準(zhǔn)單色近平行光束的X射線源?

王瑞榮 安紅海 熊俊 謝志勇 王偉

(上海激光等離子體研究所,上海 201800)

(2018年5月1日收到;2018年11月18日收到修改稿)

針對準(zhǔn)單色近平行光束X射線背光成像診斷需求,提出了一種用球面彎晶進行X射線衍射選單從而獲取準(zhǔn)直光束的新方案.在神光II裝置上,設(shè)計了基于球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束系統(tǒng),完成了該系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和實驗應(yīng)用,獲得了準(zhǔn)單色(10?3

1 引 言

激光驅(qū)動X射線背光照相診斷技術(shù)常用于高溫稠密等離子體、慣性約束聚變中小球內(nèi)爆過程的診斷[1,2].由于成像系統(tǒng)分辨力有限,靶芯自發(fā)輻射干擾和背光源局部不均勻等不利因素,常常出現(xiàn)由靶球內(nèi)爆的高階不對稱性導(dǎo)致的內(nèi)爆后期內(nèi)界面位置和尺寸無法從圖像中獲取的情況.為了從圖像中精準(zhǔn)獲取界面位置和尺寸,需要對X光照相技術(shù)進行兩點改進:一是將背光X射線光束變成平行光束,以提高界面對比度;二是對待測物體進行成像放大,以獲取更高的空間分辨率.X射線激光有光束準(zhǔn)直性好的特點,可大幅度提升顯微學(xué)和光譜學(xué)在納米空間尺度上的研究能力,但目前仍處在研究發(fā)展階段[3].利用光學(xué)器件反射同步輻射X射線可得到極好的單色性和平行度的X射線,但由于同步輻射源稀缺,加上輻射防護和高成本因素限制了同步輻射準(zhǔn)單色平行光束X射線應(yīng)用[4].目前,激光驅(qū)動X射線背光照相診斷技術(shù)指的是利用激光輻照金屬靶片產(chǎn)生特征線的X光作為背光照明光源,對目標(biāo)(物體)輻射照相.對于界面測定這種背光實驗,已有理論研究表明采用平行光束光源比傳統(tǒng)X射線光源要好,可提高高收縮比樣品的界面對比度.為了內(nèi)爆推進層內(nèi)界面精度運動軌跡等物理實驗,在“神光II”激光裝置上發(fā)展一種用于激光等離子體輻射X射線選單準(zhǔn)直光束低成本方法,獲取具有高度方向性和單色性的X射線光源是有必要的.

迄今為止,激光輻照金屬片靶產(chǎn)生等離子體輻射X射線效率及其背光照相得到了廣泛應(yīng)用[5?7],但將平行光束引入X射線成像方案[8,9]中,實現(xiàn)高對比度和分辨率的背光成像例子很少,尤其在大中型激光裝置上,利用自產(chǎn)的準(zhǔn)單色近平行光束X射線光源對靶丸壓縮過程背光照相診斷還沒有先例.但要獲得優(yōu)良的準(zhǔn)單色近平行光束X射線除要依賴現(xiàn)有激光裝置的能量輸出能力外,還需要發(fā)展準(zhǔn)直X射線光束的方法和光學(xué)器件.用毛細(xì)管X射線光學(xué)器件得到了準(zhǔn)單色平行光束X射線和用定向晶體將特定能量的X射線衍射成單色性或多色平行光束X射線已有先例[10],用反射雙通道切割冷凝準(zhǔn)直單色器[11]、平曲拋物型多層膜反射鏡[12]、交叉梯度拋物型多層膜反射鏡[13]、對數(shù)螺線鏡與凸面鏡組合[14]、衍射與折射鏡[15]等光學(xué)器件,獲得了實驗室光束發(fā)散度小的X射線源.

盡管在X射線光束的準(zhǔn)直技術(shù)和應(yīng)用方面取得了長足進步,準(zhǔn)直X射線光束發(fā)散度均可以達到毫弧度(mrad)量級,但主要采用的是用兩塊反射鏡進行耦合的方式,在掠入射條件下實現(xiàn)X射線光束準(zhǔn)直.而多光學(xué)器件組成的X射線光束準(zhǔn)直系統(tǒng)難免會增加實驗布局的復(fù)雜程度,且準(zhǔn)直X射線光束要求極高的裝調(diào)精度,這無形中增加了其裝調(diào)的難度.由于光學(xué)器件對X射線具有強吸收,多反射鏡還會降低像面對比度和調(diào)制傳遞函數(shù),因而這種方法是以犧牲X射線光子流量來換取X射線光束準(zhǔn)直性的提升.

針對上述這些問題,本文提出了一種基于球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束方案,簡要介紹利用球面彎晶X射線衍射準(zhǔn)直光束原理及設(shè)計的基本思想,并研究布拉格角對球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束發(fā)散度的影響,給出相應(yīng)的應(yīng)用演示實驗的細(xì)節(jié)和結(jié)果.

2 X射線光束準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計

X射線光束準(zhǔn)直系統(tǒng)是一種以球面彎晶為主要元件的非對稱性選單和成像系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.物體發(fā)出的X射線經(jīng)球面彎晶衍射選單成像變成準(zhǔn)單色近平行光束X射線.對于非對稱性的離軸系統(tǒng),在掠入射反射成像時球面鏡要產(chǎn)生像散像差,其子午和弧矢方向成像公式為

其中p為物距,qt和qs分別為子午和弧矢面內(nèi)的像距,R為曲率半徑,θ為布拉格角(或掠入射角).從(1)式可以得出,球面鏡只有當(dāng)物體位于光軸上時,才會有子午像面和弧矢像面重合.若θ不等于90?,存在有像散像差現(xiàn)象,子午和弧矢焦距之比為sin2θ.在較小掠入射角情況下,子午焦線和弧矢焦線間間距(或像散差)很大,如圖2所示.由于該系統(tǒng)存在像散差,對于物體上無限小點成像,并非點像而實際是彌散斑.彌散斑橫向和縱向的大小決定成像系統(tǒng)橫向和縱向的分辨能力.在設(shè)計X射線光束準(zhǔn)直系統(tǒng)時,需要考慮3個重要性能指標(biāo):一是光束發(fā)散角;二是單色性;三是X射線光強度.X射線光強度可以提高成像質(zhì)量.光束發(fā)散度的好壞直接影響成像視場和圖像重建的分辨力,對幾何放大倍數(shù)也有著重要意義.而X射線單色性有益于光譜技術(shù)和X射線背光成像方法的應(yīng)用[16]與推廣.

圖1 球面彎晶準(zhǔn)直光束光路圖Fig.1.Ray trace of collimated beams using a spherically bent crystal.

圖2 球面彎晶子午面和弧矢面焦距隨布拉格角的演化Fig.2.Bragg angle evolutionary curves of the focaldistance in the tangential plane or sagittal plane for spherically bent crystal,respectively.

事實上,進行激光等離子體X射線源準(zhǔn)直光束的前提是要滿足球面鏡成像和布拉格衍射條件的X射線.對于軸對稱系統(tǒng),點光源位于球面鏡的焦點上,X射線光束經(jīng)球面鏡反射后成為理想的平行光束(零發(fā)散度).而準(zhǔn)直X射線光束的光強度取決于下列3個主要因素:系統(tǒng)的集光能力、光能損失程度和成像放大倍數(shù).光能損失包括有由于晶體反射的光能損失和光譜帶寬限制引起的光能損失.根據(jù)布拉格衍射方程:2dsinθ=nλ,這里2d為晶格常數(shù),n為衍射級次,λ為波長.只有入射光滿足布拉格衍射條件時,方有可利用的積分衍射效率,但能否滿足布拉格衍射條件是關(guān)系到球面彎晶準(zhǔn)直X射線光束的效率.基于球面彎晶X射線衍射準(zhǔn)直光束的光學(xué)結(jié)構(gòu),考慮到在離軸條件下的布拉格角、曲率半徑和通光孔徑等關(guān)鍵因素對X射線衍射單色性的影響,并從圖1中推出相對光譜帶寬(?λ)為

這里?Scrystal為球面彎晶工作區(qū)域所對應(yīng)的弦長.

由于不同參數(shù)總會影響到系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn),因此,X射線光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計需滿足以下原則:首先,系統(tǒng)要保證X射線衍射為近平行光束;其次,系統(tǒng)在滿足準(zhǔn)單色性的同時,要兼顧輻照度的均勻性,并期望系統(tǒng)有較高的效率;再就是,系統(tǒng)的工作能點易調(diào),能覆蓋當(dāng)前物理實驗所涉及的X光背光能點.根據(jù)以上設(shè)計的基本思想,由(1)和(2)式以及布拉格衍射條件決定X射線光束準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù).

用SHADOW程序包[17]模擬仿真了球面彎晶面形和幾何誤差、晶體孔徑、光源深度和寬度以及入射角對X射線光束發(fā)散角的影響.考慮X射線光源應(yīng)用需求的規(guī)則,當(dāng)X射線束發(fā)散角與集光立體角出現(xiàn)矛盾時,應(yīng)優(yōu)先滿足最小立體角要求.再利用光路追蹤程序[18],模擬仿真球面彎晶準(zhǔn)直X射線光束的發(fā)散度、光譜帶寬和系統(tǒng)成像效率,三者互為制約關(guān)系.為此,實際設(shè)計一套準(zhǔn)單色近平行光束的X射線成像系統(tǒng)需要統(tǒng)籌兼顧系統(tǒng)多個因素,包括對光源系統(tǒng)、球面彎晶成像系統(tǒng)各參數(shù)的選擇和設(shè)計.利用自研的優(yōu)化軟件,具體設(shè)計了兩套球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束系統(tǒng),并將優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)參數(shù)列于表1.其中系統(tǒng)I采用工作能點為4.75 keV,布拉格角71.7?(<80?);系統(tǒng)II采用工作能點為2.78 keV,布拉格角82.4?(>80?).假定點光源背光,采用限制布拉格角范圍的方法,新設(shè)計的X射線光束準(zhǔn)直系統(tǒng)可實現(xiàn)X射線光束發(fā)散角優(yōu)于2.0 mrad,有效輻照均勻斑直徑(?)約2 mm.

表1 X射線準(zhǔn)直系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Table 1.Technical parameters for collimated X-ray system.

3 物理實驗

在“神光II”激光裝置上,對球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束系統(tǒng)進行實驗驗證.主要設(shè)計指標(biāo)為:靶放置在球面鏡的聚焦點附近,第九路三倍頻(3ω)激光,輸出能量～180 J,脈沖波形～150 ps,點聚焦(?～150μm),激光束以靶面法線成22.5?角驅(qū)動固體平面靶.若選用平面固體鈦(Ti)靶為例,選系統(tǒng)I為光學(xué)選單準(zhǔn)直X射線光束的配置結(jié)構(gòu),物距為93.7 mm,網(wǎng)格金屬絲直徑為60μm,周期為127μm的200目金屬網(wǎng)格,成像板(imaging plate,IP)記錄,實驗布局如圖3所示.所需診斷參數(shù):首先,對X射線發(fā)散角測量.用IP擱置在不同位置記錄X射線背光網(wǎng)格成像圖像.其次,為了對激光等離子體輻射X射線能譜進行觀測,把橢圓彎晶譜儀安裝在靶下方,觀測方向與靶面法線成30?,與入射激光束夾角為52.5?,分光晶體為石英,晶格常數(shù)(2d)為4.5 ?,能譜覆蓋范圍:E=3.15—7.36 keV.第三,要監(jiān)測球面彎晶X射線衍射能譜的單能化.用時空積分的球面彎晶譜儀配IP記錄,而IP放在羅蘭圓上(圖3未標(biāo)出)來獲取球面彎晶X射線衍射選單的光譜輪廓.在實驗過程中,為防止濺射損傷球面彎晶元件,提高診斷有用信息的對比度,降低低能段X射線和雜散光本底的影響,在彎晶元件和探測器前各自置上防護膜片和濾光膜片.組成膜片的材料及厚度可根據(jù)文獻[19]選擇.對于工作能點4.75 keV Ti離子類He-Kα中心譜線,選擇5μm厚銅(Cu)薄片作為防護膜片或濾光膜片最為合適.

圖3 準(zhǔn)單色X射線束發(fā)散角測量布局圖,其中X射線束輻照金屬網(wǎng)格,在IP上形成網(wǎng)格圖像Fig.3.Experimental diagram for measuring divergence angle of quasi-monochromatic X-ray beams.The quasi-monochromatic beam passed through a metal grid and formed an image of the grid on IP.

4 結(jié)果與討論

圖4為利用橢圓彎晶譜儀獲得的Ti等離子體輻射X射線能譜圖.圖4(a)為IP記錄的原始光譜圖,其中水平方向為色散(或能譜分辨)方向,豎直方向為空間方向.為了得到Ti等離子體輻射X射線能譜分布,將圖4(a)沿空間方向取150個像數(shù)點積分求平均,并對譜線進行定標(biāo),標(biāo)識、歸類辨認(rèn),得到了Ti等離子體輻射X射線能譜光強度分布圖,如圖4(b)所示.從圖4(b)中看到,Ti激光等離子體輻射X射線包含有豐富的原子、離子躍遷線,主線為高剝離態(tài)類離子譜線,諸如類氫離子H-α,類氦離子He-Kα,He-Kβ,He-γ和He-δ、類鋰離子Li-Kα,Li-Kβ和Li-γ等躍遷線,也發(fā)現(xiàn)了冷原子K特征線,并對能譜分布譜線輪廓的光強度進行了比較,最強峰線為類氦離子He-Kα,次強峰線為類鋰離子Li-Kα伴線,光譜帶寬?E=4.7—4.75 keV.若要得到光源真實光譜線的光強度信息,必須對測量光譜線的光強度進行“反卷積”處理.利用光源到探測器的距離、晶體積分衍射效率、譜儀傳遞函數(shù)、IP光子響應(yīng)效率以及激光等離子體輻射X射線光強度所遵循角度余弦函數(shù)分布等[20]參量,建立實驗測量光譜線的光強度與激光等離子體輻射X射光強度的關(guān)系(有關(guān)這方面的工作將單獨成文另作報道).

圖4 橢圓彎晶譜儀測量的X射線譜 (a)IP記錄原譜圖;(b)激光Ti等離子體輻射X射線譜Fig.4. Measured X-ray spectra with elliptically bent crystal spectrometer:(a)Original photograph of X-ray spectra;(b)spectral distribution of a laserproduced Ti plasma.

圖5 (a)是用球面彎晶譜儀獲得的Ti等離子體輻射X射線能譜圖.由于激光等離子體輻射X射線譜由兩部分組成,在連續(xù)譜上疊加有線譜.從得到的譜線分布輪廓看,衍射本底計數(shù)很低,共振線和伴線輪廓比較分明,信噪比好,類He-Kα線和類Li-Kα伴線衍射峰的結(jié)構(gòu)十分清晰,表明球面彎晶譜儀分辨本領(lǐng)很高.假設(shè)X射線衍射峰為高斯型分布,對類He-Kα線和Li-Kα伴線衍射線譜進行高斯擬合,兩峰剝離后為孤立的類He-Kα和Li-Kα衍射線譜,其光譜帶寬(?E/E)為1.5×10?3—3.2×10?2.在已知譜儀傳遞函數(shù)條件下,推導(dǎo)了激光等離子體X射線源在某一波長的光子能量強度的求解公式,并將該求解公式應(yīng)用到圖5(a)中,得到了類He-Kα和Li-Kα兩衍射線譜的相對光強度之比為6.29.由于伴線類Li-Kα的光強度相對較小,球面彎晶X射線衍射光束得到能譜的準(zhǔn)單能化.

圖5 X射線光譜及背光網(wǎng)格陰影成像圖像 (a)Ti等離子體輻射～4.75 keV X射線光譜;(b)與網(wǎng)格間隔600 mm處IP記錄的X射線背光網(wǎng)格陰影成像圖像Fig.5. Spectrum of X radiation and image of the grid formed by the quasi-monochromatic parallel beam:(a)Spectrum of X radiation emitted from the Ti plasma around 4.75 keV;(b)image of the grid formed by the quasimonochromatic parallel beam.The grid is placed 600 mm from the IP.

本輪實驗是通過打靶來獲得IP任意位置記錄物像網(wǎng)格線直徑差,得到X射線衍射光束發(fā)散角的方法.圖5(b)為IP離金屬網(wǎng)格600 mm處記錄的200目金屬網(wǎng)格圖像.基于X射線背光陰影網(wǎng)格成像原理,假定網(wǎng)格位置(圖3所示)的光束發(fā)散角為0,圖3中推出球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束的發(fā)散角為

其中D為網(wǎng)格線像直徑,D0為靜態(tài)網(wǎng)格線直徑,L為IP接收面到網(wǎng)格的距離.通過(3)式得到了該系統(tǒng)準(zhǔn)直X射線光束的子午發(fā)散角為(5.69±0.46)mrad;弧矢發(fā)散角為(16.69±0.6)mrad.

(1)式表明:當(dāng)布拉格角(θ)不等于90?時,子午焦線和弧矢焦線是不重合的.由于球面彎晶X射線衍射光束發(fā)散角與X射線能量相關(guān)聯(lián),像散像差會干擾球面彎晶X射線衍射光束平行度的質(zhì)量.為了探究布拉格角對球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束發(fā)散角的影響規(guī)律,用納秒(ns)激光驅(qū)動固體平面靶聚氯乙烯([CH2-CHCl]n,簡稱PVC)生成氯(Cl)等離子體輻射X射線的類He離子躍遷特征譜線E=2.78 keV進行研究.選用“晶格常數(shù)(2d)為4.5 ?,曲率半徑為200 mm的球面彎晶+89.8 mm的物距+82.4?的布拉格角”的配置結(jié)構(gòu),用IP記錄.在實驗中,得到了光束發(fā)散角小于2 mrad的X射線衍射準(zhǔn)直光束,其中子午發(fā)散角為(1.52±0.16)mrad;弧矢發(fā)散角為(1.86±0.23)mrad.子午發(fā)散角與弧矢發(fā)散角近似相等.顯然,要減少子午方向和弧矢方向的X射線衍射光束發(fā)散角的差別,布拉格角應(yīng)保持盡量大.表2列出了在不同布拉格角條件下,球面彎晶X射線衍射選單準(zhǔn)直光束發(fā)散角的結(jié)果.

表2 不同布拉格角條件下X射線束發(fā)散角Table 2.Divergence angle of X-ray beam in different Bragg angle cases.

對于X射線背光成像,除了要求X射線光束發(fā)散角和單色性外,輻照均勻光斑尺寸(?)也是關(guān)鍵指標(biāo)之一.圖6為球面彎晶X射線衍射準(zhǔn)直光束的輻照光斑照片.從照片中,X射線衍射光束的光斑亮度中間強邊緣弱.將圖6沿著z方向選取150個像素點積分求平均,得到了球面彎晶X射線衍射光束的光斑沿x方向X射線源光強度分布,如圖7所示.假定X射線衍射光束光斑光強度分布可近似等效為高斯型分布,取其半高全寬為光斑尺寸,得到了X射線衍射光束光焦斑為1.68 mm.若規(guī)定光強度曲線從最大值下降20%處的高寬值來估算勻照區(qū)域的方法,得到了勻斑有效直徑?～500μm.

圖6 沒有網(wǎng)格時IP記錄的X射線光斑照片F(xiàn)ig.6.Photograph of X-ray spot recorded by IP without grid.

圖7 沿圖6 x軸方向的X射線光強度分布Fig.7.X-ray intensity distribution along x axis from Fig.6.

而球面鏡幾何成像像差有五類:球差、彗差、像散、場曲和畸變.對于物點放在對稱軸上成像,只有球差,對于物點在軸外,存在上述五種像差.如圖1所示的布局是典型的軸外成像,而最大的差異出現(xiàn)有雙焦點.以下分析是基于球面鏡聚焦原理產(chǎn)生雙焦點而影響X射線衍射光束發(fā)散角的原因.采用解析方法估算像散像差比較復(fù)雜,這里選擇了最簡單的光線追跡方法.由于像散差在于子午和弧矢方向產(chǎn)生光束發(fā)散度權(quán)重是不一樣的,若子午面由焦點處發(fā)出的一個理想球面波可以成像在無窮遠(yuǎn)處,而同一個理想球面波在弧矢面內(nèi)是無法匹配實現(xiàn)在無限遠(yuǎn)處成像,而是聚焦于多個焦點,并且子午(z軸方向,晶體衍射方向)光束發(fā)散角小,弧矢(x軸方向)光束發(fā)散角大.若布拉格角變大,除有光束發(fā)散度總體要變小外,子午發(fā)散角和弧矢發(fā)散角差別也要變小.像散差會影響到X射線衍射準(zhǔn)直光束的整體性能.但如何減少像散差對球面彎晶X射線衍射光束發(fā)散角的影響,將是繼續(xù)研究的主要問題.

需要指出的是,本輪實驗確實尚有些因素未能考慮清楚,存在數(shù)據(jù)置信度問題.可值得質(zhì)疑置信度的最大問題是由于真實的X射線光源并非理想點光源,不能忽略尺度,光源深度和面度都會導(dǎo)致光束發(fā)散角增大;其次,晶體表面粗糙度和有限孔徑將會影響到X射線光束發(fā)散角;第三,晶體衍射表面形狀和幾何誤差可能造成光束發(fā)散角增大,曲率半徑誤差會產(chǎn)生散焦或聚焦位置漂移.因此,在“神光II”激光裝置上的本輪實驗盡管獲得了準(zhǔn)單色近平行光束X射線的實驗數(shù)據(jù),但X射線衍射光束特性的實驗結(jié)論仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以讓人信服,對于目前的情況,尚有待改進.在今后的實驗研究中,如何通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和界定實驗的具體參數(shù),以提高輸出X射線光束勻斑和減少光束發(fā)散角,將是獲取優(yōu)質(zhì)準(zhǔn)單色近平行光束的X射線光源的必然要求,也是研究的主要內(nèi)容.

5 結(jié) 論

本文提出了一種利用激光等離子體產(chǎn)生準(zhǔn)單色近平行光束的X射線光源方法.設(shè)計了利用球面彎晶X射線衍射選單來獲得準(zhǔn)直光束的系統(tǒng),并給出了設(shè)計原則和參數(shù)要求.在“神光II”激光裝置上,完成了激光等離子體X射線輻射選單準(zhǔn)直光束的實驗驗證,得到了準(zhǔn)單色(10?3500μm的X射線光源.

感謝重慶大學(xué)光電工程學(xué)院肖沙里教授和神光II激光裝置運行組成員的大力協(xié)助.