真空紫外到X射线是电磁波谱中波长比较短的部分，包含真空紫外、远紫外、极紫外、软X射线和硬X射线。这一波段的光波长短、能量大，按照锐利判据，由其构成的光学系统可以实现更精细的聚焦和成像。工作波长为13.5 nm的极紫外光刻已成为生产10 nm以下线宽集成电路的主流生产手段，推动了半导体行业的持续进步。基于X射线的聚焦成像系统已能获得几纳米的分辨率，实现了物质微观结构的精密观测。同时，这一波段的光子能量范围覆盖了几乎所有元素的价电子和芯能级轨道，具有精确分辨材料成分、价态和局域电子结构的能力。基于该波段的成像、光谱、散射、衍射等研究方法在同步辐射和自由电子激光、惯性约束聚变等国家大科学装置以及实验室检测设备中都有广泛应用，已成为生物医学诊断、天文观测、材料分析、工业探伤、环境科学等领域不可或缺的表征手段和今后科技产业革命的重要技术之一。
探究了在毛细管内充入气压比为8∶1的Ar-He混合气体条件下,初始气压对46.9 nm激光输出特性的影响。通过测量Ar-He混合气体产生46.9 nm激光的气压范围和每个气压下对应的激光强度与光斑形态信息,总结出激光输出特性与初始气压的关系。然后,从等离子体柱的角度分析了混合气体初始气压对激光光斑的影响,得到了混合气体初始气压导致46.9 nm激光输出特性发生变化的原因。以上对激光特性的研究对于提高激光幅值和改变光斑形状有益。
扇形X射线微孔器件(MPOS)是一种新型的X射线聚焦器件。相较传统微孔聚焦器件,其具有集成度高、轻量化等优势,在空间X射线探测方面具有应用前景。基于MPOS聚焦理论,设计并研制出MPOS聚焦器件,其微孔内壁粗糙度为0.4~0.5 nm,微孔排列精度约为5.5%。使用点对点X射线测试平台对器件的聚焦能力进行检测,结果表明,在工作电压为5.0 kV,电流为0.1 mA条件下,聚焦焦斑形貌为清晰的类六角星形,角分辨率为7.7'@1 keV。
针对较大视场高分辨率微焦点计算机断层成像(micro-CT)提出了一种射线源平移CT(STCT)成像方法,该方法采用基于图像全变差最小化的联合迭代(SIRT-TV)图像重建算法,存在图像重建时间较长、计算量大等问题。对斜坡滤波器进行分解,且基于傅里叶变换性质,推导了一种基于求导-希尔伯特变换-反投影(DHB)的STCT解析重建算法(STCT-DHB)。仿真和实际实验结果表明,STCT-DHB算法能有效抑制图像的高频噪声,在保证重建图像的质量的同时可提高图像重建效率。
针对现有非局部均值算法降噪后的计算机断层扫描(CT)图像仍存在边缘模糊、细小特征信息消失等问题,提出一种特征融合的自适应非局部均值降噪方法。首先对中心像素进行相似性判断以排除非相似像素加权对降噪效果的影响;然后从相似框矩阵最大特征值与像素间欧氏距离方面考虑图像的自相似性,提出一种特征融合的高斯加权方法;基于结构张量对自适应滤波系数进行上下确界约束,解决了因目前滤波系数下确界为零而影响图像质量的问题。通过仿真和实际应用证明本文算法具有更好的保边缘和细节信息效果,本文算法相较于非局部均值算法在结构相似度上平均提高了约4%,而峰值信噪比平均提高了近4 dB。
常规显微计算机断层成像(CT)存在空间分辨率越高CT扫描视场越小的矛盾。近年来提出的基于电子束偏转扫描阵列微焦点X射线源的大视场显微CT(EBMCT),不仅保持了高空间分辨率的优点,也大幅扩大了CT扫描视场,增大了可检样品的尺寸。但EBMCT特殊的多焦点阵列扫描方式,导致其投影数据既存在截断问题也存在冗余问题。目前EBMCT一般采用对投影数据要求不高的迭代图像重建算法。然而,阵列焦点的投影数据量庞大,迭代算法的计算消耗大、重建时间长,难以满足EBMCT快速CT扫描检测需求。提出了一种平滑加权多源滤波反投影(MSFBP)算法。仿真和实验结果表明,算法很好地消除了投影数据冗余带来的伪影,并较好地抑制了截断伪影;均方根误差、峰值信噪比、结构相似性、空间分辨率等重建图像质量指标均优于常规重排等传统图像重建算法。在计算机硬件、图像矩阵等相同的条件下,所提算法的重建速度比联合代数迭代重建算法快3.3倍以上,为EBMCT系统在快速、大视场CT检测应用方面提供了良好的基础。
飞秒激光作用于等离子体可以产生短脉宽、高亮度的极紫外(EUV)辐射,在高分辨率成像、时间分辨谱学等方面都有潜在的应用。为进一步提高辐射亮度,利用相对论飞秒激光与碳纳米管泡沫(CNF)靶相互作用实现了高转换效率的EUV辐射。实验结果表明,当激光能量为1.2 J,CNF密度为4 mg/cm 3时,单发产生的EUV辐射光谱强度在0.1 mJ·nm -1·sr -1量级。相比高密度固体靶,采用低密度CNF靶可以有效地提高激光吸收率,进而实现两个量级的EUV辐射效率增益。同时发现,基于CNF的EUV辐射在15~30 nm波长范围内具有准连续的宽谱特征,适合于超快吸收光谱等应用。
高能X射线微焦斑在高能微束X射线分析技术中具有重要应用。为了获得高能X射线微焦斑透镜,理论设计了基于锥形单毛细管的高能X射线微焦斑透镜,该类锥形毛细管透镜可以把能量为100 keV的X射线会聚成微焦斑,焦斑直径和功率密度增益分别在微米和几十量级,对应的焦距为5毫米左右;并且理论模拟了该类锥形毛细管透镜采用玻璃反射面和金属(纯金)反射面后的特性,在透镜焦斑处,采用纯金金属反射面的锥形毛细管透镜的光通量为采用普通硅酸盐玻璃反射面的锥形毛细管透镜的14.8倍。模拟结果对锥形单毛细管X射线透镜的研制和应用具有指导意义。
基于目前世界上先进光源的硬X射线光谱仪的设计算法,采用圆柱面强弯曲布拉格晶体分光实现高能量分辨。提出了一种新型二次衍射分光光谱仪结构,可在3~25 keV光子能量范围内实现单发脉冲2×10 5的能量分辨率。运用理论分析和数值计算验证了光谱仪的能量分辨性能,并通过机械扫描得到带宽大于1%的重组光谱。该技术可以用于测量上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)硬X射线波段自放大自发辐射光谱中的细锐结构以及用户科学实验中的高分辨光谱的探测和应用,具有重要的研究价值和意义。
设计了一个以蓝宝石晶体作为布拉格反射镜构成的谐振腔系统,控制X光脉冲辐射束的状态以实现其在一个开放腔中的稳定传输,进而形成振荡。以两块平面晶体布拉格反射镜构成的开放稳定腔系统为模型,通过计算其传输矩阵和分析辐射束横向稳定性条件,得到了谐振腔中两块透镜的焦距和间距的关系。优化该谐振腔系统设计参数使之满足增益最大化条件,即辐射束瑞利长度ZR与电子束聚焦参数Zβ匹配。使用X射线追迹软件SHADOW进行光学追迹模拟。模拟结果显示,辐射束在整个谐振腔系统中传输的单程损耗小于20%,在谐振腔中振荡一个周期后的状态与初始状态虽然有所差异但仍可接受。模拟结果表明了该谐振腔系统光学设计参数的可行性。
