基于超环面晶体的X射线成像诊断

　  在激光惯性约束聚变（ＩＣＦ））研究中，聚变等离子体的电子、离子温度及数密度都必须足够高，要求电子温度大于１０８　Ｋ，电子数密度达到１０２４　ｃｍ－３量级，另外还必须将高温等离子体维持相对足够长的时间，以便充分地发生聚变反应，放出足够多的能量，使聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在这个过程中损失的能量。因此在该过程中，等离子体温度、数密度及不稳定性诊断就极其重要，而Ｘ射线光谱与中子是聚变过程中仅有的可供观测的特征信号。超环面晶体成像能够获得爆聚靶发射的Ｘ射线２维空间分辨信息，既可用于Ｘ射线能谱诊断，又可显示聚变等离子体的形状和分布情况［１－３］。依据Ｘ射线光谱展宽、谱线相对强度比可以得到等离子体电子数密度、温度方面数据，而对等离子体不稳定性进行研究能够得到等离子体约束时间的信息［４－６］；另外，曲面晶体相对于其它成像器件（如波带片、Ｗｏｌｔｅｒ镜等）具有更大的孔径角及立体收集角，能够获取更多的光辐射量［７－９］。因此，超环面弯曲晶体成像技术在惯性约束聚变与磁约束聚变研究中起着非常重要的作用。本文采用云母超环面晶体作为成像器件，其弧矢及子午平面的曲率半径分别为Ｒｓ＝２９０ｍｍ，Ｒｍ＝１９０ｍｍ。利用铬（Ｃｒ）的Ｋα射线作为Ｘ射线源，成像检测器选用磷屏成像板，在中国工程物理研究院激光聚变研究中心进行了Ｘ射线超环面晶体成像实验，根据实验结果进行计算得到谱仪的成像空间分辨力约为１００μｍ。

    １　超环面晶体成像原理

    １．１　球面系统成像光路结构

　  超环面晶体成像结构与球面晶体成像比较类似［１０－１１］，这里利用球面晶体成像对照分析超环面晶体成像原理。球面晶体成像光路如图１所示，采用传统的约翰逊几何结构，晶体的衍射面是曲率半径为Ｒ的球面，弯曲晶体表面与半径为Ｒ／的罗兰圆相切，Ｘ射线源位于罗兰圆上，辐射的Ｘ射线被弯曲晶体衍射后在罗兰圆外的检测器上聚焦成像。图１中ｐ为光源到晶体的距离，ｑ为晶体到检测器的距离，Ｆｍ及Ｆｓ分别为Ｘ射线点源在弧矢及子午平面的聚焦点。只有满足布拉格条件的Ｘ射线才能够由晶体衍射后辐射至检测器，而其它的Ｘ射线背景干扰都会被消除。

　  晶体布拉格衍射条件为

式中：λ为光源辐射的Ｘ射线波长；ｄ为晶面间距；ｍ为衍射阶次；θ为布拉格衍射角，即Ｘ射线与晶体反射面之间的夹角。

　  由于该晶体成像光路的设计利用了球面镜聚焦与晶体布拉格衍射原理，因此也必须同时满足二者适用的条件。球面镜聚焦要求光源到晶体的距离与晶体到检测器的距离需要满足