ICF用Kirkpatrick-Baez型显微镜光学设计

　　Kirkpatrick-Baez型显微镜(简称KB型显微镜)是惯性约束聚变(ICF)研究的重要诊断设备。在美国NOVA,OMEGA和 NIF装置上,用KB型显微镜对内爆靶丸压缩区成像,获得了驱动源的对称性、均匀性以及等离子体流体力学不稳定性等许多重要的物理信息[1-3]。目前, 我国神光系列ICF装置上内爆实验的主要诊断设备是X射线针孔相机,其能点、空间分辨率、集光效率等主要性能指标都低于X射线KB型显微镜[4]。因此, 研制配套的KB型显微镜对我国ICF的精密化发展具有重要意义。KB型显微镜采用一前一后两个正交凹球面镜(或柱面镜)的光学结构,通过子午和弧矢方向的 像散补偿实现X射线的掠入射反射式成像。传统的KB型显微镜光学设计方法是校正轴上点的球差,然后通过消像散确定系统结构[5],这种方法可以有效地校正 中心视场的像差。但KB光学结构具有非轴对称性,因此存在离轴像差,当离轴像差与球差具有相同量级时,仅校正轴上点的球差无法保证系统在整个视场内的最佳 性能。本文的方法以整个视场内的垂轴像差校正代替轴上点的球差校正,从而可以对任意点的分辨率做出预测,在保证最小的集光立体角许可值基础上进行像差校 正,使光学系统设计能够直接反映ICF的实际诊断要求。

   1　像散校正

　　KB型显微镜采用两个正交的球面镜(或柱面镜)结构,根据掠入射全反射原理实现X射线的2维聚焦成像,其结构和基本光路如图1所示。

　　在掠入射情况下,细光束的光轴与镜面上入射点的法线不重合,经光学系统反射后不再是同心光束,在子午和弧矢方向分别聚焦,其关系满足杨氏公式[6]

式中:t和t′分别为子午面内的物距和像距;s和s′分别为弧矢面内的物距和像距;i和i′分别为入射角和出射角;n和n′分别为物方折射率和像方 折射率;R为球面镜曲率半径。对于单个球面反射镜,i=π/2-θ,i′=-i,n′=-n,其中θ为掠入射角。因此,由式(1)可以得到单个反射镜的子 午焦距ft和弧矢焦距fs

子午和弧矢焦距之比为sin2θ,在较小掠入射角情况下,单个球面镜存在严重的像散。如果将两个球面镜正交放置,子午方向和弧矢方向的聚焦将会得到相互补偿。根据近轴成像的高斯公式,两个正交球面镜在子午面内的成像关系满足

式中:d为反射镜的半口径;下标1代表第1个球面镜,下标2代表第2个球面镜。同理,可以得到弧矢面内的成像关系

令t′2=s′2,计算得到掠入射角θ1和θ2,此时系统的子午像面与弧矢像面重合,系统像散得到校正,两条焦线的交点形成了2维像。θ1和θ2是KB型显微镜的关键参数,与系统的集光立体角和光学表面薄膜设计都有密切关系。