基于开放式Wolter构型的高通量超高空间分辨率X射线显微成像技术研究

Laser inertial confinement fusion (ICF) is one of the effective technical ways to achieve controlled nuclear fusion. High-precision X-ray imaging diagnosis is the key to understanding the implosion process and revealing unknown physical problems at the ignition scale. Currently widely used pinhole cameras and KB microscopes are limited in the key technical specifications including spatial resolution and collection efficiency, and it is difficult to meet the needs of future high-quality physical diagnostics in China. Exploring how to break the bottleneck and further improve the technical level of imaging diagnostics is a meaningful and challenging work. This project plans to develop X-ray microscopic imaging technique based on the open Wolter configuration. Focus on theoretical researches of the off-axis aberration of the Wolter double-mirror configuration, optical design of the open Wolter microscope, and calibration method for sub-micron ultra-high spatial resolution imaging. The design, fabrication and calibration of the ultra-smooth broadband flat response Wolter mirrors are performed. This results in a new diagnostic method with breakthrough technical specifications, which advances the spatial resolution to better than 3μm, locally reaching submicron near the diffraction limit, and improves the geometric collection efficiency of the system to 10^-5~10^-6 sr scale, 1 to 2 orders of magnitude higher than regular KB microscopes.

激光惯性约束聚变(ICF)是实现受控核聚变的有效技术途径之一。高精密的X射线成像诊断是深入理解内爆过程，揭示点火尺度下未知物理问题的关键。目前广泛使用的针孔相机和KB显微镜在空间分辨率和集光效率两项关键技术指标上受限，难以满足我国未来高品质物理诊断的需要。探究如何打破瓶颈，进一步提升成像诊断的技术水平，是一项具有意义且充满挑战的工作。本项目拟开展基于开放式Wolter构型的X射线显微成像技术研究。重点开展Wolter双镜构型的轴外像差理论研究，开放式扇面结构的Wolter显微镜设计，以及亚微米超高空间分辨率的标定方法研究。开展超光滑宽带平响应Wolter反射镜的设计、制备与标定。由此形成带有突破性技术指标特征的诊断新方法，将显微成像的空间分辨率推进到优于3μm，局部甚至达到接近衍射极限的亚微米；将系统的几何集光效率提升到10^-5~10^-6 sr量级，比常规的KB显微镜高1~2个数量级。

激光惯性约束聚变(ICF)是一项仍处在开发阶段的极具潜力的受控核聚变技术，对能源发展和战略国防等都有着重要意义。在聚爆压缩过程中，原始尺度在几百微米至毫米量级的氘氚燃料靶丸在纳秒级的时间内被压缩至几十微米，燃料状态达到类似于星球内部的高温、高压状态。高精密的X射线成像诊断技术成为深入理解内爆过程，揭示诸多点火尺度下还不清楚的物理问题的关键。.本项目重点开展了基于开放式Wolter构型的高通量超高空间分辨率X射线显微成像技术研究，用于弥补现有诊断设备在超快时间分辨诊断中面临的响应效率和分辨率不足的难题。研究内容包括：基于像差理论的开放式Wolter显微镜的光学设计，超光滑超高面型精度宽带多层膜反射镜的设计与制备，开放式Wolter显微镜系统效用的评估与靶源强度定量化反演等多个方面。.项目围绕着开放式Wolter显微成像技术，形成了一整套包含像差理论、设计方法、关键元件及测试方法等在内的技术体系。具体包括：建立了一整套基于开放式Wolter显微镜构型的像差理论分析模型，首次提出该构型的轴外像差理论表达式，进一步揭示出影响像质的关键因子。提出了开放式Wolter显微镜的设计方法，开展了多种类型的显微镜设计工作。特色工作包括，提出了一种适用Rayleigh-Taylor不稳定性诊断的高分辨率Wolter显微镜设计，和提出了一种工作在17.48keV能点的高通量平响应Wolter显微镜设计。项目突破了超光滑平响应X射线反射镜的设计与研制，给出了平响应薄膜与系统耦合的计算方法，以及硬X射线宽带平响应多层膜元件的设计与制备方法等。初步建立了基于该显微镜构型的空间分辨率和系统响应效率评估方法等。.项目提出一种用于ICF诊断的高通量高空间分辨率X射线显微成像技术方法。该方法能够进一步提升X射线成像诊断的信噪比和分辨率，特别是将显微成像的空间分辨率推进到＜3μm水平，局部达到接近衍射限的亚微米水平，同时将系统的几何集光立体角保持在10^-5~10^-6 sr量级。相关技术方法特别用于内爆对称性、Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性以及燃料混合等问题的研究。