光学仪器  2017, Vol. 39 Issue (4): 70-76   PDF    
等离子体诊断用成像型软X射线三色谱仪设计
贺亚男, 李亚冉, 穆宝忠     
同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
摘要: 围绕激光惯性约束聚变研究中内爆靶丸的辐射流诊断需求,设计了一种兼顾空间成像功能的三色软X射线谱仪。该谱仪的设计中心能点为210 eV、680 eV和800 eV,能谱分辨率EE为5~10。采用X射线掠入射光学结构,实现了三个能点的一维聚焦成像,在1 mm视场内空间分辨率优于10 μm。采用X射线周期多层膜,获得了三个能区的能谱响应,多层膜测试结果满足设计要求。以光学设计和多层膜为基础,建立了系统的光线追迹模型,分析了可控的空间位置误差和瞄准误差对系统光谱分辨和空间分辨的影响,为装调方案及瞄准方法设计提供了精度依据。该谱仪与条纹相机结合,可用于我国强激光装置上的等离子体诊断实验。
关键词: 三色谱仪     X射线多层膜     掠入射成像     等离子体诊断    
The design of soft X-ray tri-color imaging spectrometer for plasma diagnostics
HE Yanan, LI Yaran, MU Baozhong     
School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: In inertial confinement fusion, a large part of the incoming laser energy is radiated into soft X-rays.To determine both the shape of this spectrum and the conversion efficiency, we have designed a tri-color soft X-ray spectrometer with the imaging features.The spectrometer operates at 210 eV, 680 eV and 800 eV.Energy resolution of the spectrometer is EE≈5-10.The reflective surfaces with a grazing incidence achieve a higher spatial resolution in the tangential direction.The spatial resolution is better than 10 μm within 1 mm field of view.Based on the optical design and multilayers principle, ray tracing model is established.By ray tracing simulation, this paper analyzes the influence of the spatial position errors and alignment errors on the spectral resolution and spatial resolution, which is provided with adjustable design and targeting accuracy.The time evolution of the hohlraum in multiple X-ray energy bands can be acquired when coupled with an X-ray streak camera, which can be used for plasma diagnosis experiments of high-power laser facilities in China.
Key words: tri-color spectrometer     X-ray multilayers     grazing incidence imaging     plasma diagnostics    
引言

在惯性约束聚变中, 激光等离子体能辐射出能量从百eV到几十keV的X射线, 其中小于1 keV的软X射线是目前诊断的重点。通过对软X射线的光谱诊断, 可以获得等离子体的电子温度、电子密度、不透明度等[1-3]重要信息。根据分光元件不同, 用于等离子体光谱诊断的仪器主要有Dante谱仪、滤片X射线二极管阵列谱仪、弯晶谱仪、多层膜谱仪以及光栅谱仪。Dante谱仪于1983年开始应用于美国OMEGA强激光装置, 该谱仪采用单层膜平面镜加滤片的方式实现了对100~600 eV的X射线脉冲的光谱测量, 能量分辨率(EE)约为3~5, 时间分辨率约为20 ps[4-7]。我国神光Ⅱ升级装置使用的滤片X光二极管阵列谱仪是以不同材料的滤片作为软X射线色散元件, 以X射线二极管作为软X光探测器, 为了消除杂散光的影响, 在滤片的通道后面添加不同材料的平面镜来抑制高能尾部, 构成该谱仪的探测系统, 它的测量能区为0.05~4.97 keV, 时间分辨率为99.22 ps[8-9]。日本大阪大学的Szabo等发展了球面弯晶谱仪, 用来研究快点火中的靶丸内爆动力学, 该谱仪采用石英弯曲球面晶体(2133), 耦合X射线分幅相机得到了钒的He-α特征线二维成像, 系统的空间分辨率为24 μm, 时间分辨率为100 ps[10-12]。1999年Bessarab等研制了0.2 ~1.5 keV能区的八通道多层膜X射线光谱仪[13], 该谱仪每个通道均由带通滤片、多层膜反射镜、真空X射线二极管组成, 系统能量分辨率大于20, 时间分辨率约为150 ps。2004年美国LIVEMORE国家实验室利用掠入射弯曲光栅光谱仪实现了软X射线和极紫外(1~5 nm)波段的高能谱分辨测量[14]。在激光等离子体诊断实验中, 各种谱仪均具有局限性, 例如:滤片XRD光谱仪高能尾部对输出信号的影响严重, 必须采取适当措施(如加掠入射反射镜)抑制高能尾部, 在感兴趣的波段能量分辨率和色散率均较低; 晶体光谱仪、光栅光谱仪由于其二维间隔的局限性, 单个晶体或光栅均不能实现宽光谱成像, 而且由于自身的不完美性(杂质和测量缺陷), 在实验中很难实现其空间区域的准确标定; Dante光谱仪具有较高的色散性能, 色散率高达10%~15%, 约比滤片X射线二极管阵列谱仪高一个数量级, 但不能反映黑腔靶的空间位置信息。

基于我国神光系列强激光装置的诊断需求, 本论文设计了一种兼顾成像和光谱分辨的新型诊断仪器, 成像元件采用球面反射镜, 利用X射线多层膜实现能点选择, 进而建立光线追迹模型, 分析了各元件的空间位置误差及瞄准误差对系统性能的影响。

1 光学设计

本文所设计的软X射线成像谱仪用于黑腔辐射流测量, 通过与条纹相机结合, 实现包含空间、能谱、时间等信息的等离子体诊断。在黑腔辐射流测量中, 能量低于1 keV的软X射线是目前诊断的重点, 初始设计的三个中心能点分别为210 eV、680 eV和800 eV, 能谱分辨率EE优于5。打靶过程中黑腔将产生大量的碎片, 为保护镜面以及维持系统的稳定性, 物距不宜过小, 设计为200 mm左右。结合条纹相机自身分辨率的限制, 采用放大倍数为3~5倍, 空间分辨率优于10 μm。为实现与尺寸为1 mm×30 mm的条纹相机耦合, 像点间隔设计为15 mm。根据工作能点, 将三个工作能点的多层膜掠入射角度设定为10°~15°。图 1为反射式成像型三色谱仪的光学结构示意图。

图 1 成像光谱仪光学结构的示意图 Figure 1 The layout of the imaging spectrometer

该光学结构由三组多层膜球面反射镜M1、M2和M3以及狭缝构成。子午方向上光束基于X射线掠入射成像原理, 通过单块球面反射镜聚焦成像实现一维方向的高空间分辨, 同时球面反射镜镀有周期多层膜以实现能谱分辨。弧矢方向上采用狭缝限制入射光束宽度, 适当牺牲空间分辨率以提高集光效率。子午方向的成像符合杨氏公式[15]

(1)

式中:uivi分别为各通道的物距和像距; Ri为凹球面镜的曲率半径; θi为掠入射角。对于相对较高的两个工作能点680 eV和800 eV, 其掠入射角初始值设为10°; 较低的工作能点210 eV, 其掠入射角初始值设为15°。M2、M3在空间中呈前后放置, 是为了保障物镜的小型化。设计过程中, 必须考虑三组反射镜间不会相互挡光。

在此基础上, 给出了反射式成像型软X射线三色谱仪的总体结构, 如图 2所示, 由狭缝、三块X射线多层膜球面镜及条纹相机组成。激光打靶产生的X射线辐射通过狭缝掠入射到光学元件, 经三块球面反射镜聚焦为三个一维像, 由于三块球面反射镜分别镀制了不同的薄膜, 因此三个像代表了同一辐射区发出的不同能谱辐射。条纹相机的光电阴极呈狭缝形状, 光电阴极产生的光电子在条纹相机变像素管的加速、聚焦以及偏转斜坡脉冲扫描作用下, 在荧光屏上形成时间分辨的扫描图像。

图 2 成像谱仪结构示意图 Figure 2 The schematic diagram the imaging spectrometer

结合诊断实验所特有的限定条件以及光学加工能力, 设计得到光学系统的初始结构参数, 如表 1所示。

表 1 软X射线成像谱仪的结构参数 Table 1 Structure parameters of the soft X-ray imaging spectrometer

根据光学设计结果, 我们建立了该系统的光线追迹模型, 模拟了210 eV、680 eV和800 eV能点的空间分辨率随视场的变化情况, 如图 3所示。680 eV和800 eV能点在中心视场区域的空间分辨率约为2 μm, 210 eV能点在中心视场区域的空间分辨率约为3 μm。在约±500 μm的视场范围内, 三个通道的成像空间分辨率均优于4 μm。由于680 eV和800 eV能点的掠入射工作角度较为接近, 因此其空间分辨能力基本一致。210 eV能点具有较大的工作角度, 在保障物距前提下反射镜曲率较大, 因此中心视场的球差较大, 中心视场分辨率相对较低; 由于掠入射角的优势, 其轴外像差相对较小, 边缘视场与中心视场分辨率相差不大。

图 3 210 eV、680 eV、800 eV能点不同视场位置的空间分辨率 Figure 3 Spatial resolution of multi-energy spectrometer at different object fields
2 多层膜设计

基于布拉格衍射原理的X射线周期多层膜可以在较大的掠入射角度下实现高反射率, 并具有一定的能谱分辨能力。周期多层膜的主要特性可由摇摆曲线表示, 即反射率随能量的变化曲线, 摇摆曲线的半高宽(FHWM)反映了能量带宽, 即能谱分辨能力。根据工作能区以及能量带宽的要求, 设计了三个通道的多层膜。在210 eV能点, 选择了Cr/C材料组合; 在680 eV以及800 eV能点, 则选择了W/Si材料组合。通过膜系优化, 得到三个能点的周期多层膜的设计结果, 如表 2所示。采用磁控溅射原理制备了三个能点的多层膜, 利用X射线衍射仪(XRD)进行了测试。对应的反射率曲线及测试拟合结果如图 4所示。根据测试拟合结果, 三组周期多层膜的周期厚度与设计值有一定的偏离, 对于210 eV能点, 测试拟合周期厚度为12.99 nm, 实际中心能点为213 eV; 在680 eV能点, 测试拟合周期厚度为5.46 nm, 实际中心能点为691 eV; 在800 eV能点, 测试拟合周期厚度为4.62 nm, 实际中心能点为808 eV。三组多层膜对应的能谱带宽分别为22 eV@213 eV、49 eV@691 eV和41 eV@808 eV。

表 2 软X射线成像谱仪系统采用的膜系结构 Table 2 Thin-film parameters of the soft X-ray imaging spectrometer

图 4 三个能区周期多层膜的设计测试结果 Figure 4 The designed and measured results of multilayers

由于反射镜面有一定的口径, 因此镜面不同位置和反射镜曲率导致了多层膜的工作角度变化, 必然带来一定的能谱展宽。结合系统的光学设计结果, 计算得到了考虑镜面口径和反射镜曲率后的能谱响应, 能谱模拟展宽分别为33.4 eV@213 eV, 76.2 eV@691 eV和72.5 eV@808 eV, 对应的能谱分辨率EE分别为6.4、9.1和11.1, 光学系统的能谱响应模拟如图 5所示。

图 5 系统的能谱响应和能谱展宽 Figure 5 The spectral response and spectral width of optical system
3 装调误差分析

由于机械结构的局限性与光学系统装配工艺的复杂性, 在装调过程中光学镜头空间位置和物像瞄准装置将不可避免地产生平移和倾斜等误差。软X射线成像谱仪对光学系统的成像质量与光谱分辨要求较高, 因此在装调过程中对各光学元件空间位置和瞄准精度要求严格。本文运用MATLAB仿真建模, 采用预估各光学元件空间位置误差和瞄准误差的方法, 分析光学系统的光谱分辨与空间分辨能力, 有效指导系统进行高精度装调。空间位置误差参数包括镜面偏心、镜面倾斜, 瞄准精度参数包括物点偏移、像面偏移。本节以800 eV能点的光路为例进行分析。

首先模拟分析各光学元件偏心(镜面偏心、镜面倾斜)对光学系统光谱和成像质量的影响, 如图 6所示。镜面在主光轴平面内上下左右偏心±0.1 mm, 保持物点、像面以及其他镜面空间位置不变, 结合图 6(a)(b)可知, 镜面偏心0.1 mm系统成像质量仍保证为10 μm的空间分辨, 光谱质量没有明显变化。装调过程中采用锥芯保证镜面的空间位置, 提高装调精度。镜面倾斜±20″, 保持物点、像面以及其他镜面空间位置不变, 结合图 6(c)(d)可知, 镜面倾斜±20″系统成像质量保证为10 μm的空间分辨, 光谱质量几乎没有变化。系统锥芯的加工精度足以保证在该倾斜误差下系统的成像质量和光谱响应。显然, 各光学元件空间位置容差较大, 在装调过程中较容易实现。

图 6 空间位置误差对谱仪性能的影响 Figure 6 Spatial position tolerance effect on spatial and spectral resolution of the spectrometer

进而模拟分析瞄准精度误差(物点偏移、像点偏移)对光学系统光谱和成像质量的影响, 如图 7所示。物点沿光轴方向偏移±1 mm, 保持镜面空间位置和像面位置不变, 结合图 7(a)(b)可知, 物点沿光轴方向偏移1 mm对系统成像质量有一定的影响, 在1 mm视场内成像质量仍足以保证10 μm的空间分辨, 对光谱质量影响较小。因此装调过程物点的准确瞄准对谱仪成像质量至关重要。像平面沿主光轴偏移±10 mm, 保持物点和镜面空间位置不变, 结合图 7(c)可知, 像平面误差对谱仪空间分辨率未有显著影响, 1 mm视场内谱仪的空间分辨率远优于10 μm。以上仿真结果表明, 在我们能控制的装调误差范围内, 对成像质量产生一定的影响, 对光谱的影响可以忽略, 物点的视场中心定位和景深定位是影响成像质量的主要因素, 但仍足以满足10 μm的空间分辨要求。

图 7 瞄准误差对谱仪性能的影响 Figure 7 Alignment tolerance effect on spatial and spectral resolution of the spectrometer

光学系统的装调过程是一个对各分离误差进行动态平衡并使系统光谱与成像质量达到最优的过程, 最终是将误差收敛在一定范围内。将空间位置误差及瞄准误差叠加代入仿真模型中, 可以给出光学系统的性能模拟。当镜面上下离心0.1 mm、左右离心0.1 mm、镜面倾斜20″、像面离焦10 mm时, 在±0.5 mm的视场范围内, 系统空间分辨率仍低于10 μm, 如图 8所示。在此误差范围内, 掠入射到镜面的角度带宽约为0.16°, 位于800 eV能点多层膜的角度带宽(0.56°)范围内, 其对光谱不会产生明显的影响。

图 8 综合误差对系统空间分辨率的影响 Figure 8 Comprehensive error effect on spatial resolution of the spectrometer
4 结论

针对惯性约束聚变中激光等离子体诊断的实验需求, 设计了反射式成像型软X射线三色谱仪。利用多层膜元件实现能谱选择, 系统工作于213±20 eV、691±40 eV和808±40 eV三个能区, 能谱分辨率分别为6.4、9.1和11.1。系统在1 mm视场内空间分辨率优于10 μm。由分析可知, 可控的装调误差对系统性能未有显著影响, 本设计可为成像型三色谱仪的装调和应用等实验工作提供参考。

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