一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统

摘要

本发明涉及一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，该系统包括在子午方向上依次排列的两块KB物镜和在弧矢方向上依次排列的两块KB物镜；物点发出的X射线经过子午方向上的两块KB物镜分别反射后形成两个通道的一维成像，随后两个通道的一维成像再经过弧矢方向上的两块KB物镜分别反射后形成四个通道的两维成像。与现有技术相比，本发明提出的四通道KB系统的四块KB物镜采用依次排列的方式，在空间上没有相互干扰，也就降低了装调难度，显著降低了四通道KB系统对背光X射线尺寸的要求，相应的提高了单位面积上的背光X射线强度，拓展了四通道KB系统在ICF物理实验中的应用范围，适合在我国目前强激光装置上使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种ICF等离子体诊断用四通道X射线显微成像系统，尤其是涉 及一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统。

背景技术

X射线背光成像是进行高能量密度物理(HEDP)和惯性约束聚变(ICF)研究的重 要诊断手段。四通道KB显微成像系统是在惯性约束聚变(ICF)研究中进行时间分幅 高温高密度等离子体诊断的关键设备，已经在美国OMEGA上得到广泛应用。四通道 KB显微成像系统与分幅相机配合，可以通过对四幅图像在不同时刻依次响应的方 式实现时间分辨，展现了等离子体在二维空间方向上的瞬时状态。现有四通道KB 系统的物镜结构如图1所示，四块反射镜在子午和弧矢方向上两两平行相对，并按 照前后顺序依次排列，空间位置关系由物镜中心处的高精度支撑方芯保证。支撑方 芯的四个侧棱留有倒角，是X射线成像通道。四通道KB系统在子午方向上的光学 结构如图2所示。其中，s为四通道KB系统对样品靶中心位置成像所要求的背光 源半尺寸st为背光源到样品靶的距离；Φ为样品靶直径；θ为KB反射镜工作掠 入射角：d为KB反射镜镜长；h为子午方向上像点的距离。上述各结构参数之间 存在如式(1)所示的关系，弧矢方向上的结构参数关系与式(1)相同。但由于两组 KB反射镜按照前后顺序依次排列，因此子午和弧矢方向上的结构参数在具体数值 上有轻微差异。可以看出，为了保证待成像物点被完全照亮，现有四通道KB系统 需要的背光源尺寸S存在如式(2)所示的关系。

s＝2·st·tanθ(1)

S≥2·st·tanθ+Φ(2)

根据ICF物理实验要求，背光源到样品靶的距离st受到一定的限制。目前常 用四通道KB系统的工作掠入射角可达2°，由式(2)可知在靶丸尺寸Φ＝300μm和 st＝10mm时需要约1mm的背光X射线尺寸。国外强激光装置通过多路激光驱动背光 靶的方式来获得毫米量级的背光X射线尺寸，但是我国现有强激光装置仅有1路激 光作为背光X射线的驱动源，该路激光采用点聚焦模式获得的背光X射线尺寸仅约 400μm，但单位面积上的X射线强度较高；采用阵列模式虽然背光X射线尺寸提高 到毫米量级，但是相应的单位面积上的背光X射线强度明显降低，因此无法满足时 间分辨ICF物理实验对背光X射线通量的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种调装难度 小、应用范围广的在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，该系统包括在子午方向 上依次排列的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)和在弧矢方向上依次排列的两块 KB物镜(即物镜C与物镜D)；

物点发出的X射线经过子午方向上的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)分 别反射后形成两个通道的一维成像，随后两个通道的一维成像再经过弧矢方向上的 两块KB物镜(即物镜C与物镜D)分别反射后形成四个通道的两维成像。

在子午方向上依次排列的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)的工作反射面处 于同一平面内，以避免阻挡X射线的通过。

在弧矢方向上依次排列的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)的工作反射面处 于同一平面内。

子午方向上的第二块KB物镜(即物镜B)和弧矢方向上的第一块KB物镜(即 物镜C)正交接触放置，二者的距离固定(为二者各自的半镜长之和)。

子午方向上的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)与物点的距离不同，物点设 在物镜A的一侧，子午方向上的两块KB物镜具有不同的曲率半径，以分别满足 KB系统的成像公式。

弧矢方向上的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)与物点的距离不同，物点设 在物镜C的一侧，弧矢方向上的两块KB物镜具有不同的曲率半径，以分别满足 KB系统的成像公式。

子午方向上的第一块KB物镜(即物镜A)的曲率半径与弧矢方向上的第一块 KB物镜(即物镜C)的曲率半径相同；子午方向上的第二块KB物镜(即物镜B) 的曲率半径与弧矢方向上的第二块KB物镜(即物镜D)的曲率半径相同。

所述的四个通道的两维成像由四个KB像点组成，所述的四个KB像点成像于 分幅相机接收面上。

调整子午方向或弧矢方向上两块KB物镜之间的距离来调节四个KB像点之间 的间隔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、传统的四通道KB系统的四块物镜在子午和弧矢方向上两两一组相对排列， 物点与相对排列的两块KB物镜之间夹角较大，因此需要毫米量级的背光X射线尺 寸，这在我国现有强激光装置上很难实现，并且单位面积上的背光X射线强度也无 法保证某些高光通量ICF物理实验的进行。本发明提出了一种新型的四通道KB显 微成像系统结构，采用三四百微米的背光X射线尺寸即可实现对四个通道的全部照 明，显著降低了四通道KB系统对背光X射线尺寸的要求，相应的提高了单位面积 上的背光X射线强度，拓展了四通道KB系统在ICF物理实验中的应用范围，适合 在我国目前强激光装置上使用。

2、传统的四通道KB系统的四块物镜在子午和弧矢方向上两两一组相对排列， 四块KB物镜在空间上紧密排列，装调难度大。而本发明提出的四通道KB系统的四 块KB物镜采用依次排列的方式，在空间上没有相互干扰，也就降低了装调难度。

附图说明

图1为现有的四通道KB显微成像系统示意图；

图2为现有的四通道KB显微成像系统的光路结构图；

图3为本发明的系统的光路结构图；

图4为本发明的系统在子午(弧矢)方向上的侧视图；

图5为用光学设计软件ZEMAX得到的实施例1中四个像点在分幅相机接收 面的空间排布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，如图3所示，包括子 午方向上两块依次排列的KB物镜(即物镜A与物镜B)和弧矢方向上两块依次排 列的KB物镜(即物镜C与物镜D)。物点发出的X射线经过子午方向上的两块 KB物镜(即物镜A与物镜B)分别反射后形成两个通道的一维成像，随后这两个 通道的一维成像再经过弧矢方向上的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)反射后在 分幅相机接收面形成四个通道的两维成像。具体的成像关系如下：物镜A和物镜C 参与形成像1；物镜A和物镜D参与形成像4；物镜B和物镜C参与形成像2；物 镜B和物镜D参与形成像3。

图3在子午方向上的投影如图4所示。物镜A与物镜B的工作反射面处于同 一平面P内，以避免阻挡X射线的通过。其在分幅相机接收面上的像点的间隔h 可以通过调整子午方向上物镜A与物镜B之间的距离T1或弧矢方向上的物镜C 与物镜D之间的距离T2来实现。为降低本发明的KB物镜装配难度，子午方向上 的物镜B和弧矢方向的物镜C正交接触放置，二者的距离固定(即T＝d)。子午方向 上的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)与物点的距离u1和u2不同，因此两块物 镜具有不同的曲率半径R1和R2，以分别满足KB系统的成像公式。弧矢方向上的 两块KB物镜(即物镜C与物镜D)与物点的距离u3和u4不同，因此两块物镜具 有不同的曲率半径R3和R4，以分别满足KB系统的成像公式。为降低KB物镜加 工成本，弧矢方向上的物镜C的曲率半径R3和子午方向上的物镜A的曲率半径 R1相同，即R3＝R1；子午方向上的物镜B的曲率半径R2与弧矢方向上的物镜D 的曲率半径R4相同，即R4＝R2。

由图4可以得到本发明的四通道KB系统所需要的背光X射线尺寸S如式(3) 和(4)所示。本发明的四通道KB系统所需要的背光X射线尺寸仅约350μm。

S≥st·tanβ+Φ(3)

β＝θ₁-θ₂＝T₁·θ₂/u₁(4)

首先确定子午方向上两块KB物镜即物镜A与物镜B的初始时结构参数。首 先基于ICF物理实验对空间分辨率的要求，基于物镜A的成像公式(5)确定其初始 结构参数如表1中序号1所示。四块KB物镜镜长d均为10mm。物镜A与物镜B 的间隔T₁＝20mm，并且两者的工作反射面处于同一平面P内，此时物镜A的掠入 射角θ₁和物镜B的掠入射角θ₂存在如式(4)所示的关系，基于物镜B的成像公式(6) 和式(4)将其初始结构参数完全确定，如表1中序号2所示。

$\frac{1}{u_1}+\frac{1}{v_1}=\frac{2}{R_1\sin {\theta }_1},$v₁＝M₁·u₁(5)

$\frac{1}{u_2}+\frac{1}{v_2}=\frac{2}{R_2\sin {\theta }_2},$u₂＝u₁+T₁，v₂＝v₁-T₁(6)

其次确定弧矢方向上物镜C与物镜D的初始结构参数。结合物镜C的成像公 式(7)确定物镜C的初始结构参数如表1中序号3所示。

$\frac{1}{u_3}+\frac{1}{v_3}=\frac{2}{R_3\sin {\theta }_3},$u₃＝u₂+T，v₃＝v₂-T(7)

物镜D的成像关系如式(8)所示，据此计算出物镜D的初始结构参数如表1中 序号4所示。

$\frac{1}{u_4}+\frac{1}{v_4}=\frac{2}{R_4\sin {\theta }_4},$u₄＝u₃+T₂，v₄＝v₃-T₂，θ₃-θ₄＝θ₄·T₂/u₃(8)

由式(2)可知现有四通道KB系统在靶丸尺寸Φ＝300μm和st＝10mm时需要约 1mm的背光X射线尺寸。根据表1结果结合式(3)可知，本实施例的四通道KB系 统在靶丸尺寸Φ＝300μm和st＝10mm时仅需要约320μm的背光X射线尺寸。

表1

该背光X射线尺寸在我国现有强激光装置采用点聚焦模式即获得。通过 ZEMAX非序列模式模拟本实施例的四通道KB显微成像系统，可以得到靶丸尺寸 Φ＝300μm时分幅相机接收面的成像情况，如图5所示，子午和弧矢方向上四个像 点的间距为11mm，四个通道的KB像点完全可以区分。