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超环面晶体：让X射线衍射聚焦成像诊断不再“散光”

2023.11.01

　　X射线晶体衍射诊断技术

　　大型激光装置诊断领域中，基于晶体衍射元件的 X 射线晶体衍射诊断技术是一种重要的方法和技术手段。在惯性约束聚变（inertial confinement fusion, ICF）实验研究中需要对等离子体X射线实现单色聚焦成像诊断，由于部分晶体具有内部原子周期性规则排列特性、以及晶格间距与X射线波长数量级相近的特性，采用晶体作为衍射聚焦元件应用于X射线光谱及成像诊断谱仪，可以有效获得等离子体X射线的相关物理信息，因此晶体衍射诊断谱仪是ICF光谱诊断仪器中重要的组成部分。

　　在X射线晶体衍射诊断技术中，X射线衍射晶体的衍射方式与晶体晶格常数的选择，主要取决于射线通量需求与能量诊断范围。与其他诊断方式相比，晶体衍射诊断技术具有结构简单、操作方便的优势。在大型激光装置等离子体X射线诊断中，Bragg型X射线晶体衍射聚焦诊断系统一直得到较为广泛的应用，如采用X射线衍射晶体耦合条纹相机可以获取靶丸聚爆过程的时间和空间演化过程，为辐射驱动与靶丸的最佳耦合设计提供实验依据。

　　基于特殊面型晶体元件的衍射聚焦结构设计一直是X射线晶体衍射诊断技术的关键研究方向。对各类X射线诊断系统而言，同时具备无像差空间分布-强聚焦谱线分布诊断能力的新面型结构晶体元件的使用，将极大增强X射线晶体衍射诊断系统的诊断潜力。

　　基于超环面晶体的X射线-衍射聚焦成像技术

　　近日，重庆邮电大学、重庆大学及中国工程物理研究院激光聚变研究中心联合课题组设计制备了一种超环面面型的X射线衍射聚焦成像诊断系统，克服了子午/弧矢面具有散焦不重合像差、衍射聚焦Bragg角须接近90°等问题。利用特征峰能量为4.75 keV的Ti靶激光装置、完成了X射线背光成像实验研究，其中超环面α-quartz晶体的子午面和弧矢面半径分别为295.6 mm、268.5 mm，实际成像空间分辨率为10 μm，所完成实验诊断结果表明超环面结构X射线衍射聚焦诊断系统具有无子午/弧矢面像差、强聚焦、高空间分辨率的特点。

　　相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第6期的文章。

　　Miao Li, Tong Yao, Zuhua Yang, et al. Designing a toroidal crystal for monochromatic X-ray imaging of a laser-produced He-like plasma [J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(6): 06000e37

　　该超环面X射线晶体衍射聚焦成像系统光路如图1所示，包括前端准直器、超环面X射线衍射晶体以及成像探测器。其中，针对Ti靶4.75 keV的Kα射线进行衍射聚焦成像，采用多层近似动力学衍射方程对X射线超环面衍射聚焦过程及成像系统关键参数进行了设计计算。采用α-quartz晶体设计制备超环面衍射聚焦元件，衍射布拉格角为72.3°，晶体子午面半径为295.6 mm，弧矢面半径为268.5 mm，成像物距为281.6 mm，成像目标为100 μm×100 μm(间隔为50 μm)阵列栅格，成像面到晶体中心距离为850 mm，放大比5倍。设计仿真超环面晶体衍射效率曲线、衍射聚焦图像及系统诊断获得栅格图像如图2所示。

　　图1 超环面X射线衍射聚焦成像系统光路图及超环面晶体X射线动力学衍射效率分布

　　图2 超环面X射线衍射聚焦成像仿真结果(a)及实验诊断获取栅格图像(b)及分辨率分析(c)

　　传统晶体衍射聚焦背光成像的罗兰圆直径与球面面型的弯曲半径相等，罗兰圆上点源的X射线经晶体衍射后仍在罗兰圆上一点聚焦，罗兰圆所在平面即为子午面。然而，在垂直于罗兰圆平面的弧矢面上，球面弯晶对X射线的作用可看作为一个凹面镜，可将X射线聚焦在该平面另一焦点处。由于子午面和弧矢面上的成像焦点不在同一位置，传统成像结果存在较大的像差。为了尽可能地减小成像像差，晶体衍射的Bragg角须接近90°，这限制了X射线晶体衍射聚焦诊断系统的能量选择范围。为了解决传统背光成像系统中的不足，本文在衍射聚焦晶体面型设计及制备过程中通过使弧矢面及子午面曲率保持固定比值，且该比值只与布拉格角有关，设计了子午面和弧矢面上具有不同曲率半径的超环面晶体衍射聚焦结构，使得弧矢面及子午面的射线在同一焦点聚焦，且具有固定并相同的成像放大倍数。如图3所示。