Wolter-I型X射线天文望远镜的光学设计

针对国内硬X射线天文观测的需求,研究了1~30 keV能段圆锥嵌套Wolter-I型X射线天文望远镜的光学设计,推导了嵌套层之间的结构递推关系,给出了合理的望远镜初始结构。在最内层和最外层之间,设计了6组W/B4C宽带非周期多层膜,模拟得到系统的有效集光面积和分辨力。理论有效集光面积达到127 cm2(在2 keV处)和71 cm2(在30 keV处),系统角分辨力约10″。系统实际成像质量还受到公差的影响,引起像质下降的公差主要有辐条位置公差、镜面位置公差和镜面面形公差。目前演示实验方便改善的公差是辐条位置公差,给出了此公差的计算方法并对系统进行光线追迹,得到了成像点列图和分辨力改变情况。辐条位置公差从±15 μm缩小到±3 μm后,系统分辨力由1′提高到13″。     

平行式Schmidt型龙虾眼X射线光学系统研究

龙虾眼X射线系统是实现大视场X射线成像的有效手段。现研制了由多组平行玻璃平板构成的Schmidt型X射线龙虾眼光学系统,开展了X射线聚焦和成像的演示实验。基于掠入射反射理论,以210μm厚的超光滑平板玻璃作为光学元件,通过堆叠的方式制作了放大倍数为1的演示系统。用8keV的X射线光源对系统进行了聚焦和实验,直径280μm的光源聚焦半高宽约为320μm,与理论模拟结果基本一致。利用X射线背光照明,得到2mm×2mm大小图样的成像。实验结果表明,该龙虾眼光学系统可以在几毫米视场下达到百微米分辨。     

一种新型曲面晶体成像系统的研制

为了对诊断目标进行瞬态辐射成像,提出了研制X射线聚焦成像系统,主要器件为一各向同性的X射线点光源及超环面弯曲晶体成像器.X射线照射至被成像物体后再投射到超环面晶体,经该凹面晶体聚焦后在X射线探测器表面成像.讨论了超环面晶体在布拉格几何结构中的聚焦成像特性,提出利用X射线源进行二维优化成像的适用条件.利用模拟软件对网格物体进行仿真成像,研究像距及光源尺寸对成像空间分辨力的影响,并据此确定了实验参量.设计的超环面弯晶采用云母材料,子午面曲率半径为290 mm,弧矢面曲率半径为190 mm.利用该系统进行了X射线背光成像实验,实验结果表明:系统的成像空间分辨力最高可达到34μm,能够满足聚爆辐射成像的要求;在光源尺寸较大时像距变化对成像效果有明显影响.     

无损检测中X射线实时成像系统的研究

X射线胶片照相法以其直观、可靠、灵敏度和分辨力高等优点在现代工业产品检测中占有重要的位置。但是这种方法存在拍片工序多、运行成本高、结果不易保存、评片结果易受人为因素的影响等缺点。随着图象增强器的出现和计算机技术的发展,X射线实时成像系统越来越广泛应用于X射线探伤领域,并在军工、石油、化工、耐火材料、钢管、锅炉、汽车、压力容器、航空、航天等行业得到推广应用。     

基于单次全反射椭球单玻璃管X射线聚焦镜表征光源参数

为了正确表征X射线光源参数,本文利用单次全反射椭球单玻璃管X射线聚焦镜,设计了一种测量X射线光源焦斑尺寸和焦深的方法。该方法利用椭球单玻璃管X射线聚焦镜具有单次全反射成像能力的特点,对多个已知焦斑尺寸的多毛细管X光透镜模拟光源的焦斑成像尺寸和椭球聚焦镜的面形误差进行表征,从而确定光源焦斑尺寸和经过椭球聚焦镜后的焦斑成像尺寸以及椭球聚焦镜的面型误差之间的通用数学关系。然后,通过分析待测光源焦斑经过椭球聚焦镜所成像的尺寸来得到被测量光源的焦斑尺寸。利用该法也同样可以得到光源焦深的大小。为了验证设计方法的可行性,测量了实验室微焦斑X射线光源的焦斑和焦深参数。测试显示:对于焦斑直径约为50μm、焦深约为20mm的光源,文中方法得到的算术平均值标准偏差分别为1.5μm和0.7mm。结果表明:本文设计的光源参数表征方法可以实现对微焦斑源焦斑尺寸和焦深的同时测量,在X射线源的研制和应用领域具有潜在应用。     

惯性约束聚变靶丸高精度X射线数字成像

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测,开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先,分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围,根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点,确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后,分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素,确定了低几何放大成像,低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案,该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差,解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后,对系统的性能进行了分析测试,实验结果表明,系统成像衬度良好,成像效率较高,分辨率优于0.5μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9μm(k=2),满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。     

掠出射微区X射线荧光分析系统的建立及其在薄膜分析中的应用

介绍了一种综合导管X光透镜及全反射X射线荧光分析技术的掠出射微区X射线荧光分析方法,并将其应用北京师范大学低能核物理研究所离子束物理与技术教研室采用MEVVA源离子束和薄膜沉积技术制备的纳米金属单层纳米薄膜及纳米多层膜的分析。实验中所用X光透镜的焦斑大小为41.7μm。通过对薄膜样品的掠出射角度扫描分析,可得到薄膜特征X射线的掠出射角分布曲线,通过将实验曲线与理论模拟曲线进行拟合,可得到薄膜样品在微小区域的厚度及密度。结果表明,相比于通过薄膜沉积过程中的离子电量估计的薄膜厚度值,该方法测出的薄膜厚度更接近于薄膜的实际厚度。同时结果表明,使用MEVVA离子束薄膜沉积技术所镀薄膜的密度均小于体材料样品的密度值,且薄膜厚度的增加,薄膜密度逐渐增大并接近于体材料的密度值。另外,通过对薄膜样品表面进行二维扫描分析,实验中,扫描步长为50μm,扫描区域为500μm*500μm,可分析薄膜表面微小区域的均匀性。     

大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作

利用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为1 mm × 1 mm,周期为300 nm,金吸收体厚度为1 μm的用于X射线显微成像技术的透射光栅。首先利用电子束光刻和微电镀技术在Si3N4薄膜上制作周期为300 nm,厚度为250 nm的高线密度光栅掩模。然后利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1 μm,占空比接近1：1,高宽比为7的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点     

非共轴掠入射X射线显微镜参数的误差分析

设计了一套由4个反射镜组成的非共轴掠入射X射线显微镜,分析了该系统的像差和成像质量。为了研制出高质量的设备,需要制定合理的加工和装配公差。研究了由于元件和结构参数(反射镜的半径,物距,掠入射角等)的误差而引起的高斯参数和像差的变化。首次用点列图和调制传递函数来定量评价图像质量降低的程度,并在此基础上制定了合理的加工和装配公差。在这些公差的约束下,研制成一套非共轴掠入射X射线显微镜,在激光引爆的惯性约束聚变的诊断实验中,用该系统获得了高质量的图像。     

X射线单色成像用透射式对数螺线晶体分析器

利用对数螺线晶体在大视场范围内的保角特性,研究了一种用于等离子体X射线单色成像的透射式对数螺线晶体分析器。与反射式弯晶成像谱仪相比,该分析器具有单能成像视场更大,实现相同放大倍数时的空间排布简单等优点。根据晶体衍射成像原理及对数螺线晶体的表面方程,分析了透射式对数螺线晶体分析器的成像原理以及成像性能,包括子午、弧矢放大倍数以及视场大小等。以铜靶X射线源为背光源,用研制石英晶体透射对数螺线分析器对网丝直径为100μm的金属网格进行了单色背光成像实验。实验结果表明,晶体分析器的空间分辨力约为30μm,子午和弧矢方向视场分别达到15.938 7mm和5.900 6mm。     

长春光机所软X射线-极紫外波段光学研究

综述了我所软X射线-极紫外波段关键技术的研究进展。描述了软X射线-极紫外波段光源技术,研制了工作波段为6~22 nm的微流靶激光等离子体光源;介绍了光子计数成像探测器技术,研制出了有效直径为25 mm,等效像元分辨率为0.3 mm的极紫外波段探测器;开展了超光滑表面加工、检测技术的研究,研制了超光滑表面抛光机,加工出高面形精度的超光滑表面,面形精度为6 nm(RMS值),表面粗糙度达0.6 nm(RMS值);进行了软X射线-极紫外波段多层膜技术的研究,研制出13 nm处反射率为60%的多层膜反射镜,150 mm口径反射镜的反射率均匀性优于±2.5%;最后,讨论了软X射线-极紫外波段测量技术研究,研制出该波段反射率计,其测量范围为5~50 nm,光谱分辨率好于0.2 nm,测量重复性好于±1%。在上述关键技术研究基础上,研制出了极紫外波段成像仪和空间极紫外波段太阳望远镜,这些仪器在我国空间科学研究项目中发挥了作用。     

等离子体诊断用成像型软X射线三色谱仪设计

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210eV、680eV和800eV,能谱分辨率E/ΔE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1mm视场内空间分辨率优于10μm。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。     

整体多毛细管X光透镜在扩展X射线吸收精细结构分析技术中的应用

为了将整体多毛细管X光透镜应用到扩展X射线吸收精细结构分析技术中,对整体多毛细管X光透镜的功率密度增益、光斑稳定性、高能滤波性质等进行了系统表征。通过实验可知,利用基于整体多毛细管X光透镜的扩展X射线吸收精细结构分析设备可对样品进行微区分析,其空间分辨为25 μm左右;利用整体多毛细管X光透镜会聚激光等离子体发出的X射线进行超快时间分辨扩展X射线吸收精细结构分析时,透镜的功率密度增益约为3 000。实验结果证明,整体多毛细管X光透镜可以改善扩展X射线吸收精细结构分析设备的性能。     

基于有限元的X射线聚焦望远镜结构分析

针对我国X射线时变与偏振卫星(XTP)项目中高能X射线聚焦望远镜的研制需求,初步设计了嵌套式、类Wolter-I型X射线望远镜并进行了结构优化。基于X射线望远镜的光学设计理论,给出了嵌套式聚焦望远镜的光学结构参数。利用有限元分析软件ABAQUS,建立了嵌套式X射线聚焦望远镜的有限元模型。采用基础激励法模拟了X射线聚焦望远镜模型的随机振动,得到了望远镜结构的应力分布。通过切换层的方式,降低了望远镜结构的应力,达到了多层膜承受应力的要求。该研究为XTP项目中的X射线望远镜载荷设计提供了参考。     

微型X射线数字成像系统研究

X射线数字成像检测与诊断技术是X射线检测的发展趋势,微型X射线数字成像系统采用X射线敏感CCD面阵探测器作为射线探测元件,具有体积小、分辨率高、实时性好的特点。本文研制了基于X射线敏感CCD的微型X射线数字成像系统,介绍了整个系统的组成,阐述了X射线敏感CCD的工作原理,选定了系统采用的X射线敏感CCD,设计了CCD探测器的驱动电路、模数转化电路、数据采集与通讯电路、图像获取及处理软件等。该系统采用USB2.0接口与计算机进行通讯,直接采用USB接口电源供电,无需外部电源,结构简单。分辨率测试表明,该系统的分辨率>10lp/mm。     

靶丸X射线光学厚度的精密检测

为了精密检测靶丸X射线光学厚度均匀性,建立了基于精密轴系和光纤阵列探测的靶丸X射线光学厚度检测装置,开展了光学厚度轮廓仪光路精密调校技术的研究,应用白光共焦光谱技术和光学显微成像技术,解决了气浮转台精密调整、X射线光路对中的难题,实现了对塑料靶丸壳层缺陷、表面质量、壁厚均匀性、壳层材料成分均匀性等多种耦合扰动综合效应的表征。对系统的稳定性进行了测试,实验结果表明,该系统的测量重复性偏差可基本控制在0.01%以内,空间分辨率约为100μm,满足ICF靶物理研究对靶丸X射线光学厚度扰动的高精度检测需求。     

激光等离子体X射线极化光谱研究

为了诊断激光等离子体X射线的极化光谱,研制了一种新型的基于空间分辨的极化谱仪。将平面晶体和球面弯晶色散元件在极化谱仪内正交布置,即在水平通道用PET平面晶体作为色散元件,而在垂直通道用Mica球面弯晶作为色散元件,球面半径为380mm。信号采用成像板进行接收,有效接收面积为30×80mm,从等离子体光源经晶体到成像板的光路约为980mm。物理实验首次在中国工程物理研究院激光聚变研究中心“2×10J激光装置”上进行,成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号。实验结果表明该谱仪具有较高谱分辨率,适合激光等离子体x射线极化光谱的诊断。     

基于CCD和CsI闪烁体的硬X射线成像

根据CCD的工作特点,采用曝光控制和多帧图像叠合技术,研制了基于CCD和CsI闪烁体的硬X射线成像探测器,以提高对硬X射线的探测效率。搭建了实验平台,以微加工技术制作的镍准直器为成像目标进行了实验验证。实验中,利用55Fe放射源对CCD进行直接成像;然后利用241 Am放射源同时对CCD和硬X射线成像探测器分别进行直接成像和间接成像。最后,对图像中出现的拖影、清晰度渐变和区域亮度不同等现象进行分析。分析结果表明:相比CCD本身,这种技术不仅拓展了探测器的可响应能区,而且提高了的量子效率,并且在241 Am放射源照射下,实现了对硬X射线的高分辨成像,其空间分辨优于50μm。该器件可作为位置灵敏探测器应用于未来空间天文观测。     

多层膜Laue透镜对10 keV硬X射线聚焦性能的理论计算

采用NbC/Si材料组合设计多层膜Laue透镜,总膜厚为40μm,利用衍射动力学理论分析多层膜Laue透镜对硬X射线的衍射效率及聚焦分辨率。通过两种方法提高多层膜Laue透镜的分辨率。第一种方式是减小膜层的最外层宽度,该方法要求结构必须是楔型结构,制备极其困难。第二种方法是使用多层膜Laue透镜的高级次,该方法在不增加制备难题的前提下能有效提高分辨率。通过使用多层膜Laue透镜的-3级次,对10keV硬X射线获得了分辨率为6.72nm,衍射效率为49.31%的聚焦光斑。     

聚甲基丙烯酸甲酯材质硬X射线组合Kinoform透镜的制作

为提高硬X射线聚焦元件的聚焦性能,利用LIGA(Lithographie,Galvanoformung,Abformung)技术,制备了深度为60μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质硬X射线组合Kinoform透镜(CKL),并获得了良好的面形。制备的CKL以宽度为几个微米的细窄线条为主要结构,包括曲面和直角面形,线条最窄宽度为2μm。为保证CKL良好的曲面及直角结构,样品制备分为三部分:过渡掩模板的制备,LIGA掩模板的制备,以及最终样品的硬X射线曝光制备。在LIGA掩模板制备过程中,采用制备有纳米柱阵列的硅衬底有效解决了光刻胶脱胶的问题。在最终样品制备过程中,选用分子量较高的PMMA片作衬底,提高了PMMA刚度,有效缓解了细窄线条的倒塌黏连问题,保证了CKL的良好面形。在北京同步辐射光源(BSRF)成像站测试了CKL透镜的性能,结果显示其对于8keV的X射线,聚焦焦斑的半高全宽(FWHM)为440nm。