无谐波光源单色化技术及其在黑腔辐射软X光谱测量中的应用研究

Accurate measurement of hohlraum soft x-ray spectrum in Inertial Confinement Fusion (ICF) research meet two bottlenecks. The first one is that the respond function of the energy channel of the multi-energy-channel filter/XRD array soft x-ray spectrometer used in hohlraum soft x-ray spectrum measurement is not ideal δ-like function, which makes the measurement data cannot reflect the hohlraum emmited spectrum directly; and the second one, the higher-order harmonic components existed in the wavelength tunable monochromatic soft x-ray beam, which is applied in the calibration of the x-ray devices and/or elements before the measurement may bring in big errors. To solve these problems , in this project, we will develop a novel soft x-ray dispersive element named as single-focus reflection zone plate which may focus monochromatic soft x-ray and has only one focus. Arm with the new technology a new methodology of soft x-ray monochromitization will be built. The new methodology may provid a kind of energy channel with δ-like respond for soft x-ray spectrometer and be used in soft x-ray beam monochromization free from higher-order harmonic contaminate and thus, contributes a solid base for accurate measurement of hohraum soft x-ray spectrum in ICF. The superior properties of the new developed so-called single-focus reflection zone plate may bring unprecedented opportunity for the field of soft x-ray spectroscopy and monochromization.

辐射驱动惯性约束聚变研究中，黑腔辐射软X 光谱的准确测量遭遇两个技术 瓶颈：1、用于黑腔辐射软X 光谱测量的多能量通道滤片/XRD 阵列光谱仪的各个能量通道其 能谱响应曲线不是理想的类δ脉冲函数，致使其测量数据不能直接反映黑腔辐射发射谱；2、 应用于黑腔辐射软X 光谱测量设备元器件标定的能量可调的软X 光单能束线，存在显著的高次谐波组分，致使标定数据不准确，为黑腔辐射软X 光谱数据分析带来较大误差。针对以上问题，本项目拟研制一种新型X 光色散元件"单焦点反射波带片"，并藉此开发一种新的软X射线单色化技术，一方面实现软X 光谱仪能量通道的类δ响应，另一方面可以有效消除软X光单色化束线的高次谐波污染，为实现惯性约束聚变黑腔辐射软X 光谱精密化测量奠定技术基础。反射式单焦点波带片的优良工作特性将为软X 光谱分析技术和光源单色化技术带来前所未有的技术机遇。

X射线的诊断技术广泛应用于天体物理、激光聚变、惯性约聚变点火研究、物质组成分析等领域，超短X射线源的发展让人类对物理过程的认知扩展到了超快过程领域，为物质的元素、物相、晶体结构，产品、材料的无损检测、微电路的光刻检验及人体的医疗检查等提供了重要的分析手段，广泛应用于科学、医疗、卫生、军事及工农业等各个方面。XUV光的单色化、光谱测量需要有一定能量分辨的色散元件，如两块光栅构成的单色器、OPM（Off-plane Mounting）单色器等，然而这些单色器都使用了多块光学元件，会使得传输效率降低。而反射式波带片集色散、聚焦于一体，当在离轴工作模式时能排除零级背景光，且理论聚焦尺寸可小于体衍射的10 nm限制。这些特性使得用它构造的光学系统传输效率更高，且简化了单色器的设计。普通的反射式波带片是基于光栅方程，分光得到的准单色光中不可避免会叠加谐波成分，使得光谱纯度下降，并为后续的解谱带来不便。. 项目组探究了反射式波带片的结构、构造方法和基本原理，并基于标量衍射理论对反射式波带片的衍射特性进行了模拟分析；提出了一种单焦点的一维反射式波带片，模拟结果表明其能够有效抑制高级焦点。其次，提出了反射式波带片光线追迹算法，编制了相应的计算机仿真程序和模块，为相关光学系统研制提供了重要工具。设计制作了用于验证衍射特性的可见光波段的反射式波带片，通过模拟、实验验证了其的衍射特性。最后，根据黑腔辐射软X 射线光谱测量实际应用情况设计、制作了基于反射式波带片的软X光多通道谱仪，并利用微波等离子体光源进行了实验表征。. 本项目的成功开展，为国内的新型光源单色化技术，为以激光驱动惯性约束聚变黑腔辐射软X 射线光谱精密化诊断打下理论和实验基础，为国内外软X 射线光源单色化和光谱分析前沿科学技术领域的精密化研究与发展开辟新的技术途径。