺寸的背光源条件下,实现了界面轨迹吸收图像空间分辨率的提高,并且有效提升了图像的信噪比。将优化的球面弯晶成像系统与替代靶设计相结合,实现了2.1%的内爆速度测量精度。
光学学报
2022, 42(11): 1134012
Author Affiliations
Abstract
1 Shanghai Institute of Laser Plasma, China Academy of Engineering Physics, Shanghai 201899, China
2 National Laboratory on High Power Lasers and Physics, Shanghai 201899, China
An aberration-free imaging technique was used to design a double-spherically bent crystal spectrometer with high energy and spatial resolutions to ensure that the individual spectral lines are represented as perfectly straight lines on the detector. After obtaining the matched parameters of the two crystals via geometry-based optimization, an alignment method was employed to allow the spacing between the crystals and the detector to be coupled with the source. The working principle of this spectrum-measuring scheme was evaluated using a Cu X-ray tube. High-quality spectra with energy resolutions (E/ΔE) of approximately 3577 were obtained for a relatively large source size.
double-spherically bent crystal aberration-free imaging X-ray spectra Chinese Optics Letters
2020, 18(6): 061101
1 同济大学 教育部先进微结构材料重点实验室, 上海200092
2 同济大学 物理科学与工程学院, 上海200092
基于动态X射线荧光成像技术对高集光效率、单色化成像诊断设备的需求，提出了一种四通道球面弯晶成像系统设计。采用“圆锥体”空间排布方式，解决了多个通道耦合问题。通过调整弯晶姿态，实现了像点的合理分布。针对4.51 keV能点，采用Ge(400)球面弯晶作为成像元件，给出了四通道弯晶成像系统的光学初始结构参数。在实验中利用Ti靶X射线光管，对单个通道进行了网格背光成像，获得的二维图像放大倍数为7.8倍，空间分辨率达到15 μm，初步验证了系统的成像性能。四通道弯晶成像系统与分幅相机结合，能有效解决动态X射线荧光成像技术信号弱、图像信噪比低的技术难点。
球面弯晶 动态X射线荧光成像 单色成像 空间分辨率 spherically bent crystal dynamic X-ray fluorescence imaging monochromatic imaging spatial resolution 强激光与粒子束
2019, 31(5): 052001
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心 等离子体物理重点实验室， 四川 绵阳 621900
为满足“神光Ⅱ”升级激光装置实验的激光等离子体高空间分辨和窄带宽的精密成像诊断需求，本文研究球面弯晶单色成像技术，并对其进行优化设计及实验验证。首先，使用光线追迹方法分析了成像像距、布拉格角、背光源尺寸等成像系统参数对球面弯晶成像性能的影响，分析了设计参数的变化对成像空间分辨能力的影响，并在X射线管上开展了测试验证实验。研究结果表明: 二维成像时，在等分辨成像像距处可以获得较好的成像结果，增大布拉格角可以抑制像差进而提高成像质量，更小的背光源尺寸也有助于提高成像的空间分辨率。测试实验获得了清晰的网格背光成像，成像结果与预期相符，空间分辨率优于14 μm。这一工作有助于球面弯晶成像系统的优化设计及其在激光等离子体精密诊断中的应用。
X射线成像 球面弯晶 光线追迹 单色成像 等离子体 X-ray imaging spherically bent crystal ray tracing monochromatic imaging plasma 光学 精密工程
2017, 25(11): 2852
1 山西大同大学 物理与电子科学学院，山西 大同 037009
2 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400030
为了评估惯性约束聚变实验中激光辐射驱动的对称性和均匀性，分析靶丸的运动过程，设计一种新型诊断单色X射线的弯曲晶体布喇格成像系统，该系统核心部件由色散元件球面弯曲晶体和探测装置组成.利用光线追踪软件对该成像系统进行模拟验证，并搭建了晶体布喇格成像系统进行X射线背光成像测试实验.实验获得了清晰的Cr靶单色X射线背光二维网格信息，石英球面晶体布喇格成像系统空间分辨率为83 μm，表明该成像系统可以用于等离子体X射线的背光成像诊断.
球面弯曲晶体 布喇格成像 X射线成像 空间分辨率 背光成像诊断 Spherically bent crystal Bragg spectrometer Backlighting imaging Spatial resolution Backlighting imaging diagnosis
1 山西大同大学 物理与电子科学学院, 山西 大同 037009
2 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400030
为了诊断激光装置聚爆靶辐射等离子体内部的分布及运动过程, 搭建了基于球面弯曲晶体的能谱成像系统。该系统的核心元件为弯曲半径为200 mm的石英球面弯曲晶体(1011), 利用晶体的晶格结构进行反射, 利用弯曲表面实现聚焦。在中国工程物理研究院神光Ⅲ原型激光装置上利用该能谱成像系统首次进行X射线能谱成像实验。IP成像板得到了清晰的高Z元素Au等离子体X射线能谱。能谱信息分析显示, 石英球面弯曲晶体得到的能谱分辨率约为1 380, 与能谱分辨模型理论值的误差为3.9%。该结果表明石英球面弯曲晶体具有很好能谱分辨能力。
光谱学 球面弯曲晶体 X射线成像 能谱分辨 spectroscopy spherically bent crystal X-ray imaging spectral resolution
1 山西大同大学 物理与电子科学学院, 山西 大同 037009
2 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆400030
为了实现对惯性约束聚变的诊断, 获取聚爆过程中高温等离子体X射线能谱信息和内爆靶丸的二维空间分辨信息, 利用晶体的布拉格衍射特性设计制作了球面晶体分析器, 晶体弯曲半径为125 mm。为了验证球面晶体的空间分辨能力, 搭建了背光成像平台进行了背光成像实验, 石英球面晶体为衍射核心元件, 接收装置IP板得到了Cu靶的二维空间分辨信息, 基于石英球面晶体的成像平台得到的空间分辨率约为100 μm。
X射线光学 球面弯曲晶体 背光成像 空间分辨率 X-ray optics spherically bent crystal backlighting imaging spatial resolution
1 山西大同大学 物理与电子科学学院, 山西 大同 037009
2 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆400030
球面晶体背光成像系统是一种重要的惯性约束聚变诊断技术, 为了验证球面晶体背光成像系统性能, 优化成像系统结构, 利用光线追踪软件SHADOW对该系统背光成像进行模拟, 对成像系统参量中成像物体位置、球面晶体弯曲半径和布拉格角等进行了模拟分析。结果表明: 布拉格角为57°和65°的球面晶体背光成像系统, 当成像物体厚度或者物体放置的误差Δa=±1 mm,晶体弯曲半径误差ΔR=±3 mm, 布拉格角误差Δθ=±0.1 mrad时, 在子午面和弧矢面光线追踪模拟的2个成像系统的相对放大率与经过相对放大率公式计算的结果比较吻合, 说明参量的微小变化对成像系统的相对放大率影响较小, 成像系统性能稳定可靠。
球面晶体 X射线成像 光线追踪 相对放大率 spherically bent crystal X-ray imaging ray tracing relative magnification
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
介绍了基于球面弯晶的X射线高分辨单色背光成像技术。通过对球面弯晶背光成像系统的分析，获得成像关键性能参数随成像系统设计参数变化的关系，设计了应用于神光Ⅱ激光装置的单色背光成像系统。利用石英球面弯晶，采用Mg的类H共振发射线以及利用云母球面弯晶，采用Mo连续谱中3.14 keV能点进行背光实验，获得了内爆靶丸的单色投影图像，空间分辨在较大范围内好于5 μm。这种成像技术在现阶段惯性约束聚变(ICF)实验研究中能够发挥许多重要的作用，特别是对内爆靶丸压缩流线的测量和流体力学不稳定性的诊断。
球面弯晶 背光成像 空间分辨 能谱分辨 spherically bent crystal backlight spatial resolution spectral resolution 强激光与粒子束
2013, 25(12): 3119
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心， 四川 绵阳 621900
利用石英(1010)球面弯晶作为X光成像元件，自主研制了应用于神光系列激光装置上的高分辨球面晶体X光成像系统。在实验中利用Mg作为背光材料，获得四周期网格子午方向放大倍数13.95倍、弧矢方向放大倍数11.61倍、中心能点1.472 keV、分辨率达到4 μm的X光图像，其谱分辨达到1.2×10-4。它为在激光惯性约束聚变内爆、流体不稳定性等物理实验中X光测量提供了重要诊断手段。
球面弯晶 单色成像 高分辨 静态图像 Spherically bent crystal monochromatic imaging high resolution static image
