专利名称:一种在小尺寸背光下工作的四通道kb显微成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种ICF等离子体诊断用四通道X射线显微成像系统，尤其是涉及一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统。
背景技术：
X射线背光成像是进行高能量密度物理(HEDP)和惯性约束聚变(ICF)研究的重要诊断手段。四通道KB显微成像系统是在惯性约束聚变(ICF)研究中进行时间分幅高温高密度等离子体诊断的关键设备，已经在美国OMEGA上得到广泛应用。四通道KB显微成像系统与分幅相机配合，可以通过对四幅图像在不同时刻依次响应的方式实现时间分辨，展现了等离子体在二维空间方向上的瞬时状态。现有四通道KB系统的物镜结构如图I所示，四块反射镜在子午和弧矢方向上两两平行相对，并按照前后顺序依次排列，空间位置关系由物镜中心处的高精度支撑方芯保证。支撑方芯的四个侧棱留有倒角，是X射线成像通道。四通道KB系统在子午方向上的光学结构如图2所示。其中，s为四通道KB系统对样品靶中心位置成像所要求的背光源半尺寸st为背光源到样品靶的距离；Φ为样品靶直径；Θ为·KB反射镜工作掠入射角d为KB反射镜镜长；h为子午方向上像点的距离。上述各结构参数之间存在如式(I)所示的关系，弧矢方向上的结构参数关系与式(I)相同。但由于两组KB反射镜按照前后顺序依次排列，因此子午和弧矢方向上的结构参数在具体数值上有轻微差异。可以看出，为了保证待成像物点被完全照亮，现有四通道KB系统需要的背光源尺寸S存在如式(2)所示的关系。
s = 2 · st · tan Θ (I)
S ^ 2 · st · tan θ +Φ ⑵
根据ICF物理实验要求，背光源到样品靶的距离st受到一定的限制。目前常用四通道KB系统的工作掠入射角可达2° ,由式⑵可知在祀丸尺寸Φ = 300 μ m和st = IOmm时需要约Imm的背光X射线尺寸。国外强激光装置通过多路激光驱动背光靶的方式来获得毫米量级的背光X射线尺寸，但是我国现有强激光装置仅有I路激光作为背光X射线的驱动源，该路激光采用点聚焦模式获得的背光X射线尺寸仅约400 μ m，但单位面积上的X射线强度较高；采用阵列模式虽然背光X射线尺寸提高到毫米量级，但是相应的单位面积上的背光X射线强度明显降低，因此无法满足时间分辨ICF物理实验对背光X射线通量的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种调装难度小、应用范围广的在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现
一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，该系统包括在子午方向上依次排列的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)和在弧矢方向上依次排列的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)；[0009]物点发出的X射线经过子午方向上的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)分别反射后形成两个通道的一维成像，随后两个通道的一维成像再经过弧矢方向上的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)分别反射后形成四个通道的两维成像。
在子午方向上依次排列的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)的工作反射面处于同一平面内，以避免阻挡X射线的通过。
在弧矢方向上依次排列的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)的工作反射面处于同
一平面内。
子午方向上的第二块KB物镜(即物镜B)和弧矢方向上的第一块KB物镜(即物镜C)正交接触放置，二者的距离固定(为二者各自的半镜长之和)。
子午方向上的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)与物点的距离不同，物点设在物镜A的一侧，子午方向上的两块KB物镜具有不同的曲率半径，以分别满足KB系统的成像公 式。
弧矢方向上的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)与物点的距离不同，物点设在物镜C的一侧，弧矢方向上的两块KB物镜具有不同的曲率半径，以分别满足KB系统的成像公式。
子午方向上的第一块KB物镜(即物镜A)的曲率半径与弧矢方向上的第一块KB物镜(即物镜C)的曲率半径相同；子午方向上的第二块KB物镜(即物镜B)的曲率半径与弧矢方向上的第二块KB物镜(即物镜D)的曲率半径相同。
所述的四个通道的两维成像由四个KB像点组成，所述的四个KB像点成像于分幅相机接收面上。
调整子午方向或弧矢方向上两块KB物镜之间的距离来调节四个KB像点之间的间隔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
I、传统的四通道KB系统的四块物镜在子午和弧矢方向上两两一组相对排列，物点与相对排列的两块KB物镜之间夹角较大，因此需要毫米量级的背光X射线尺寸，这在我国现有强激光装置上很难实现，并且单位面积上的背光X射线强度也无法保证某些高光通量ICF物理实验的进行。本发明提出了一种新型的四通道KB显微成像系统结构，采用三四百微米的背光X射线尺寸即可实现对四个通道的全部照明，显著降低了四通道KB系统对背光X射线尺寸的要求，相应的提高了单位面积上的背光X射线强度，拓展了四通道KB系统在ICF物理实验中的应用范围，适合在我国目前强激光装置上使用。
2、传统的四通道KB系统的四块物镜在子午和弧矢方向上两两一组相对排列，四块KB物镜在空间上紧密排列，装调难度大。而本发明提出的四通道KB系统的四块KB物镜采用依次排列的方式，在空间上没有相互干扰，也就降低了装调难度。
图I为现有的四通道KB显微成像系统示意图；
图2为现有的四通道KB显微成像系统的光路结构图；
图3为本发明的系统的光路结构图；
图4为本发明的系统在子午(弧矢)方向上的侧视图；[0025]图5为用光学设计软件ZEMAX得到的实施例I中四个像点在分幅相机接收面的空间排布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例I
一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，如图3所示，包括子午方向上两块依次排列的KB物镜(即物镜A与物镜B)和弧矢方向上两块依次排列的KB物镜(即物镜C与物镜D)。物点发出的X射线经过子午方向上的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)分别反射后形成两个通道的一维成像，随后这两个通道的一维成像再经过弧矢方向上的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)反射后在分幅相机接收面形成四个通道的两维成像。具体的成像关系如下物镜A和物镜C参与形成像I ;物镜A和物镜D参与形成像4 ;物镜B和物镜C参与形成像2 ;物镜B和物镜D参与形成像3。
图3在子午方向上的投影如图4所示。物镜A与物镜B的工作反射面处于同一平面P内，以避免阻挡X射线的通过。其在分幅相机接收面上的像点的间隔h可以通过调整子午方向上物镜A与物镜B之间的距离Tl或弧矢方向上的物镜C与物镜D之间的距离T2来实现。为降低本发明的KB物镜装配难度，子午方向上的物镜B和弧矢方向的物镜C正交接触放置，二者的距离固定(即T = d)。子午方向上的两块KB物镜(即物镜A与物镜B)与物点的距离Ul和u2不同，因此两块物镜具有不同的曲率半径Rl和R2，以分别满足KB系统的成像公式。弧矢方向上的两块KB物镜(即物镜C与物镜D)与物点的距离u3和u4不同，因此两块物镜具有不同的曲率半径R3和R4，以分别满足KB系统的成像公式。为降低KB物镜加工成本，弧矢方向上的物镜C的曲率半径R3和子午方向上的物镜A的曲率半径Rl相同，即R3 = Rl ;子午方向上的物镜B的曲率半径R2与弧矢方向上的物镜D的曲率半径R4相同，即R4 = R2。
由图4可以得到本发明的四通道KB系统所需要的背光X射线尺寸S如式(3)和
(4)所示。本发明的四通道KB系统所需要的背光X射线尺寸仅约350 μ m。
S ^ st · tan β + Φ (3)
β = θ θ 2 = T1 · θ Jax1 (4)
首先确定子午方向上两块KB物镜即物镜A与物镜B的初始时结构参数。首先基于ICF物理实验对空间分辨率的要求，基于物镜A的成像公式(5)确定其初始结构参数如表I中序号I所示。四块KB物镜镜长d均为10mm。物镜A与物镜B的间隔T1 = 20mm,并且两者的工作反射面处于同一平面P内，此时物镜A的掠入射角Θ i和物镜B的掠入射角Θ 2存在如式⑷所示的关系，基于物镜B的成像公式(6)和式(4)将其初始结构参数完全确定，如表I中序号2所不。
_4] ^ + ^ =-V1 = M1-U1 (5)
^~ ^^=υ^Υ2=ΥΓ Λ6)
其次确定弧矢方向上物镜C与物镜D的初始结构参数。结合物镜C的成像公式(7)确定物镜C的初始结构参数如表I中序号3所示。
权利要求
1.一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，该系统包括在子午方向上依次排列的两块KB物镜和在弧矢方向上依次排列的两块KB物镜； 物点发出的X射线经过子午方向上的两块KB物镜分别反射后形成两个通道的一维成像，随后两个通道的一维成像再经过弧矢方向上的两块KB物镜分别反射后形成四个通道的两维成像。
2.根据权利要求
I所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，在子午方向上依次排列的两块KB物镜的工作反射面处于同一平面内。
3.根据权利要求
I所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，在弧矢方向上依次排列的两块KB物镜的工作反射面处于同一平面内。
4.根据权利要求
I所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，子午方向上的第二块KB物镜和弧矢方向上的第一块KB物镜正交接触放置。
5.根据权利要求
I所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，子午方向上的两块KB物镜与物点的距离不同，子午方向上的两块KB物镜具有不同的曲率半径。
6.根据权利要求
I所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，弧矢方向上的两块KB物镜与物点的距离不同，弧矢方向上的两块KB物镜具有不同的曲率半径。
7.根据权利要求
I所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，子午方向上的第一块KB物镜的曲率半径与弧矢方向上的第一块KB物镜的曲率半径相同；子午方向上的第二块KB物镜的曲率半径与弧矢方向上的第二块KB物镜的曲率半径相同。
8.根据权利要求
I所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，所述的四个通道的两维成像由四个KB像点组成，所述的四个KB像点成像于分幅相机接收面上。
9.根据权利要求
8所述的一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，其特征在于，调整子午方向或弧矢方向上两块KB物镜之间的距离来调节四个KB像点之间的间隔。
专利摘要
本发明涉及一种在小尺寸背光下工作的四通道KB显微成像系统，该系统包括在子午方向上依次排列的两块KB物镜和在弧矢方向上依次排列的两块KB物镜；物点发出的X射线经过子午方向上的两块KB物镜分别反射后形成两个通道的一维成像，随后两个通道的一维成像再经过弧矢方向上的两块KB物镜分别反射后形成四个通道的两维成像。与现有技术相比，本发明提出的四通道KB系统的四块KB物镜采用依次排列的方式，在空间上没有相互干扰，也就降低了装调难度，显著降低了四通道KB系统对背光X射线尺寸的要求，相应的提高了单位面积上的背光X射线强度，拓展了四通道KB系统在ICF物理实验中的应用范围，适合在我国目前强激光装置上使用。
文档编号G21K7/00GKCN102903413SQ201210424894
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月30日
发明者伊圣振, 穆宝忠, 王占山, 章逸舟, 王新 申请人:同济大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan