高分辨率X射线非球面KB显微镜研究

Kirkpatrick-Baez显微镜（简称KB显微镜）是激光惯性约束聚变诊断的高精密成像仪器。目前，KB显微镜的光学元件采用的是球面镜或柱面镜，系统只能校正像散。针对激光惯性约束聚变诊断对高分辨X射线成像手段的需求，本项目采用非球面光学元件代替球面光学元件，以校正系统的球差，使系统的成像空间分辨率由目前的3微米提高到约1微米。项目的主要研究内容包括：建立非球面KB系统的光学设计模型，解决超光滑非球面反射镜的制作方法与检测方法问题，研制"双能点"多层膜光学元件以解决软X射线掠入射系统的高精度装调难题。最终实现高分辨的X射线非球面KB显微成像系统的研制。项目的实施将突破目前X射线掠入射成像系统的空间分辨极限，为我国激光惯性约束聚变精密诊断平台的建设提供支撑。

X射线KB显微成像是实现激光惯性约束聚变高精密诊断的关键技术。基于球面结构的KB系统只能校正像散，成像空间分辨率受到球差等限制。因此，本项目旨在研制具有更高空间分辨能力的非球面KB成像系统，采用椭圆柱面光学元件代替球面光学元件校正系统的球差，使系统的成像空间分辨率由目前的3微米提高到约1微米的精度。按照任务书的要求，开展了非球面KB系统光学设计、X射线KB系统像质评价方法、X射线KB系统光学元件制备、系统高精密装调方法及X射线KB系统成像性能检测等研究工作。（1）非球面KB系统光学设计：根据成像实验所用的X射线光源的能点8.04keV，计算得到了多层膜对该能点高反时的掠入射角度；结合椭圆柱面光学系统的椭圆方程计算得到了KB系统的初始结构；利用Matlab编写程序，模拟计算了设计的非球面KB系统的成像性能，计算了空间分辨率随物方视场的变化情况；分析了非球面KB系统和球面结构KB系统成像性能的差异。（2）X射线KB系统像质评价方法研究：建立了基于光学传递函数的KB系统像质评价模型；采用ZEMAX光线追迹软件结合自编Matlab程序模拟计算了KB系统工作能点、放大倍数、掠入射角度及曲率半径等参数对KB系统光学传递函数的影响。（3）X射线KB系统光学元件制备：采用抛光的方式制备了超光滑非球面光学元件基底，制备的光学元件基底表面粗糙度小于0.3nm；通过编写程序设计了KB系统用的多层膜结构，采用磁控溅射的方式制备了多层膜光学元件，通过优化薄膜的制备工艺，提高了制备的多层膜的均匀性及峰值反射率。（4）系统高精密装调方法研究：根据系统的光学结构和工作能点设计制备了装调用的双能点多层膜；结合模拟定位球的瞄准方法，实现了在X射线波段对KB系统高精度的装调。（5）X射线KB系统成像性能检测研究：利用8.04keV能点的X射线光源照明1500lp/mm栅网，对研制的KB系统进行了成像实验，研制的KB系统在中心视场的空间分辨率接近1微米，200微米视场内的空间分辨率优于3微米，较传统的球面KB系统具有明显的提高。