等離子體診斷用多層膜X射線成像光學研究進展

伊圣振，黃秋實，齊潤澤，張 眾，王占山

（同濟大學物理科學與工程學院精密光學工程技術研究所，先進微結構材料教育部重點實驗室，上海市數字光學前沿科學研究基地，上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業技術服務平臺，上海 200092）

1 引 言

慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）是實現受控熱核聚變的一種重要途徑，對未來能源、國家安全以及高能量密度物理等基礎研究都有重要的科學價值[1-2］。通過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，是實現ICF聚變點火的主要技術手段[3-5］。國內外研究表明，內爆過程中靶丸殼層的不對稱性和流體力學不穩定性將會嚴重影響聚變燃料的空間分布及熱力學狀態，造成聚變點火的失敗[6］。ICF物理主要涉及內爆等離子體的狀態及其演化，對其主要輻射產物X射線的空間、時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射線診斷結合數值模擬，對深入理解內爆過程的重要物理規律、揭示ICF關鍵物理問題和推進點火目標的實現具有重要的研究意義。

由于ICF部分關鍵過程的時空尺度僅在百皮秒及百微米量級，且能譜成分復雜。等離子體X射線信息在時空譜維度的有效獲取對綜合評估內爆等離子體狀態，揭示ICF關鍵物理問題具有至關重要的意義。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器件和系統是開展精密X射線診斷的理想手段[7］，但是相關診斷技術仍存在如下瓶頸問題：（1）系統集成難度大，核心器件基礎薄弱。掠入射成像系統的多通道化是多層膜分光器件及記錄設備系統構建高分辨時空譜X射線診斷技術的基礎。由于多通道掠入射成像要求嚴格，缺乏精密集成裝配技術，多通道掠入射成像系統一直以來都難以高質量應用，同時在配套的核心多層膜器件方面缺乏專門研究，器件制備技術水平嚴重落后于時空譜綜合診斷高反射率、高一致性的性能需求。（2）在線調試技術匱乏，調試精度低。由于X射線波長短，物像關系要求嚴格，當前X射線診斷系統在線調試普遍采用的單純可見光定位或瞄準手段精度有限，難以滿足成像、分光及記錄設備集成的診斷需求，需要發展適應多樣化實驗需求的高精度在線調試新技術。（3）常規X射線診斷方法的信息獲取維度單一。當前常規的高分辨X射線診斷方法（如掠入射成像、條紋相機或分幅相機記錄、多層膜或晶體分光）僅能選擇空間、時間或能譜中一至兩個維度，需要結合多通道掠入射X射線成像、關鍵器件制備及在線調試等方面的創新，發展多能譜X射線診斷新技術，實現時空譜信息的多維度同步獲取。面向我國激光ICF研究開展極端瞬態等離子體狀態診斷的迫切需求，同濟大學精密光學工程技術研究所在國內相關ICF研究機構的支持下，圍繞高性能X射線多層膜光學開展了系統性研究。本文主要介紹了近年來研究所在高性能多層膜掠入射X射線光學方面取得的重要研究進展，并簡要分析了未來的工作方向。

2 多通道掠入射X射線成像技術

X射線時空診斷是評估其內爆對稱性和流體力學不穩定性等關鍵因素對點火性能影響的必要手段。空間分辨和集光效率是X射線成像診斷的關鍵技術指標，高分辨和高效率X射線成像是對小尺寸和弱信號等離子體精密診斷的基礎。以Kirkpatrick—Baez（KB）顯微鏡為代表的掠入射X射線光學系統是開展高分辨X射線成像的關鍵裝備[8］，其空間分辨和集光效率等關鍵指標均顯著優于傳統的針孔成像[9-10］。由于成像要求嚴苛，相關研究基礎較為薄弱，基于KB結構的高分辨X射線成像裝備一直無法服務我國激光ICF的診斷需求。

2.1 高分辨X射線KB顯微成像系統

對掠入射X射線光學系統的模擬和實驗研究表明KB結構的空間分辨隨著視場偏離而降低，僅能在幾百微米視場內達到幾微米的空間分辨，與靶丸尺寸相當[11］。針對KB結構這一小視場高分辨的成像特性，提出了模擬球輔助定位的物鏡模塊化和物像獨立指示方案，解決了角秒級掠入射瞄準和在線快速裝配等難題[12］。該成果為深入開展工程化KB系統的研制奠定了技術基礎。基于上述研究成果研制了多套單通道KB系統，成功應用于小周期瑞利-泰勒（Reyleigh-Taylor，RT）不穩定性、內爆流線及芯部自發射等精密實驗，在我國強激光裝置中首次開展了優于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

超多通道KB系統與分幅相機耦合，能夠獲得更多時間分幅的圖像，顯著提升對小尺寸和弱信號等離子體時空演化行為的診斷能力，這也是進一步發展具有能譜測量能力的先進X射線診斷的基礎。隨著通道數的增多，各通道視場的一致性和像間隔的精密調控問題變得極為復雜。國外在研的各強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題，難以滿足高分辨應用的需求[14］。

針對我國高分辨X射線時空診斷的需求，深入研究多通道物鏡結構對掠入射X射線KB成像的影響規律發現，多通道KB系統精密物像關系調控的核心是共視場成像和多像點控制，其與物距、像距、掠入射角、反射鏡曲率半徑和空間姿態等多個關鍵參數密切相關。上述因素與非共軸掠入射光路結構等因素疊加，導致集成式多通道KB系統各變量的累積誤差難以消除，因此多通道掠入射X射線精密物像關系只能通過誤差解耦和再修正的調控手段實現。此外，基于串列式物鏡排布的新型多通道KB結構方案被提出，實現了各反射鏡子午和弧矢方向成像的分離。以此為基礎，發展了“單鏡-鏡對-物鏡”的多通道物像關系實現方法[15］，如圖1所示。首先通過光學檢測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，通過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，最后通過離線X射線試驗實時調整和修正各鏡對的物像距誤差，在各通道最佳物點位置精確復合的同時，實現了像點排布的準確調控。該方法突破了多通道掠入射X射線精密物像關系調控這一關鍵性難題，為多通道KB系統的推廣應用奠定了技術基礎。

2.3 多通道KB系統的高精度在線裝調技術

診斷物和成像面的準確指示、長工作距離下嚴苛成像關系的復現以及激光裝置的快速部署是制約多通道KB系統裝置應用的關鍵技術問題。為此，發展了高復位精度的”物-診斷物鏡-像”集成指示技術，如圖2。該技術首先通過離線X射線調試獲取多通道KB系統最佳成像的物方視場以及多像點位置，然后分別采用模擬標靶和十字激光作為物和像的指示機構，即：通過多通道KB物鏡前端的百微米直徑模擬標靶定位最佳物方視場，解決了KB結構小視場高分辨成像特性引起的物點精確瞄準問題；采用多通道KB物鏡后端的十字激光長距離指示多像點的中心位置和空間姿態，以作為分幅相機調整的位置基準，有效實現了多像點與微帶空間關系的匹配[16］。在此基礎上，通過可重復拆卸的高精度直線導軌將模擬標靶和十字激光共同集成于多通道KB診斷物鏡，實現多通道KB精密物像關系的高精度在線復現，確保了安裝調試過程的快速性和可靠性。該技術的物點瞄準精度達到了十微米水平，系統的在線安裝調試時間大幅縮短到一至兩小時，有效保障了多通道高分辨KB系統在精密ICF物理實驗中的應用效果。

3 多層膜掠入射X射線成像技術

溫度和密度是等離子體狀態的兩個關鍵參數，X射線空間、時間和能譜分布的診斷測量是表征等離子體密度和溫度狀態及其演化行為的重要手段。將時空診斷與能譜測量相結合，發展復合能量響應的X射線多能譜成像技術是獲得溫度相關的等離子體信息的基礎。發展高效、高分辨的X射線多能譜成像技術，在弱源強的激光裝置條件以及弱信號等離子體信息的獲取上具有顯著的技術優勢。但是，多能譜X射線診斷對光通量、譜響應和空間分辨等指標的有機耦合具有很高的要求。

3.1 多層膜器件的X射線多能譜調控規律及方法

本所開展了利用多層膜分光器件進行X射線多能譜選擇的設計理論研究，建立了融合多層膜、濾片和源強影響的能譜響應模型，深入分析了多層膜薄膜參數與高分辨、高通量的診斷需求之間的聯系，掌握了多層膜器件的X射線多能譜響應規律。在此基礎上，瞄準弱源強的裝置條件，針對針孔陣列配合多層膜鏡等方式存在的信噪比差、工作能區低和分辨能力弱等問題，提出了利用球面鏡陣列對靶丸進行高集光效率、高分辨的X射線成像，并通過鏡面的多層膜結構（窄帶或寬帶）實現能譜選擇和帶寬調控的新方法，同時像點排布有序，能夠與條紋相機等配合進行動態的時間掃描[17］，如圖3所示。該方法較針孔在優于5μm分辨的前提下將集光效率提升一至兩個數量級，進而將診斷能區提高至幾千電子伏，且響應能點和帶寬易于控制，可擴展性好，為在弱源強條件下有效開展空間、時間和能譜同步的X射線診斷奠定了基礎。

3.2 球面多層膜鏡的精準制備技術

能譜響應特性的評估是對測量結果進行絕對標定，并反推等離子體溫度和密度等重要信息的基礎[18-19］。尤其對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、保證標定數據準確性的前提。X射線多層膜的周期厚度為納米量級，納米膜層生長中的界面缺陷和膜厚控制對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備，發展了原子級阻隔層和氬氮混合反應濺射的界面缺陷控制技術，解決了膜層不均勻結晶、擴散混合和化合反應的有效抑制的難題，顯著提升了X射線多層膜器件的反射率；發展了傾斜粒子調控和膜厚精確控制等曲面多層膜生長技術，利用反射鏡基底的精密運動配合多組掩模板疊加的復合分隔結構，對界面缺陷和膜層厚度雙重調控，大幅提升了反射鏡不同位置界面結構和膜厚的一致性，實現了高反射率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的精密瞄準技術

多能譜物像的精密耦合及在線瞄準是應用于新型診斷方法時要解決的首要問題。首先，與等離子體密度相關的背光成像在多能譜診斷的應用更為廣泛，而多層膜的能譜響應與背光源的特征線能量具有很強的關聯性，為此背光源與診斷目標需要共光路、共視場的復合在線瞄準。針對這一需求，在“物-診斷物鏡-像”集成指示技術的單模擬標靶定位最佳物方視場的基礎上，進一步發展了通過雙模擬標靶分別定義背光源和診斷目標位置的物方瞄準手段，有效建立了背光源、物點和多能譜診斷物鏡三個關鍵組件的空間關系[20］，如圖4（a）。此外，條紋相機的狹縫狀光陰極為其信號記錄介質，僅能截取某一條帶區域的成像信號，系統安裝調試對條紋相機光陰極與成像區域的定位要求很高。針對這一問題，將十字激光改進替換為可見光CCD，即利用多能譜診斷物鏡后端的可見光CCD鏡頭指示像點坐標，對成像區域實現像素級的長距離精確指示，有效滿足了光陰極對成像信號區域的高精度截取要求[21］，如圖4（b）。

4 掠入射X射線成像技術應用效果

基于掠入射X射線成像關鍵技術和多層膜光學器件的研究，研制了多類相關的精密X射線時空和能譜診斷裝備，為國內相關ICF研究機構的多類重要物理實驗提供了關鍵的光學系統支撐。以下簡要介紹近五年來多通道KB系統的應用效果，并重點介紹基于多層膜分光器件的X射線多能譜成像診斷系統及其在我國激光裝置的應用。

4.1 多通道高分辨KB系統

以多通道、高分辨和高效率的診斷要求為牽引，在國內多個ICF研究機構的支持下發展了多類與實驗需求適應、與裝置條件耦合的多通道KB系統，取得廣泛的應用。典型應用包括：（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，配合分幅相機，以3～5μm的空間分辨在十六個瞬態時刻實現了對熱斑二維空間演化的細致獲取，在國際上率先實現了多達十六通道的高分辨KB系統的高質量診斷應用，較國外現有裝備在技術成熟度和實際應用效果上均具有顯著優勢[15］；（2）針對雙錐對撞點火（Double Cone Ignition，DCI）小尺寸、弱信號芯部等離子體的測量需求，研制了十六通道高分辨雙色KB系統，既實現了空間分辨優于5μm和十六個瞬態時刻診斷，又同步獲得了高低兩個能帶的等離子體能譜信息，大大豐富了診斷數據的內涵[16］；（3）針對中物院上海激光等離子體研究所芯部熱斑測量的診斷需求，研制了八通道掠入射KB系統，成功觀測了直接驅動錐殼靶的內爆壓縮和熱斑形成過程[22］。

4.2 X射線多能譜成像診斷系統

基于上述工作，圍繞多類涉及時間、空間和能譜測量的診斷新需求，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，成功獲得應用和推廣，為物理實驗研究提供了高質量的實驗信息。成像通道數多達十六個、在400μm視場內空間分辨達到3～5μm，診斷能點數最多達到4個，各項性能指標顯著優于國外同類技術水平，并實現了更好的應用效果。典型應用包括：

（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）及相關領域，X光閃光照相對細致研究等離子體狀態，獲得密度、面密度分布信息及其隨時間演化行為有至關重要的作用。本所與中物院激光聚變研究中心聯合攻關，瞄準高能量密度物理研究對高分辨X光背光成像的需求，研制了高通量多層膜KB顯微鏡，其光學結構如圖5所示。

為實現物鏡薄膜對背光源譜線響應的最大化，將基于布拉格衍射原理的Co/C多層膜作為反射薄膜，通過調整材料的厚度比，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60%的反射效率，并通過工藝優化和X射線衍射儀測試證實，實現了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，實現了X光多層膜器件的高質量制備。

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

（2）四色八通道多能譜診斷系統[17］

基于ICF靶內爆過程的自發光流線測量需求，針對現有X射線多能道成像診斷技術存在的信噪比差、空間分辨低的難題，為實現幾千電子伏弱信號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計了四色八通道的多層膜掠入射X射線聚焦系統，其光學結構如圖7所示。內爆自發光經過四色單能聚焦后，在像面成兩排獨立像。一排和條紋相機配合，在四個不同的診斷能點（2.6 keV，3.1 keV，3.7 keV，4.3 keV）測量自發光流線；另一排和成像板配合，在四個能點下的時間積分圖像。其中TRM1和TRM2為全反射鏡，用于調控兩排圖像的空間位置，M1～M4為多層膜布拉格鏡，分別針對四個能點設計，多層膜能譜響應曲線如圖8所示。

該系統成功應用于神光Ⅱ裝置的內爆熱芯和神光Ⅲ原型裝置臨界密度面附近輪廓的多能道成像診斷，實現了對弱信號、小尺度等離子體空間、時間和能譜特性的同步有效測量，測量結果如圖9所示，為內爆靶設計和數值模擬程序校驗提供了重要依據。

（3）自發光和背光同步X射線診斷系統[21］

不同類型的成像、分光或記錄設備相配合可以獲得不同維度的內爆等離子信息，而常規的診斷手段只能在背光或自發光中選擇一種類型的診斷方式。為了綜合獲取內爆流體動力學過程或燃料的熱力學狀態信息，需要使用不同的診斷系統，要么沿不同觀測軸進行同時測量，要么沿同一觀測軸進行多發次測量，此時驅動不對稱性、隨機觸發晃動誤差和不同發次間的隨機差異將導致實驗數據的置信度降低[23］。為解決這一問題，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、可實現能譜選擇的多層膜分光和可時間分辨的高速相機有效耦合，同步獲取靶丸自發光和背光信號的診斷新方法[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現低能和高能X射線選擇，有效實現對自發光和背光信號的能譜區分，最后通過像面的條紋相機記錄，實現時間分辨掃描成像，自發光和背光同步成像診斷的能譜響應曲線如圖11所示。

該方法同時具備與KB系統相同的空間分辨能力，圖12為實驗室內利用銅靶X射線管得到的系統離線標定結果，在整個有效視場內均能夠清晰地分辨網格線條，按照光強最大至最小值變化的“10%～90%”分辨率評價標準，系統在中心視場的分辨率達到3μm，±100μm視場分辨率優于5μm，與仿真模擬結果相符。

該方法能夠實現背光、自發光兩類不同的診斷數據在同一發次、同一視角的同步測量及對比分析，增加了診斷數據的獲取維度，有效避免不同診斷系統或發次的測量數據的隨機差異，提高了實驗數據的置信度。系統在神光Ⅲ原型裝置同時測量了內爆靶丸的自發光和背光流線，成像結果及分析如圖13。自發光和背光通道的信號干擾均得到良好的抑制，可以根據背光流線提取靶丸的外邊界輪廓并計算內爆速度，根據自發光流線評估熱點溫度演變等信息。

5 結論和展望

經過國內相關研究單位近二十年的技術攻關，國內等離子體診斷用精密X射線成像光學研究取得了長足的進步和發展。在國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研究長期缺乏高分辨X射線時空診斷技術的難題，實現了對國外同類型技術的超越，有力推動了多通道高分辨KB系統在我國ICF實驗診斷的廣泛應用。在此基礎上，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構，建立了復合能點、高效率、高分辨的X射線診斷新技術，有效解決了傳統能譜相關的X射線診斷技術存在的集光效率低、空間分辨率差等制約性問題；突破了高效率多層膜制備和多能道精密耦合等技術難題，針對多個不同類型物理實驗的需求，研制了多套新型的X射線多能譜成像診斷系統，有效實現了小尺度和弱信號等離子體的高效率測量，大大提升了弱源強等離子體的時空譜診斷能力。

相比現階段分解實驗，靶丸在點火規模實驗條件下處于更高的能量和密度狀態，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題，光學系統需要具備更高的空間分辨。同時，為了穿透更高密度的靶丸物質，診斷能區將轉向幾千電子伏甚至更高的硬X射線能段。未來幾年，將進一步圍繞更高空間分辨和更高效率的診斷需求，重點基于研究平臺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優勢，以及硬X射線非周期超薄多層膜制備的工作積累，自主開展非球面構型的新型硬X射線掠入射成像系統的共性關鍵技術研究，最終實現優于3μm的空間分辨率和10-6sr的收集效率。在具體的光學方案設計上，圍繞具體的空間、時間和能譜綜合測量需求，進一步發展更高分辨、更多通道和更多能道的復雜構型多層膜掠入射X射線成像技術，為相關ICF研究機構重要診斷實驗的開展提供更有力的光學系統支撐。