高温等离子体X射线球面晶体单色成像谱学研究

在激光聚变过程中，为研究等离子体电离、不稳定性及发展、内爆碰撞辐射过程、聚爆时X射线辐射变化过程和能量转换机制，球面弯曲晶体成像仪可获得聚爆靶发射的X射线时间、空间、能谱分辨，通过测量靶球自发光来观测靶球变形，能够使等离子体成像，其图像诊断是研究高功率激光等离子体和z箍缩聚爆过程与不稳定性的主要手段。该成像能显示出聚变材料尺寸、形状和分布情况，从原理上解决辐射驱动靶球燃料界面诊断难题，为聚变点火提供重要验证依据。其优点是：晶体分析器可远离靶点，避免碎片溅射以及轫致辐射背景对被测信号覆盖影响；探测器位于罗兰圆聚焦点上拥有较高空间分辨能力；比针孔相机和波带片有更大的立体角收集辐射能力。球面晶体成像是一种有共性研究价值的基础技术，也可用于天体物理、医学、生物化学分子成像及诊断等方面的研究，具有较好的技术辐射功能。为国家大型激光装置、同步辐射装置等提供x射线探测的通用成像元件。

惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）可以提供充足且无污染的清洁能源，因此，研究ICF对我国能源的可持续发展、国防安全和天体物理研究等具有重要的意义。物理实验和诊断是目前ICF研究中非常重要的内容，发展ICF的诊断技术对完善ICF研究具有重要的科学意义和突出的现实意义。以球面弯曲晶体为核心元件的成像系统，可以得到ICF内爆过程中高温等离子体X射线能谱信息，从而可以揭示靶等离子体的特征和行为，深入了解激光束能量吸收机制，进而为驱动器与靶丸的最佳耦合设计提供依据。球面弯曲晶体成像系统也可以得到靶丸内爆单色X射线二维空间分辨信息，评估激光辐射驱动的对称性和均匀性，分析内爆靶丸推进层的运动过程，建立ICF辐射驱动的相关理论模型。本项目对球面弯曲晶体成像系统进行了较深入的研究，建立了球面弯曲晶体成像模拟平台，在国内率先研制了应用于ICF装置的球面弯曲晶体成像系统，在ICF及Z箍缩装置上进行了等离子体X射线能谱成像和单色X射线背光成像诊断实验。实验结果表明，球面弯曲晶体成像系统的能谱分辨率(λ/∆λ)达到1092，二维成像的空间分辨率约为10 μm，均达到并超过了预期指标(谱分辨率达到500以上，空间分辨率达到20 μm)。