等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置及瞄准方法

摘要

本发明涉及一种等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置及瞄准方法，该装置包括模拟定位组件及其调整机构，模拟定位组件包括定位杆、模拟定位件、滑块、支架、直线导轨及物镜组，定位杆的一端连接模拟定位件，另一端连接滑块，支架下侧设有直线导轨，上侧设有物镜组，滑块与直线导轨滑动连接，支架连接调整机构；首先在工具显微镜的监视下，完成模拟定位件和方孔网格的标记孔的重合，然后通过X射线网格成像实验，使得系统的最佳物点与方孔网格的最佳视场重合，最后用环氧树脂将物镜组与支架固化在一起。与现有技术相比，本发明具有系统可靠性高、理论的和实际的瞄准精度高、结构简单、成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体诊断用X射线光学系统的装调领域，尤其是涉及一种等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置及瞄准方法。

背景技术

X射线光学系统是惯性约束聚变(ICF)研究中进行精密化等离子体诊断的关键设备，主要是指基于X射线掠入射反射式成像原理的KB/KBA和Wolter显微成像系统，另外还可在能谱诊断中作为聚光元件以提高X射线的收集效率。这类光学系统的像质随掠入射角的变化非常明显，有效物方视场仅有几百微米，因此对物点的瞄准定位精度要求达到几十微米，才能实现高空间分辨的成像指标。

目前，等离子体诊断领域X射线光学系统的瞄准定位方式有：

(1)多通道中心定位

多通道X射线系统存在中心对称轴，物点位于该对称轴中心。因此在系统对面靶口位置进行观测可以基本确定中心轴，而物距方向的位置则可以通过符合物距长度的支架进行标定。该方法目前主要在美国NOVA和OMEGA等强激光装置上使用。

该方法可以在实验室内完成多通道KB显微镜的粗调，但是精调需要强激光装置上进行若干次的在线调试实验，另外，配合条纹相机的单通道X射线光学系统为非对称掠入射结构，无法采用这种瞄准方法。

(2)可见光辅助瞄准

可见光辅助瞄准方法按照传统可见光装调方式对X射线光学系统物镜元件和物像点进行定位，或者进行可见光波段的直接成像以确定物镜元件和物像点的位置关系。这种瞄准方法主要有以下三个缺点：1、X射线光学系统的数值孔径在10^-3-10^-4量级，此时可见光衍射效应的极限分辨率达到几百微米，因而限制了瞄准精度；2、根据物镜元件参数的名义值确定的物像点，与实际的最佳物像点存在偏差，并且非共轴光学系统物镜元件和物像点之间的位置关系本身就难以精确标定，3、需要一套独立于X射线光学系统的可见光成像设备，结构复杂，同时引入了额外的误差，因此瞄准精度和可靠性较差。

(3)双路激光瞄准

双路激光瞄准方法首先通过实验室内X射线成像实验寻找到系统的物点，然后利用两束激光的空间交汇来对该物点予以标定。受靶室空间限制，两束激光的夹角不能太大，因此轴向定位误差大，瞄准误差跟激光焦斑大小和重叠度判断有关，整套系统瞄准误差较大。

申请公布号为CN101793515A和CN102038552A的中国发明专利申请在双路激光瞄准方式的基础上，用一组长焦光学镜头替代双路激光瞄准，通过CCD成像元件并经过后期图像处理后，将靶丸进行精确标定。长焦镜头、CCD成像元件以及后期图像处理过程的引入在理论上可以获得很高的瞄准精度，但是系统结构复杂，长期可靠性差，制造成本高，不适合在强激光装置中的大规模使用。未来强激光装置的综合物理实验中，将很难有足够的空间角放置几套至几十套采用该瞄准机构的诊断设备。另外，该方法必须直接观测到诊断物，因此不适用于某些黑腔靶物理实验的瞄准。

上述瞄准方式已逐渐不能满足精密等离子体诊断研究的发展要求，因此迫切需要一种方便、灵活且可靠的用于X射线诊断设备的高精度瞄准装置及相应瞄准方法。

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等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置及瞄准方法。本发明方便、灵活且可靠，借助强激光靶定位装置本身所用的模拟定位件和市售直线导轨即可离线完成X射线光学系统最佳物点的精确标定。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置，该装置包括模拟定位组件及其调整机构，所述的模拟定位组件包括定位杆、模拟定位件、滑块、支架、直线导轨及物镜组，所述的定位杆的一端连接模拟定位件，另一端连接滑块，所述的支架下侧设有直线导轨，上侧设有物镜组，所述的滑块与直线导轨滑动连接，所述的支架连接调整机构。

所述的调整机构通过调整X射线成像系统的自身姿态，完成X射线成像系统的瞄准与指向操作。另外，根据具体物理实验要求，调整机构还可直接采用强激光装置诊断设备插入件(类似美国国家点火装置的DIM)。

所述的模拟定位件为与待诊断目标尺寸相近的机械元件。

所述的滑块与直线导轨通过手动或者电动的方式滑动连接。并且可以拆下或收回，从而避免物理实验过程对模拟定位件的损伤。

所述的直线导轨的一端设有限位件。限位件用于限制滑块的位置，滑块顶住限位件即代表模拟定位件达到标准位置，其重复定位精度由直线导轨和限位件保证，采用普通级市售直线导轨及滑块即可达到10-20微米的精度，而使用精密级直线导轨和滑块更可以达到5-10微米的精度。

所述的X射线光学系统为基于多层膜对掠入射X射线的Bragg衍射或全外反射原理工作的KB显微系统、KBA显微系统或Wolter显微系统。

一种等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置的瞄准方法，利用工具显微镜的监视调节模拟定位件与方孔网格的标记孔重合，通过X射线网格成像实验，调节系统的最佳物点与方孔网格的最佳视场重合，将物镜组固定在支架上。该方法包括以下步骤：

(1)调节工具显微镜的分划叉丝，标定模拟定位件的标准位置；

(2)将滑块从直线导轨中取出，调节方孔网格的标记孔与模拟定位件的标准位置重合；

(3)移除工具显微镜，用三维光学调节台连接待装配的物镜组，并用光纤灯对系统光路进行粗调，光纤灯发出的光线穿过方孔网格，经物镜组成像于像面探测器上；

(4)移去光纤灯，打开X射线光源和像面探测器，进行X射线成像实验，调节系统的最佳物点位置与方孔网格的最佳视场重合，将方孔网格的标记孔位于该位置；

(5)移去方孔网格，将滑块放回直线导轨，对模拟定位件进行X射线成像，检测像面探测器记录下的模拟定位件的图像是否与标记孔图像位置重合，若不重合则重复步骤(1)至步骤(4)，若重合则进行步骤(6)；

(6)将物镜组固定在支架上，撤除三维光学调节台。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)系统可靠性高：本发明的模拟定位装置可移动的部件只在直线导轨和滑块之间，直线导轨及滑块是可以实现高精度往复运动，并可承受一定方向扭矩的导向运动组件，是一种模块化的自动化领域的标准件滑块(如HIWIN或THK等)，其工业加工水平足以保证10-20微米的重复定位精度，其它部件均是直接机械连接或者树脂固化，因此本发明的系统可靠性高；

(2)理论的和实际的瞄准精度都比较高：本发明通过直接的X射线成像实验对最佳物点进行瞄准，瞄准精度仅取决于工具显微镜对模拟定位件的观测误差，可以避免其它非直接成像装调方式所带来的额外误差，因此本发明的理论的和实际的瞄准精度都比较高；

(3)结构简单：在强激光装置靶腔内调整完成后，瞄准装置仅留有一根直线导轨，基本不会占用额外的空间角，因此特别适合强激光装置综合物理实验中几套至几十套采用本瞄准装置的系统同时使用；

(4)成本低：本发明所采用的市售直线导轨及滑块，是工业自动化领域大量使用的标准件，购买成本低。

附图说明

图1为本发明中装置的结构及装配示意图；

图2为采用的600目方孔网格及最佳物点标记孔的X射线成像图；

图3为装配完成后本发明在强激光装置上的安装示意图。

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

以8keV能点KB型X射线成像系统的系统装配和瞄准作为实施例进行进一步说明本发明内容。

本实施例中KB型X射线成像系统的瞄准方法是按如下步骤进行的，如图1所示，所有步骤均在光学平台12上完成。法兰13固定于光学平台12上，用于模拟KB显微镜在强激光装置上的实际工作靶口，尺寸完全相同。调整机构1采用北京光学仪器厂生产的三维手动平移台，并固定于法兰13上。物镜组2采用工作于8keV能点的W/B₄C多层膜KB物镜组。直线导轨4和滑块5为HIWIN公司生产的MGN15C型直线导轨及滑块。模拟定位件8为神光II激光装置采用的200微米直径模拟定位球。支架3、直线导轨4、限位件6和法兰13之间硬性连接，滑块5、定位杆7和模拟定位件8硬性连接，滑块5置入直线导轨4，其位置由限位件6确定。X射线光源9、工具显微镜10-1和10-2、像面探测器11和标定X射线成像系统成像质量的方孔网格14均与三维光学调节台连接并固定于光学平台12上，X射线光源9为Cu靶X射线管(8keV)；工具显微镜10-1和10-2为上海光学仪器厂生产的JC4-10显微镜；像面探测器11为Photonic Science公司生产的XDI-50型硬X射线闪烁体CCD；方孔网格14为Gilder公司生产的600目金网格。

等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置的装配方法包括以下步骤：

a)调节工具显微镜10-1和10-2的分划叉丝，标定模拟定位件8的标准位置。

b)将滑块5从直线导轨4中取出，并精确调节放置方孔网格14，使方孔网格14的标记孔与标准位置重合。

c)移除工具显微镜10-1和10-2，用三维光学调节台连接待装配的物镜组2，放入光纤灯并利用光纤灯完成系统光路的粗调，使得光纤灯发出的光线穿过方孔网格14，经物镜组2成像于像面探测器11上。

d)移去光纤灯，打开X射线光源9和像面探测器11，进行X射线成像实验，通过测量网格线成像的清晰程度(如空间分辨率或MTF等)，来确定最佳物点位置，并最终使方孔网格14的标记孔位于该位置，如图2所示。

e)移去方孔网格14，重新放回滑块5，通过对模拟定位件8直接的X射线成像，检测像面探测器11记录下的模拟定位件8的图像是否与标记孔图像位置重合。若有不重合的情况发生，则重复步骤a-d。

f)用环氧树脂粘合物镜组2和支架3，待树脂固化后撤除三维光学调节台，即完成KB型X射线成像系统的系统装配。

整套系统由1-8部分组成，本发明的X射线成像系统瞄准装置为1和3-8部分，KB型X射线成像系统的物镜组2与其树脂固化连接。装配完成后，该套KB型X射线成像系统的瞄准装置在强激光装置上的安装方法是按如下步骤进行的，如图3所示，整套KB系统固定于强激光装置靶腔15的靶口位置。

1)根据靶场观瞄设备16-1、16-2和16-3的指示，标定出待诊断靶17的实验位置，完毕后将待诊断靶17收回。

2)操纵调整机构1，使得模拟定位件8与步骤1)中靶场观瞄设备16-1、16-2和16-3所指示的实验位置重合。

3)将滑块5从直线导轨4中取出，从而将模拟定位球8撤除。

4)将待诊断靶17放回到实验位置，即完成物镜组2对待诊断靶17的系统瞄准。

实施例2

一种等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置，结构如图1所示，该装置包括模拟定位组件及其调整机构1，模拟定位组件包括定位杆7、模拟定位件8、滑块5、支架3、直线导轨4及物镜组2，定位杆7的一端连接模拟定位件8，另一端连接滑块5，支架3下侧设有直线导轨4，上侧设有物镜组2，滑块5与直线导轨4滑动连接，支架3连接调整机构1。调整机构1通过调整X射线成像系统的自身姿态，完成X射线成像系统的瞄准与指向操作。另外，根据具体物理实验要求，调整机构1还可直接采用强激光装置诊断设备插入件(类似美国国家点火装置的DIM)。模拟定位件8为与待诊断目标尺寸相近的机械元件。滑块5与直线导轨4通过手动或者电动的方式滑动连接。并且可以拆下或收回，从而避免物理实验过程对模拟定位件8的损伤。直线导轨4的一端设有限位件6。限位件6用于限制滑块5的位置，滑块5顶住限位件6即代表模拟定位件8达到标准位置，其重复定位精度由直线导轨4和限位件6保证，采用普通级市售直线导轨及滑块即可达到10-20微米的精度，而使用精密级直线导轨和滑块更可以达到5-10微米的精度。X射线光学系统为基于多层膜对掠入射X射线的Bragg衍射或全外反射原理工作的KB显微系统、KBA显微系统或Wolter显微系统。

一种等离子体诊断用X射线光学系统的瞄准装置的瞄准方法，利用工具显微镜10-1和10-2的监视调节模拟定位件8与方孔网格14的标记孔重合，通过X射线网格成像实验，调节系统的最佳物点与方孔网格14的最佳视场重合，将物镜组2固定在支架3上。

该方法包括以下步骤：

(1)调节工具显微镜10-1和10-2的分划叉丝，标定模拟定位件8的标准位置；

(2)将滑块5从直线导轨4中取出，调节方孔网格14的标记孔与模拟定位件8的标准位置重合；

(3)移除工具显微镜10-1和10-2，用三维光学调节台连接待装配的物镜组2，并用光纤灯对系统光路进行粗调，光纤灯发出的光线穿过方孔网格14，经物镜组2成像于像面探测器11上；

(4)移去光纤灯，打开X射线光源9和像面探测器11，进行X射线成像实验，调节系统的最佳物点位置与方孔网格14的最佳视场重合，使方孔网格14的标记孔位于该位置；

(5)移去方孔网格14，将滑块5放回直线导轨4，对模拟定位件8进行X射线成像，检测像面探测器11记录下的模拟定位件8的图像是否与标记孔图像位置重合，若不重合则重复步骤(1)至步骤(4)，若重合则进行步骤(6)；

(6)将物镜组2固定在支架3上，撤除三维光学调节台。