梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能X光成像诊断方法研究

In the study of laser inertial confinement fusion, the spectrum of the tracer element in implosion core with its gradient change in different positions can be captured by multiple monochromatic X-ray imaging, which is very helpful to determine the physical state of the hot spot from the aspects of temperature, density or areal density and mixing. At present, the multiple monochromatic X-ray imaging (MMI) based on pinhole array and periodic multilayer must utilize the means of sub-image interception, splicing and reconstruction to ensure the image monochromaticity, and there are serious problems such as weak monochromatic effect, processing complexity and signal distortion. We proposed the MMI method using graded multilayers coupled with pinhole array to solve these problems. By adjusting the periodic thickness in different positions, the monochromatic effect is directly ensured at imaging stage to avoid spectral broadening, data processing process and the introduction of various errors. The project will study fundamental issues such as overall design, multilayers fabrication, precision alignment and calibration, and perform necessary optical simulation and validation experiments to develop a high-quality multiple monochromatic X-ray imaging method, which is of great significance to improve the precision level of plasma diagnostics in the field of domestic laser inertial confinement fusion.

激光惯性约束聚变(ICF)研究中，对热斑的多色单能X光成像可以获得示踪元素特征谱的强度比、线形和半高宽等能谱信息，还能够给出空间上的梯度变化，有助于从温度、密度或面密度以及混合等方面准确评估热斑状态。现有基于周期多层膜配合针孔阵列的多色单能X光成像方法(MMI)必须通过子图像截取、拼接和重构等处理手段来保证单能性，存在着单能效果差、数据处理复杂和信号失真等严重问题。本项目提出了一种梯度多层膜耦合针孔阵列的MMI诊断方法，通过调控不同位置的多层膜周期厚度，直接保证成像结果的单能性，避免了现有MMI方法存在的能谱展宽问题以及数据处理过程引入的各种误差。本项目通过研究梯度多层膜MMI的总体方案设计、多层膜元件制备以及系统的精密调试和标定方法等基础性关键问题，并进行必要的光学仿真模拟和验证性物理实验，将发展一种高质量的多色单能X光成像方法，这对提升我国激光ICF诊断的精密化水平具有重要意义。

在激光惯性约束聚变研究中，对热斑状态的多色单能X光成像（MMI）诊断可以获得示踪元素特征谱的强度比、线形和半高宽等能谱信息，同时给出其空间的梯度变化，有助于从温度、密度或面密度以及混合等方面准确评估热斑状态。现有MMI技术主要采用周期多层膜分光器件配合针孔阵列成像，必须通过子图像截取、拼接和重构等处理手段来保证单能性，存在着单能效果差、数据处理复杂和信号失真等瓶颈问题。本项目开展基于梯度多层膜分光器件与针孔阵列相耦合的MMI诊断方法研究，系统性评估了各初始结构参数对光学性能的影响以及参数间的制约关系，建立了梯度多层膜MMI总体方案。在光学设计中，提出了通过控制针孔阵列的空间错位排布，降低多层膜梯度变化率且实现响应能量渐变控制的MMI具体光学结构，有效降低了梯度多层膜器件的制备难度，同时实现了响应能量的连续覆盖。针对多层膜梯度变化率的精确控制要求，从工艺层面探索和研究了相对高速旋转掩膜板法和变速掠靶法两类膜厚控制方法，以及超薄多层膜结构的生长行为和微观演变，择优选择变速掠靶法制备了130 mm 长Ru/C横向梯度多层膜镜。发展了基于高精度中心靠体建立多层膜元件与针孔阵列之间准确空间关系的系统装配方法，解决了梯度多层膜MMI诊断系统的精密装配难题。基于神光Ⅱ装置中能区X射线光谱测量需求，设计和研制了成功了工作能区在5.8-6.7keV的梯度多层膜MMI样机，开展了离线性能标定实验，获得了与预期指标相符，能谱分辨约70-90eV的X光多色单能成像结果。本项目解决了梯度多层膜MMI总体方案设计、梯度多层膜元件研制、系统精密装调及标定处理等基础问题，有望为我国激光ICF实验研究提供了一种多色单能X光成像诊断新技术。