伊圣振，黃秋實(shí)，齊潤(rùn)澤，張 眾，王占山

（同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院精密光學(xué)工程技術(shù)研究所，先進(jìn)微結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市數(shù)字光學(xué)前沿科學(xué)研究基地，上海市全光譜高性能光學(xué)薄膜器件與應(yīng)用專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200092）

1 引 言

慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）是實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兊囊环N重要途徑，對(duì)未來(lái)能源、國(guó)家安全以及高能量密度物理等基礎(chǔ)研究都有重要的科學(xué)價(jià)值[1-2］。通過(guò)高功率脈沖激光束與靶丸的相互作用，將靶丸燃料向心壓縮到高溫、高密度的極端狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)ICF聚變點(diǎn)火的主要技術(shù)手段[3-5］。國(guó)內(nèi)外研究表明，內(nèi)爆過(guò)程中靶丸殼層的不對(duì)稱性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性將會(huì)嚴(yán)重影響聚變?nèi)剂系目臻g分布及熱力學(xué)狀態(tài)，造成聚變點(diǎn)火的失敗[6］。ICF物理主要涉及內(nèi)爆等離子體的狀態(tài)及其演化，對(duì)其主要輻射產(chǎn)物X射線的空間、時(shí)間和能譜特性的診斷是激光ICF物理研究的重要工具。精密X射線診斷結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)深入理解內(nèi)爆過(guò)程的重要物理規(guī)律、揭示ICF關(guān)鍵物理問(wèn)題和推進(jìn)點(diǎn)火目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的研究意義。

由于ICF部分關(guān)鍵過(guò)程的時(shí)空尺度僅在百皮秒及百微米量級(jí)，且能譜成分復(fù)雜。等離子體X射線信息在時(shí)空譜維度的有效獲取對(duì)綜合評(píng)估內(nèi)爆等離子體狀態(tài)，揭示ICF關(guān)鍵物理問(wèn)題具有至關(guān)重要的意義。具有高分辨、高效率和能譜可控等特性的多層膜掠入射光學(xué)器件和系統(tǒng)是開展精密X射線診斷的理想手段[7］，但是相關(guān)診斷技術(shù)仍存在如下瓶頸問(wèn)題：（1）系統(tǒng)集成難度大，核心器件基礎(chǔ)薄弱。掠入射成像系統(tǒng)的多通道化是多層膜分光器件及記錄設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)建高分辨時(shí)空譜X射線診斷技術(shù)的基礎(chǔ)。由于多通道掠入射成像要求嚴(yán)格，缺乏精密集成裝配技術(shù)，多通道掠入射成像系統(tǒng)一直以來(lái)都難以高質(zhì)量應(yīng)用，同時(shí)在配套的核心多層膜器件方面缺乏專門研究，器件制備技術(shù)水平嚴(yán)重落后于時(shí)空譜綜合診斷高反射率、高一致性的性能需求。（2）在線調(diào)試技術(shù)匱乏，調(diào)試精度低。由于X射線波長(zhǎng)短，物像關(guān)系要求嚴(yán)格，當(dāng)前X射線診斷系統(tǒng)在線調(diào)試普遍采用的單純可見(jiàn)光定位或瞄準(zhǔn)手段精度有限，難以滿足成像、分光及記錄設(shè)備集成的診斷需求，需要發(fā)展適應(yīng)多樣化實(shí)驗(yàn)需求的高精度在線調(diào)試新技術(shù)。（3）常規(guī)X射線診斷方法的信息獲取維度單一。當(dāng)前常規(guī)的高分辨X射線診斷方法（如掠入射成像、條紋相機(jī)或分幅相機(jī)記錄、多層膜或晶體分光）僅能選擇空間、時(shí)間或能譜中一至兩個(gè)維度，需要結(jié)合多通道掠入射X射線成像、關(guān)鍵器件制備及在線調(diào)試等方面的創(chuàng)新，發(fā)展多能譜X射線診斷新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空譜信息的多維度同步獲取。面向我國(guó)激光ICF研究開展極端瞬態(tài)等離子體狀態(tài)診斷的迫切需求，同濟(jì)大學(xué)精密光學(xué)工程技術(shù)研究所在國(guó)內(nèi)相關(guān)ICF研究機(jī)構(gòu)的支持下，圍繞高性能X射線多層膜光學(xué)開展了系統(tǒng)性研究。本文主要介紹了近年來(lái)研究所在高性能多層膜掠入射X射線光學(xué)方面取得的重要研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)要分析了未來(lái)的工作方向。

2 多通道掠入射X射線成像技術(shù)

X射線時(shí)空診斷是評(píng)估其內(nèi)爆對(duì)稱性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性等關(guān)鍵因素對(duì)點(diǎn)火性能影響的必要手段?？臻g分辨和集光效率是X射線成像診斷的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，高分辨和高效率X射線成像是對(duì)小尺寸和弱信號(hào)等離子體精密診斷的基礎(chǔ)。以Kirkpatrick—Baez（KB）顯微鏡為代表的掠入射X射線光學(xué)系統(tǒng)是開展高分辨X射線成像的關(guān)鍵裝備[8］，其空間分辨和集光效率等關(guān)鍵指標(biāo)均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的針孔成像[9-10］。由于成像要求嚴(yán)苛，相關(guān)研究基礎(chǔ)較為薄弱，基于KB結(jié)構(gòu)的高分辨X射線成像裝備一直無(wú)法服務(wù)我國(guó)激光ICF的診斷需求。

2.1 高分辨X射線KB顯微成像系統(tǒng)

對(duì)掠入射X射線光學(xué)系統(tǒng)的模擬和實(shí)驗(yàn)研究表明KB結(jié)構(gòu)的空間分辨隨著視場(chǎng)偏離而降低，僅能在幾百微米視場(chǎng)內(nèi)達(dá)到幾微米的空間分辨，與靶丸尺寸相當(dāng)[11］。針對(duì)KB結(jié)構(gòu)這一小視場(chǎng)高分辨的成像特性，提出了模擬球輔助定位的物鏡模塊化和物像獨(dú)立指示方案，解決了角秒級(jí)掠入射瞄準(zhǔn)和在線快速裝配等難題[12］。該成果為深入開展工程化KB系統(tǒng)的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。基于上述研究成果研制了多套單通道KB系統(tǒng)，成功應(yīng)用于小周期瑞利-泰勒（Reyleigh-Taylor，RT）不穩(wěn)定性、內(nèi)爆流線及芯部自發(fā)射等精密實(shí)驗(yàn)，在我國(guó)強(qiáng)激光裝置中首次開展了優(yōu)于5 μm高分辨的X射線成像診斷[13］。

2.2 超多通道高分辨KB顯微成像系統(tǒng)

超多通道KB系統(tǒng)與分幅相機(jī)耦合，能夠獲得更多時(shí)間分幅的圖像，顯著提升對(duì)小尺寸和弱信號(hào)等離子體時(shí)空演化行為的診斷能力，這也是進(jìn)一步發(fā)展具有能譜測(cè)量能力的先進(jìn)X射線診斷的基礎(chǔ)。隨著通道數(shù)的增多，各通道視場(chǎng)的一致性和像間隔的精密調(diào)控問(wèn)題變得極為復(fù)雜。國(guó)外在研的各強(qiáng)激光裝置八通道和十六通道KB顯微鏡目前采用的物鏡裝配手段均未能很好地解決上述問(wèn)題，難以滿足高分辨應(yīng)用的需求[14］。

針對(duì)我國(guó)高分辨X射線時(shí)空診斷的需求，深入研究多通道物鏡結(jié)構(gòu)對(duì)掠入射X射線KB成像的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，多通道KB系統(tǒng)精密物像關(guān)系調(diào)控的核心是共視場(chǎng)成像和多像點(diǎn)控制，其與物距、像距、掠入射角、反射鏡曲率半徑和空間姿態(tài)等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)密切相關(guān)。上述因素與非共軸掠入射光路結(jié)構(gòu)等因素疊加，導(dǎo)致集成式多通道KB系統(tǒng)各變量的累積誤差難以消除，因此多通道掠入射X射線精密物像關(guān)系只能通過(guò)誤差解耦和再修正的調(diào)控手段實(shí)現(xiàn)。此外，基于串列式物鏡排布的新型多通道KB結(jié)構(gòu)方案被提出，實(shí)現(xiàn)了各反射鏡子午和弧矢方向成像的分離。以此為基礎(chǔ)，發(fā)展了“單鏡-鏡對(duì)-物鏡”的多通道物像關(guān)系實(shí)現(xiàn)方法[15］，如圖1所示。首先通過(guò)光學(xué)檢測(cè)手段完成單鏡曲率半徑的精確表征，然后采用玻璃錐芯支撐各反射鏡對(duì)，通過(guò)錐芯的加工精度有效定義各反射鏡的掠入射夾角和空間姿態(tài)，最后通過(guò)離線X射線試驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整和修正各鏡對(duì)的物像距誤差，在各通道最佳物點(diǎn)位置精確復(fù)合的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了像點(diǎn)排布的準(zhǔn)確調(diào)控。該方法突破了多通道掠入射X射線精密物像關(guān)系調(diào)控這一關(guān)鍵性難題，為多通道KB系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 多通道KB系統(tǒng)的高精度在線裝調(diào)技術(shù)

診斷物和成像面的準(zhǔn)確指示、長(zhǎng)工作距離下嚴(yán)苛成像關(guān)系的復(fù)現(xiàn)以及激光裝置的快速部署是制約多通道KB系統(tǒng)裝置應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。為此，發(fā)展了高復(fù)位精度的”物-診斷物鏡-像”集成指示技術(shù)，如圖2。該技術(shù)首先通過(guò)離線X射線調(diào)試獲取多通道KB系統(tǒng)最佳成像的物方視場(chǎng)以及多像點(diǎn)位置，然后分別采用模擬標(biāo)靶和十字激光作為物和像的指示機(jī)構(gòu)，即：通過(guò)多通道KB物鏡前端的百微米直徑模擬標(biāo)靶定位最佳物方視場(chǎng)，解決了KB結(jié)構(gòu)小視場(chǎng)高分辨成像特性引起的物點(diǎn)精確瞄準(zhǔn)問(wèn)題；采用多通道KB物鏡后端的十字激光長(zhǎng)距離指示多像點(diǎn)的中心位置和空間姿態(tài)，以作為分幅相機(jī)調(diào)整的位置基準(zhǔn)，有效實(shí)現(xiàn)了多像點(diǎn)與微帶空間關(guān)系的匹配[16］。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)可重復(fù)拆卸的高精度直線導(dǎo)軌將模擬標(biāo)靶和十字激光共同集成于多通道KB診斷物鏡，實(shí)現(xiàn)多通道KB精密物像關(guān)系的高精度在線復(fù)現(xiàn)，確保了安裝調(diào)試過(guò)程的快速性和可靠性。該技術(shù)的物點(diǎn)瞄準(zhǔn)精度達(dá)到了十微米水平，系統(tǒng)的在線安裝調(diào)試時(shí)間大幅縮短到一至兩小時(shí)，有效保障了多通道高分辨KB系統(tǒng)在精密ICF物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用效果。

3 多層膜掠入射X射線成像技術(shù)

溫度和密度是等離子體狀態(tài)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，X射線空間、時(shí)間和能譜分布的診斷測(cè)量是表征等離子體密度和溫度狀態(tài)及其演化行為的重要手段。將時(shí)空診斷與能譜測(cè)量相結(jié)合，發(fā)展復(fù)合能量響應(yīng)的X射線多能譜成像技術(shù)是獲得溫度相關(guān)的等離子體信息的基礎(chǔ)。發(fā)展高效、高分辨的X射線多能譜成像技術(shù)，在弱源強(qiáng)的激光裝置條件以及弱信號(hào)等離子體信息的獲取上具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是，多能譜X射線診斷對(duì)光通量、譜響應(yīng)和空間分辨等指標(biāo)的有機(jī)耦合具有很高的要求。

3.1 多層膜器件的X射線多能譜調(diào)控規(guī)律及方法

本所開展了利用多層膜分光器件進(jìn)行X射線多能譜選擇的設(shè)計(jì)理論研究，建立了融合多層膜、濾片和源強(qiáng)影響的能譜響應(yīng)模型，深入分析了多層膜薄膜參數(shù)與高分辨、高通量的診斷需求之間的聯(lián)系，掌握了多層膜器件的X射線多能譜響應(yīng)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)弱源強(qiáng)的裝置條件，針對(duì)針孔陣列配合多層膜鏡等方式存在的信噪比差、工作能區(qū)低和分辨能力弱等問(wèn)題，提出了利用球面鏡陣列對(duì)靶丸進(jìn)行高集光效率、高分辨的X射線成像，并通過(guò)鏡面的多層膜結(jié)構(gòu)（窄帶或?qū)拵В?shí)現(xiàn)能譜選擇和帶寬調(diào)控的新方法，同時(shí)像點(diǎn)排布有序，能夠與條紋相機(jī)等配合進(jìn)行動(dòng)態(tài)的時(shí)間掃描[17］，如圖3所示。該方法較針孔在優(yōu)于5μm分辨的前提下將集光效率提升一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)而將診斷能區(qū)提高至幾千電子伏，且響應(yīng)能點(diǎn)和帶寬易于控制，可擴(kuò)展性好，為在弱源強(qiáng)條件下有效開展空間、時(shí)間和能譜同步的X射線診斷奠定了基礎(chǔ)。

3.2 球面多層膜鏡的精準(zhǔn)制備技術(shù)

能譜響應(yīng)特性的評(píng)估是對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行絕對(duì)標(biāo)定，并反推等離子體溫度和密度等重要信息的基礎(chǔ)[18-19］。尤其對(duì)于球面多層膜鏡陣列，高反射率和高一致性曲面多層膜器件的制備是擬合多層膜的能譜響應(yīng)、保證標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提。X射線多層膜的周期厚度為納米量級(jí)，納米膜層生長(zhǎng)中的界面缺陷和膜厚控制對(duì)薄膜性能具有決定性的影響。本所自主研制了用于掠入射X射線元件的磁控濺射鍍膜設(shè)備，發(fā)展了原子級(jí)阻隔層和氬氮混合反應(yīng)濺射的界面缺陷控制技術(shù)，解決了膜層不均勻結(jié)晶、擴(kuò)散混合和化合反應(yīng)的有效抑制的難題，顯著提升了X射線多層膜器件的反射率；發(fā)展了傾斜粒子調(diào)控和膜厚精確控制等曲面多層膜生長(zhǎng)技術(shù)，利用反射鏡基底的精密運(yùn)動(dòng)配合多組掩模板疊加的復(fù)合分隔結(jié)構(gòu)，對(duì)界面缺陷和膜層厚度雙重調(diào)控，大幅提升了反射鏡不同位置界面結(jié)構(gòu)和膜厚的一致性，實(shí)現(xiàn)了高反射率X射線曲面多層膜的精確制備。

3.3 X射線多能譜診斷系統(tǒng)的精密瞄準(zhǔn)技術(shù)

多能譜物像的精密耦合及在線瞄準(zhǔn)是應(yīng)用于新型診斷方法時(shí)要解決的首要問(wèn)題。首先，與等離子體密度相關(guān)的背光成像在多能譜診斷的應(yīng)用更為廣泛，而多層膜的能譜響應(yīng)與背光源的特征線能量具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，為此背光源與診斷目標(biāo)需要共光路、共視場(chǎng)的復(fù)合在線瞄準(zhǔn)。針對(duì)這一需求，在“物-診斷物鏡-像”集成指示技術(shù)的單模擬標(biāo)靶定位最佳物方視場(chǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了通過(guò)雙模擬標(biāo)靶分別定義背光源和診斷目標(biāo)位置的物方瞄準(zhǔn)手段，有效建立了背光源、物點(diǎn)和多能譜診斷物鏡三個(gè)關(guān)鍵組件的空間關(guān)系[20］，如圖4（a）。此外，條紋相機(jī)的狹縫狀光陰極為其信號(hào)記錄介質(zhì)，僅能截取某一條帶區(qū)域的成像信號(hào)，系統(tǒng)安裝調(diào)試對(duì)條紋相機(jī)光陰極與成像區(qū)域的定位要求很高。針對(duì)這一問(wèn)題，將十字激光改進(jìn)替換為可見(jiàn)光CCD，即利用多能譜診斷物鏡后端的可見(jiàn)光CCD鏡頭指示像點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)成像區(qū)域?qū)崿F(xiàn)像素級(jí)的長(zhǎng)距離精確指示，有效滿足了光陰極對(duì)成像信號(hào)區(qū)域的高精度截取要求[21］，如圖4（b）。

4 掠入射X射線成像技術(shù)應(yīng)用效果

基于掠入射X射線成像關(guān)鍵技術(shù)和多層膜光學(xué)器件的研究，研制了多類相關(guān)的精密X射線時(shí)空和能譜診斷裝備，為國(guó)內(nèi)相關(guān)ICF研究機(jī)構(gòu)的多類重要物理實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵的光學(xué)系統(tǒng)支撐。以下簡(jiǎn)要介紹近五年來(lái)多通道KB系統(tǒng)的應(yīng)用效果，并重點(diǎn)介紹基于多層膜分光器件的X射線多能譜成像診斷系統(tǒng)及其在我國(guó)激光裝置的應(yīng)用。

4.1 多通道高分辨KB系統(tǒng)

以多通道、高分辨和高效率的診斷要求為牽引，在國(guó)內(nèi)多個(gè)ICF研究機(jī)構(gòu)的支持下發(fā)展了多類與實(shí)驗(yàn)需求適應(yīng)、與裝置條件耦合的多通道KB系統(tǒng)，取得廣泛的應(yīng)用。典型應(yīng)用包括：（1）與中物院激光聚變研究中心合作研制了十六通道低能KB系統(tǒng)，配合分幅相機(jī)，以3～5μm的空間分辨在十六個(gè)瞬態(tài)時(shí)刻實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱斑二維空間演化的細(xì)致獲取，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了多達(dá)十六通道的高分辨KB系統(tǒng)的高質(zhì)量診斷應(yīng)用，較國(guó)外現(xiàn)有裝備在技術(shù)成熟度和實(shí)際應(yīng)用效果上均具有顯著優(yōu)勢(shì)[15］；（2）針對(duì)雙錐對(duì)撞點(diǎn)火（Double Cone Ignition，DCI）小尺寸、弱信號(hào)芯部等離子體的測(cè)量需求，研制了十六通道高分辨雙色KB系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了空間分辨優(yōu)于5μm和十六個(gè)瞬態(tài)時(shí)刻診斷，又同步獲得了高低兩個(gè)能帶的等離子體能譜信息，大大豐富了診斷數(shù)據(jù)的內(nèi)涵[16］；（3）針對(duì)中物院上海激光等離子體研究所芯部熱斑測(cè)量的診斷需求，研制了八通道掠入射KB系統(tǒng)，成功觀測(cè)了直接驅(qū)動(dòng)錐殼靶的內(nèi)爆壓縮和熱斑形成過(guò)程[22］。

4.2 X射線多能譜成像診斷系統(tǒng)

基于上述工作，圍繞多類涉及時(shí)間、空間和能譜測(cè)量的診斷新需求，研制了多套基于多層膜陣列器件的多能譜X射線診斷裝備，成功獲得應(yīng)用和推廣，為物理實(shí)驗(yàn)研究提供了高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)信息。成像通道數(shù)多達(dá)十六個(gè)、在400μm視場(chǎng)內(nèi)空間分辨達(dá)到3～5μm，診斷能點(diǎn)數(shù)最多達(dá)到4個(gè)，各項(xiàng)性能指標(biāo)顯著優(yōu)于國(guó)外同類技術(shù)水平，并實(shí)現(xiàn)了更好的應(yīng)用效果。典型應(yīng)用包括：

（1）高通量多層膜KB顯微鏡[20］

在高能量密度物理（High Energy Density Physics，HEDP）及相關(guān)領(lǐng)域，X光閃光照相對(duì)細(xì)致研究等離子體狀態(tài)，獲得密度、面密度分布信息及其隨時(shí)間演化行為有至關(guān)重要的作用。本所與中物院激光聚變研究中心聯(lián)合攻關(guān)，瞄準(zhǔn)高能量密度物理研究對(duì)高分辨X光背光成像的需求，研制了高通量多層膜KB顯微鏡，其光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

為實(shí)現(xiàn)物鏡薄膜對(duì)背光源譜線響應(yīng)的最大化，將基于布拉格衍射原理的Co/C多層膜作為反射薄膜，通過(guò)調(diào)整材料的厚度比，使Co/C多層膜具有較大的光譜帶寬，在Ti類He線（4.75 keV）和Kα線（4.5 keV）均獲得超過(guò)60%的反射效率，并通過(guò)工藝優(yōu)化和X射線衍射儀測(cè)試證實(shí)，實(shí)現(xiàn)了0.1 nm的膜厚控制精度，將掠入射角的偏差控制在±0.005°范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了X光多層膜器件的高質(zhì)量制備。

中物院激光聚變研究中心利用該套高通量多層膜KB系統(tǒng)，在神光Ⅱ升級(jí)裝置上成功進(jìn)行了Au錐-CD殼層靶的閃光照相的考核和物理實(shí)驗(yàn)，在 直徑約80μm的Ti靶背 光源下，對(duì)Au錐-CD殼層靶進(jìn)行了分辨優(yōu)于5μm的Ti特征線閃光照相，成功獲得間接驅(qū)動(dòng)快點(diǎn)火靶的壓縮圖像[13］，如圖6所示。

（2）四色八通道多能譜診斷系統(tǒng)[17］

基于ICF靶內(nèi)爆過(guò)程的自發(fā)光流線測(cè)量需求，針對(duì)現(xiàn)有X射線多能道成像診斷技術(shù)存在的信噪比差、空間分辨低的難題，為實(shí)現(xiàn)幾千電子伏弱信號(hào)等離子體信息的有效獲取，與中物院上海激光等離子體研究所合作提出并設(shè)計(jì)了四色八通道的多層膜掠入射X射線聚焦系統(tǒng)，其光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖7所示。內(nèi)爆自發(fā)光經(jīng)過(guò)四色單能聚焦后，在像面成兩排獨(dú)立像。一排和條紋相機(jī)配合，在四個(gè)不同的診斷能點(diǎn)（2.6 keV，3.1 keV，3.7 keV，4.3 keV）測(cè)量自發(fā)光流線；另一排和成像板配合，在四個(gè)能點(diǎn)下的時(shí)間積分圖像。其中TRM1和TRM2為全反射鏡，用于調(diào)控兩排圖像的空間位置，M1～M4為多層膜布拉格鏡，分別針對(duì)四個(gè)能點(diǎn)設(shè)計(jì)，多層膜能譜響應(yīng)曲線如圖8所示。

該系統(tǒng)成功應(yīng)用于神光Ⅱ裝置的內(nèi)爆熱芯和神光Ⅲ原型裝置臨界密度面附近輪廓的多能道成像診斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱信號(hào)、小尺度等離子體空間、時(shí)間和能譜特性的同步有效測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖9所示，為內(nèi)爆靶設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬程序校驗(yàn)提供了重要依據(jù)。

（3）自發(fā)光和背光同步X射線診斷系統(tǒng)[21］

不同類型的成像、分光或記錄設(shè)備相配合可以獲得不同維度的內(nèi)爆等離子信息，而常規(guī)的診斷手段只能在背光或自發(fā)光中選擇一種類型的診斷方式。為了綜合獲取內(nèi)爆流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程或燃料的熱力學(xué)狀態(tài)信息，需要使用不同的診斷系統(tǒng)，要么沿不同觀測(cè)軸進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，要么沿同一觀測(cè)軸進(jìn)行多發(fā)次測(cè)量，此時(shí)驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱性、隨機(jī)觸發(fā)晃動(dòng)誤差和不同發(fā)次間的隨機(jī)差異將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的置信度降低[23］。為解決這一問(wèn)題，本所與中物院上海激光等離子體研究所合作提出將高效率、高分辨的多通道掠入射成像、可實(shí)現(xiàn)能譜選擇的多層膜分光和可時(shí)間分辨的高速相機(jī)有效耦合，同步獲取靶丸自發(fā)光和背光信號(hào)的診斷新方法[20］，如圖10所示。該方法采用多通道KB顯微鏡在近共軸條件下形成多個(gè)高空間分辨成像，且KB顯微鏡各通道反射鏡表面鍍制多層膜分別實(shí)現(xiàn)低能和高能X射線選擇，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)自發(fā)光和背光信號(hào)的能譜區(qū)分，最后通過(guò)像面的條紋相機(jī)記錄，實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨掃描成像，自發(fā)光和背光同步成像診斷的能譜響應(yīng)曲線如圖11所示。

該方法同時(shí)具備與KB系統(tǒng)相同的空間分辨能力，圖12為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用銅靶X射線管得到的系統(tǒng)離線標(biāo)定結(jié)果，在整個(gè)有效視場(chǎng)內(nèi)均能夠清晰地分辨網(wǎng)格線條，按照光強(qiáng)最大至最小值變化的“10%～90%”分辨率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)在中心視場(chǎng)的分辨率達(dá)到3μm，±100μm視場(chǎng)分辨率優(yōu)于5μm，與仿真模擬結(jié)果相符。

該方法能夠?qū)崿F(xiàn)背光、自發(fā)光兩類不同的診斷數(shù)據(jù)在同一發(fā)次、同一視角的同步測(cè)量及對(duì)比分析，增加了診斷數(shù)據(jù)的獲取維度，有效避免不同診斷系統(tǒng)或發(fā)次的測(cè)量數(shù)據(jù)的隨機(jī)差異，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的置信度。系統(tǒng)在神光Ⅲ原型裝置同時(shí)測(cè)量了內(nèi)爆靶丸的自發(fā)光和背光流線，成像結(jié)果及分析如圖13。自發(fā)光和背光通道的信號(hào)干擾均得到良好的抑制，可以根據(jù)背光流線提取靶丸的外邊界輪廓并計(jì)算內(nèi)爆速度，根據(jù)自發(fā)光流線評(píng)估熱點(diǎn)溫度演變等信息。

5 結(jié)論和展望

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位近二十年的技術(shù)攻關(guān)，國(guó)內(nèi)等離子體診斷用精密X射線成像光學(xué)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。在國(guó)際上首次突破了多通道高分辨X射線成像的瓶頸，解決了ICF研究長(zhǎng)期缺乏高分辨X射線時(shí)空診斷技術(shù)的難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)外同類型技術(shù)的超越，有力推動(dòng)了多通道高分辨KB系統(tǒng)在我國(guó)ICF實(shí)驗(yàn)診斷的廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，提出了基于多層膜球面鏡陣列的X射線多能譜成像新方法和多類新物鏡結(jié)構(gòu)，建立了復(fù)合能點(diǎn)、高效率、高分辨的X射線診斷新技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)能譜相關(guān)的X射線診斷技術(shù)存在的集光效率低、空間分辨率差等制約性問(wèn)題；突破了高效率多層膜制備和多能道精密耦合等技術(shù)難題，針對(duì)多個(gè)不同類型物理實(shí)驗(yàn)的需求，研制了多套新型的X射線多能譜成像診斷系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了小尺度和弱信號(hào)等離子體的高效率測(cè)量，大大提升了弱源強(qiáng)等離子體的時(shí)空譜診斷能力。

相比現(xiàn)階段分解實(shí)驗(yàn)，靶丸在點(diǎn)火規(guī)模實(shí)驗(yàn)條件下處于更高的能量和密度狀態(tài)，熱斑尺寸減小，靶丸密度升高。為了有效診斷熱斑形狀、溫度分布和燃料混合等重要物理問(wèn)題，光學(xué)系統(tǒng)需要具備更高的空間分辨。同時(shí)，為了穿透更高密度的靶丸物質(zhì)，診斷能區(qū)將轉(zhuǎn)向幾千電子伏甚至更高的硬X射線能段。未來(lái)幾年，將進(jìn)一步圍繞更高空間分辨和更高效率的診斷需求，重點(diǎn)基于研究平臺(tái)在小磨頭和離子束修形拋光等精密超光滑非球面基底加工的硬件和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及硬X射線非周期超薄多層膜制備的工作積累，自主開展非球面構(gòu)型的新型硬X射線掠入射成像系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)研究，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)于3μm的空間分辨率和10-6sr的收集效率。在具體的光學(xué)方案設(shè)計(jì)上，圍繞具體的空間、時(shí)間和能譜綜合測(cè)量需求，進(jìn)一步發(fā)展更高分辨、更多通道和更多能道的復(fù)雜構(gòu)型多層膜掠入射X射線成像技術(shù)，為相關(guān)ICF研究機(jī)構(gòu)重要診斷實(shí)驗(yàn)的開展提供更有力的光學(xué)系統(tǒng)支撐。