一种用于零像散像差的双球面弯晶成像系统及其调节方法

摘要

本发明公开了一种用于零像散像差的双球面弯晶成像系统，该系统包括固定底板、五维调节架Ⅰ、球面凹晶、五维调节架Ⅱ、球面凸晶、二维调节架Ⅰ、五维调节架Ⅲ、连杆、长方体玻璃块、底片室、底片盒、滤片框、滤片、底片、挡光板、五维调节架Ⅳ，球面凹晶固定设置在五维调节架Ⅰ上，球面凸晶固定设置在五维调节架Ⅱ上，长方体玻璃块固定设置在五维调节架Ⅲ上，连杆的一端固定在固定底板的下表面、另一端固定在五维调节架Ⅳ上，底片室固定设置在二维调节支架上，各五维调节架依次固定在固定底板上。本发明有效消除球面弯晶的像散像差对空间分辨力的影响，使球面弯晶具有高空间分辨能力应用于高温稠密等离子体、惯性约束聚变中小球内爆过程的诊断。

说明书

技术领域

本发明属于X射线成像领域，具体涉及一种用于零像散像差的双球面弯晶成像系统及其调节方法，可用于小布拉格角（掠入射角）、高空间分辨力、准单色性的高温等离子体X射线成像。

背景技术

X射线成像技术常用于高温稠密等离子体、惯性约束聚变中小球内爆过程的诊断。诸如在内爆过程中，靶丸推进层与燃料界面由于流体力学不稳定性产生的畸变，以及由于驱动不对称产生的大尺度形变等对内爆效率有严重影响。燃料界面的实验观测是研究这些问题的有效途径，而且界面图像可以准确地反映燃料区的压缩形状。通过对靶丸的压缩过程进行X射线背光照相，可以获得具有一定精度的时空间分辨靶球内爆背光图像，以便研究辐射驱动内爆的对称性问题和分析内爆推进层运动的过程，并与数值模拟程序进行比对。

用于X射线成像元件主要有针孔相机、KB显微镜、球面弯晶或超环面弯晶。X射线针孔相机的成像空间分辨力主要由孔径大小决定的。空间分辨力和成像效率互为制约关系，使得针孔相机只适用于小型激光器产生等离子体X射线成像。KB显微镜成像的中心视场分辨力由轴上点球差决定，非中心视场分辨力由球差和离轴像差共同影响；随着视场的增大，轴外像差增大，造成轴外点空间分辨力的降低，使得空间分辨力随视场的变化曲线呈“V”形。在较高能点时，KB显微镜受到全外反射临界角限制，工作掠入角θ较小，分辨力曲线的斜率较大。球面弯晶由于具有聚焦特性，用于X射线成像可以克服X射线针孔相机的缺点和弥补KB显微镜的不足，但球面弯晶的成像分辨能力主要要考虑由像散像差决定的空间分辨能力，而随着布拉格角减小，球面弯晶在子午和弧矢面的焦面间隔加大，导致空间分辨能力降低，因而球面弯晶用于X射线成像将面临非正入射像散像差的成像失真问题。如果将球面弯晶的X射线成像方案限制布拉格角在>0 <>θ<>0（近正入射）范围，以及探测器在X射线光源附近使用，成像空间分辨力可以达到，但遇到的困境是：探测器容易遭到激光打靶喷出的碎片损坏。其次，几乎只能采用晶格常数选单，由于目前可用于分光晶体的晶格常数有限，因而在一定程度上局限了球面弯晶的应用，从而将会失去其比拟的优势。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于零像散像差的双球面弯晶成像系统及其调节方法，本发明为可用于小布拉格角条件下的高空间分辨能力、准单色X射线成像的双球面弯晶，本发明的双球面弯晶是对单个球面弯晶成像的基础上提出的改进，有效地消除了像散像差对空间分辨力的影响，使得球面弯晶几乎可在任何布拉格角条件下都可能实现高空间分辨力、准单色性的X射线成像。

为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于零像散像差的双球面弯晶成像系统，该成像系统包括固定底板、五维调节架Ⅰ、球面凹晶、五维调节架Ⅱ、球面凸晶、二维调节架Ⅰ、五维调节架Ⅲ、连杆、长方体玻璃块、底片室、底片盒、滤片框、滤片、底片、挡光板、五维调节架Ⅳ，所述球面凹晶固定设置在五维调节架Ⅰ上，球面凸晶固定设置在五维调节架Ⅱ上，长方体玻璃块固定设置在五维调节架Ⅲ上，连杆的一端固定在固定底板的下表面、另一端固定在五维调节架Ⅳ上，底片室固定设置在二维调节支架上，所述五维调节架Ⅰ、五维调节架Ⅱ、五维调节架Ⅲ依次固定在固定底板上；

所述底片盒的中心点在光源中心和长方体玻璃块中心点连线的延长线上，所述底片盒信号接收面的法线方向与球面凸晶中心反射光线一致，所述底片位于底片盒中，滤片粘贴在滤片框上，然后粘贴好滤片的滤片框置于底片盒中与底片叠合在一起组成记录系统，记录系统插入至底片室中，且滤片与底片的中心点均在球面凸晶中心反射光线上。

所述球面凹晶所在的圆和球面凸晶所在的圆为同心圆。

所述球面凹晶的曲率半径为R₁，相应的布拉格角为θ₁，所述球面凸晶的曲率半径为R₂，相应的布拉格角为θ₂，所述球面凹晶、球面凸晶之间的曲率半径和布拉格角的约束关系为R₁cosθ₁=R₂cosθ₂。

所述45°<θ₁<>2>

所述球面凹晶、球面凸晶和底片盒在物体的同侧，所述球面凹晶和球面凸晶中心连线与物体和像的连线垂直相交。

一种用于零像散像差的双球面弯晶成像系统的调节方法，该调节方法包括实验室离线调节和靶室在线调节。

所述实验室离线调节包括以下几步：

第一步，建立实验室装调监视系统，利用水平仪调整固定底板至水平，在固定底板上安放长方体玻璃块进行基准的建立，长方体玻璃块中心处刻有十字刻线，所述十字刻线的横刻线与该表面的水平边之间均相互平行，平行误差不大于2″，所述十字刻线的纵刻线与该表面的竖直边之间均相互平行，平行误差不大于2″，调节第一激光经纬仪、第一平行光管视场里的自准，使第一激光经纬仪的光轴与横刻线重合，第一平行光管的光轴与纵刻线重合，建立以第一平行光管光轴为X轴、第一激光经纬仪光轴为Y轴，X轴、Y轴交点为坐标原点O的笛卡尔OXYZ坐标系；

第二步，将辅助小球安装在五维调节架Ⅲ上，通过五维调节架Ⅲ固定在固定底板上，利用实验室装调监视系统，将辅助小球精准地放置到坐标原点O的位置；

第三步，将所述球面凹晶固定在五维调节架Ⅰ上，通过五维调节架Ⅰ固定在固定底板上，利用第一激光经纬仪观察，将所述球面凹晶中心调整直到y轴上，然后以辅助小球为基准，将球面凹晶中心精准放在球面凹晶既定设计的位置处；

第四步，用所述第一平行光管监视，以辅助小球为基准，在物和像的位置分别准确放置第二小球和第一小球以替代物和像，分别将第二小球和第一小球固定在二维调节架Ⅱ和二维调节架Ⅰ上，然后利用辅助小球和所述球面凹晶中心点位置，再建立观察基准线为第二激光经纬仪的光轴线，利用实验室X射线衍射仪的电源，光束通过第二小球辐照球面凹晶上，转动五维调节架Ⅰ的XY轴面内的二维转动，使得球面凹晶衍射角θ₁满足布拉格条件，且在辅助小球的位置上观察到有第二小球的清晰图像，并且第二小球图像轮廓中心与辅助小球中心重合，关闭X射线衍射仪电源，锁定五维调节架Ⅰ；

第五步，将所述球面凸晶固定在五维调节架Ⅱ上，在y轴上放置球面凸晶位置的方法与第三步相同，调节球面凸晶的姿态及位置的方法同第四步，调节至在第一小球位置上观察到有第二小球的清晰图像，关闭X射线衍射仪的电源，锁死五维调节架Ⅱ；

第六步，拆下所述辅助小球，将辅助小球更换为长方体玻璃块并固定，通过第一激光经纬仪贴面方法，利用第一平行光管完成视场自准，锁死五维调节架Ⅲ，完成用于零像散像差的双球面弯晶成像系统的实验室离线调节。

所述靶室在线调节包括以下几步：

步骤（1），在靶室的靶位处放置定位小球，利用定位小球、第一法兰窗口的中心和第二平行光管建立靶室的在线调节的监视基准线，以定位小球为零基准，量取像距位置，在像距位置上放置第三小球，使第三小球中心位于监视基准线上；

步骤（2），将连杆固定在五维调节架Ⅴ上，所述五维调节架Ⅴ固定在靶室底板上，将所述的长方体玻璃块中心移动到监视基准线上，具体方法同步骤（1），并通过第二平行光管完成视场自准；

步骤（3），以所述的定位小球、第三小球、长方体玻璃块中心连线为基准线，利用激光水平仪，通过以长方体玻璃块中心位置不变调节五维调节架Ⅴ，使球面凹晶的中心、球面凸晶的中心和定位小球的中心均在同一水平面内；

步骤（4），建立实验观测基准，利用定位小球、第二法兰窗口的中心和球面凹晶的中心，建立第三激光经纬仪的光轴线为实时观测基准；

步骤（5），在长方体玻璃块前放置挡光板，使挡光板中心在监视基准线上；

步骤（6），将滤片框、滤片、底片安装于底片盒内，拆下第三小球，更换为底片室，安装底片盒，滤片框、滤片、底片，调整底片盒的倾斜度，使得整底片盒信号接收面的法线方向与球面凸晶中心反射光线一致，完成用于零像散像差的双球面弯晶成像系统的靶室在线调节。

本发明中五维调节架Ⅰ-五维调节架Ⅳ均包括三维平动和二维转动，三维平动实现平移调节，二维转动用于实现俯仰方向调节和水平方向的左右转动调节，长方体玻璃块为辅助部件，主要用于靶室在线调节的自准操作，不参与双球面弯晶的成像、挡光板用于遮挡从光源直接发出的光直射到滤片进入底片曝光，如果有必要，还可以改成挡光铅板，可以屏蔽大部分射线，能保证双球面弯晶成像图像的高信噪比；所述挡光板中心的法线与成像物中心位于的线一致，距离成像物为300 mm，尺寸为200 mmmage> 200 mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

①本发明采用一个球面凸晶和一个球面凹晶组合实现零像散像差成像，可用于高空间分辨力的X射线成像诊断；②本发明既有利于小布拉格角（掠入射角）的高空间分辨力X射线成像，又解决了用晶格常数（2d）选单的困境；③本发明成像元件和像都位于光源（物体）同侧，可使复杂背光成像布局便捷化；④本发明通过实验室安装调节和在线调节，简化了现场调节步骤，提高了调节精准度、节省了调整时间。

附图说明

图1是本发明成像系统的整体结构示意图。

图2是本发明实验室离线调节中装调监视系统的结构示意图。

图3是本发明成像系统的实验室离线调节的结构示意图。

图4是本发明成像系统的靶室在线调节的结构示意图。

图5是本发明中记录系统放大示意图。

图6是图5的左视图。

图中：1、光源（即物体），2、固定底板，3、五维调节架Ⅰ，4、球面凹晶，5、五维调节架Ⅱ，6、球面凸晶，7、二维调节架Ⅰ，8、第一小球，9、五维调节架Ⅲ，10、辅助小球，11、二维调节架Ⅱ，12、第二小球，13、连杆，14、第一平行光管，15、第二激光经纬仪，16、第一激光经纬仪，17、长方体玻璃块，18、第三小球，19、定位小球，20、五维调节架Ⅴ，21、第二平行光管，22、第三激光经纬仪，23、底片室，24、底片盒，25、滤片框，25-1、滤片，25-2、底片、26、挡光板，27、五维调节架Ⅳ，28、靶室，29、第一法兰窗口，30、第二法兰窗口。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明用于零像散像差的双球面弯晶成像系统及其调节方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成以及应用方式，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1-5所示，本实施例用于零像散像差的双球面弯晶成像系统，该成像系统包括固定底板2、五维调节架Ⅰ3、球面凹晶4、五维调节架Ⅱ5、球面凸晶6、二维调节架Ⅰ7、五维调节架Ⅲ9、连杆13、长方体玻璃块17、底片室23、底片盒24、滤片框25、滤片25-1、底片25-2、挡光板26、五维调节架Ⅳ27，所述球面凹晶4固定设置在五维调节架Ⅰ3上，球面凸晶6固定设置在五维调节架Ⅱ5上，长方体玻璃块17固定设置在五维调节架Ⅲ9上，连杆13的一端固定在固定底板2的下表面、另一端固定在五维调节架Ⅳ27上，底片室23固定设置在二维调节支架7上，所述五维调节架Ⅰ3、五维调节架Ⅱ5、五维调节架Ⅲ9依次固定在固定底板2上；

所述底片盒24的中心点在光源1中心和长方体玻璃块17中心点连线的延长线上，所述底片盒24信号接收面的法线方向与球面凸晶6中心反射光线一致，所述底片25-2位于底片盒24中，滤片25-1粘贴在滤片框25上，然后粘贴好滤片的滤片框置于底片盒24中与底片25-2叠合在一起组成记录系统，记录系统插入至底片室23中，且滤片25-1与底片25-2的中心点均在球面凸晶中心反射光线上。

作为优选，本实施例中球面凹晶4所在的圆和球面凸晶6所在的圆为同心圆；球面凹晶4的曲率半径R₁>1>°，所述球面凸晶6的曲率半径R_{2>= 250mm，相应的布拉格角θ2>°，所述球面凹晶、球面凸晶之间的曲率半径和布拉格角的约束关系为R1cosθ1=R2cosθ2，所述的通光孔径尺寸为40>30 mm。}

作为进一步优选，本实施例所述球面凹晶4、球面凸晶6和底片盒24在物体的同侧，所述球面凹晶和球面凸晶中心连线与物体和像的连线垂直相交。

本实施例一种用于零像散像差的双球面弯晶成像系统的调节方法，该调节方法包括实验室离线调节和靶室在线调节；实验室离线调节包括以下几步：

第一步，建立实验室装调监视系统，利用水平仪调整固定底板至水平，在固定底板上安放长方体玻璃块进行基准的建立，长方体玻璃块中心处刻有十字刻线，所述十字刻线的横刻线与该表面的水平边之间均相互平行，平行误差不大于2″，所述十字刻线的纵刻线与该表面的竖直边之间均相互平行，平行误差不大于2″，调节第一激光经纬仪16、第一平行光管14视场里的自准，使第一激光经纬仪的光轴与横刻线重合，第一平行光管的光轴与纵刻线重合，建立以第一平行光管光轴为X轴、第一激光经纬仪光轴为Y轴，X轴、Y轴交点为坐标原点O的笛卡尔OXYZ坐标系；

第二步，将辅助小球10安装在五维调节架Ⅲ9上，通过五维调节架Ⅲ9固定在固定底板2上，利用实验室装调监视系统，将辅助小球10精准地放置到坐标原点O的位置；

第三步，将所述球面凹晶4固定在五维调节架Ⅰ3上，通过五维调节架Ⅰ固定在固定底板2上，利用第一激光经纬仪16观察，将所述球面凹晶4中心调整直到y轴上，然后以辅助小球10为基准，将球面凹晶4中心精准放在既定设计的位置处（即原点到球面凹晶中心点的距离）；

第四步，用所述第一平行光管14监视，以辅助小球10为基准，在物和像的位置分别准确放置第二小球12和第一小球8以替代物和像，分别将第二小球12和第一小球8固定在二维调节架Ⅱ11和二维调节架Ⅰ7上，然后利用辅助小球10和所述球面凹晶4中心点位置，再建立观察基准线为第二激光经纬仪15的光轴线，利用实验室X射线衍射仪的电源，光束通过第二小球12辐照球面凹晶4上，转动五维调节架Ⅰ3的XY轴面内的二维转动，使得球面凹晶衍射角θ₁满足布拉格条件，且在辅助小球10的位置上观察到有第二小球12的清晰图像，并且第二小球12图像轮廓中心与辅助小球10中心重合，关闭X射线衍射仪电源，锁定五维调节架Ⅰ3；

第五步，将所述球面凸晶6固定在五维调节架Ⅱ5上，在y轴上放置球面凸晶位置的方法与第三步相同，调节球面凸晶的姿态及位置的方法同第四步，调节至在第一小球8位置上观察到有第二小球12的清晰图像，关闭X射线衍射仪的电源，锁死五维调节架Ⅱ5；

第六步，拆下所述辅助小球10，将辅助小球更换为长方体玻璃块17并固定，通过第一激光经纬仪16贴面方法，利用第一平行光管14完成视场自准，锁死五维调节架Ⅲ9，完成用于零像散像差的双球面弯晶成像系统的实验室离线调节。

靶室在线调节包括以下几步：

步骤（1），在靶室28的靶位处放置定位小球19，利用定位小球19、第一法兰窗口29的中心和第二平行光管21建立靶室的在线调节的监视基准线，以定位小球19为零基准，量取像距位置，在像距位置上放置第三小球18，使第三小球18中心位于监视基准线上；

步骤（2），将连杆13固定在五维调节架Ⅴ20上，所述五维调节架Ⅴ20固定在靶室底板上，将所述的长方体玻璃块17中心移动到监视基准线上，具体方法同步骤（1），并通过第二平行光管21完成视场自准；

步骤（3），以所述的定位小球19、第三小球18、长方体玻璃块17中心连线为基准线，利用激光水平仪，通过以长方体玻璃块17中心位置不变调节五维调节架Ⅴ20，使球面凹晶4的中心、球面凸晶6的中心和定位小球19的中心均在同一水平面内；

步骤（4），建立实验观测基准，利用定位小球19、第二法兰窗口30的中心和球面凹晶4的中心，建立第三激光经纬仪22的光轴线为实时观测基准；

步骤（5），在长方体玻璃块17前放置挡光板26，使挡光板26中心在监视基准线上；

步骤（6），将滤片框、滤片、底片安装于底片盒内，拆下第三小球18，更换为底片室23，安装底片盒24，滤片框25、滤片25-1、底片25-2，调整底片盒24的倾斜度，使得整底片盒24信号接收面的法线方向与球面凸晶6反射光线一致，完成用于零像散像差的双球面弯晶成像系统的靶室在线调节。

实施例2

本实施中球面凹晶曲率半径R₁=628.9mm，相应的布拉格角θ₁=>°；球面凸晶曲率半径R₂=250mm，相应的布拉格角θ₂=37.8^°；所述的通光孔径尺寸为40mm30mm。其余技术方案同实施例1。