等离子体诊断用多层膜X射线成像光学研究进展

伊圣振，黄秋实，齐润泽，张 众，王占山

（同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092）

1 引 言

惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）是实现受控热核聚变的一种重要途径，对未来能源、国家安全以及高能量密度物理等基础研究都有重要的科学价值[1-2］。通过高功率脉冲激光束与靶丸的相互作用，将靶丸燃料向心压缩到高温、高密度的极端状态，是实现ICF聚变点火的主要技术手段[3-5］。国内外研究表明，内爆过程中靶丸壳层的不对称性和流体力学不稳定性将会严重影响聚变燃料的空间分布及热力学状态，造成聚变点火的失败[6］。ICF物理主要涉及内爆等离子体的状态及其演化，对其主要辐射产物X射线的空间、时间和能谱特性的诊断是激光ICF物理研究的重要工具。精密X射线诊断结合数值模拟，对深入理解内爆过程的重要物理规律、揭示ICF关键物理问题和推进点火目标的实现具有重要的研究意义。

由于ICF部分关键过程的时空尺度仅在百皮秒及百微米量级，且能谱成分复杂。等离子体X射线信息在时空谱维度的有效获取对综合评估内爆等离子体状态，揭示ICF关键物理问题具有至关重要的意义。具有高分辨、高效率和能谱可控等特性的多层膜掠入射光学器件和系统是开展精密X射线诊断的理想手段[7］，但是相关诊断技术仍存在如下瓶颈问题：（1）系统集成难度大，核心器件基础薄弱。掠入射成像系统的多通道化是多层膜分光器件及记录设备系统构建高分辨时空谱X射线诊断技术的基础。由于多通道掠入射成像要求严格，缺乏精密集成装配技术，多通道掠入射成像系统一直以来都难以高质量应用，同时在配套的核心多层膜器件方面缺乏专门研究，器件制备技术水平严重落后于时空谱综合诊断高反射率、高一致性的性能需求。（2）在线调试技术匮乏，调试精度低。由于X射线波长短，物像关系要求严格，当前X射线诊断系统在线调试普遍采用的单纯可见光定位或瞄准手段精度有限，难以满足成像、分光及记录设备集成的诊断需求，需要发展适应多样化实验需求的高精度在线调试新技术。（3）常规X射线诊断方法的信息获取维度单一。当前常规的高分辨X射线诊断方法（如掠入射成像、条纹相机或分幅相机记录、多层膜或晶体分光）仅能选择空间、时间或能谱中一至两个维度，需要结合多通道掠入射X射线成像、关键器件制备及在线调试等方面的创新，发展多能谱X射线诊断新技术，实现时空谱信息的多维度同步获取。面向我国激光ICF研究开展极端瞬态等离子体状态诊断的迫切需求，同济大学精密光学工程技术研究所在国内相关ICF研究机构的支持下，围绕高性能X射线多层膜光学开展了系统性研究。本文主要介绍了近年来研究所在高性能多层膜掠入射X射线光学方面取得的重要研究进展，并简要分析了未来的工作方向。

2 多通道掠入射X射线成像技术

X射线时空诊断是评估其内爆对称性和流体力学不稳定性等关键因素对点火性能影响的必要手段。空间分辨和集光效率是X射线成像诊断的关键技术指标，高分辨和高效率X射线成像是对小尺寸和弱信号等离子体精密诊断的基础。以Kirkpatrick—Baez（KB）显微镜为代表的掠入射X射线光学系统是开展高分辨X射线成像的关键装备[8］，其空间分辨和集光效率等关键指标均显著优于传统的针孔成像[9-10］。由于成像要求严苛，相关研究基础较为薄弱，基于KB结构的高分辨X射线成像装备一直无法服务我国激光ICF的诊断需求。

2.1 高分辨X射线KB显微成像系统

对掠入射X射线光学系统的模拟和实验研究表明KB结构的空间分辨随着视场偏离而降低，仅能在几百微米视场内达到几微米的空间分辨，与靶丸尺寸相当[11］。针对KB结构这一小视场高分辨的成像特性，提出了模拟球辅助定位的物镜模块化和物像独立指示方案，解决了角秒级掠入射瞄准和在线快速装配等难题[12］。该成果为深入开展工程化KB系统的研制奠定了技术基础。基于上述研究成果研制了多套单通道KB系统，成功应用于小周期瑞利-泰勒（Reyleigh-Taylor，RT）不稳定性、内爆流线及芯部自发射等精密实验，在我国强激光装置中首次开展了优于5 μm高分辨的X射线成像诊断[13］。

2.2 超多通道高分辨KB显微成像系统

超多通道KB系统与分幅相机耦合，能够获得更多时间分幅的图像，显著提升对小尺寸和弱信号等离子体时空演化行为的诊断能力，这也是进一步发展具有能谱测量能力的先进X射线诊断的基础。随着通道数的增多，各通道视场的一致性和像间隔的精密调控问题变得极为复杂。国外在研的各强激光装置八通道和十六通道KB显微镜目前采用的物镜装配手段均未能很好地解决上述问题，难以满足高分辨应用的需求[14］。

针对我国高分辨X射线时空诊断的需求，深入研究多通道物镜结构对掠入射X射线KB成像的影响规律发现，多通道KB系统精密物像关系调控的核心是共视场成像和多像点控制，其与物距、像距、掠入射角、反射镜曲率半径和空间姿态等多个关键参数密切相关。上述因素与非共轴掠入射光路结构等因素叠加，导致集成式多通道KB系统各变量的累积误差难以消除，因此多通道掠入射X射线精密物像关系只能通过误差解耦和再修正的调控手段实现。此外，基于串列式物镜排布的新型多通道KB结构方案被提出，实现了各反射镜子午和弧矢方向成像的分离。以此为基础，发展了“单镜-镜对-物镜”的多通道物像关系实现方法[15］，如图1所示。首先通过光学检测手段完成单镜曲率半径的精确表征，然后采用玻璃锥芯支撑各反射镜对，通过锥芯的加工精度有效定义各反射镜的掠入射夹角和空间姿态，最后通过离线X射线试验实时调整和修正各镜对的物像距误差，在各通道最佳物点位置精确复合的同时，实现了像点排布的准确调控。该方法突破了多通道掠入射X射线精密物像关系调控这一关键性难题，为多通道KB系统的推广应用奠定了技术基础。

2.3 多通道KB系统的高精度在线装调技术

诊断物和成像面的准确指示、长工作距离下严苛成像关系的复现以及激光装置的快速部署是制约多通道KB系统装置应用的关键技术问题。为此，发展了高复位精度的”物-诊断物镜-像”集成指示技术，如图2。该技术首先通过离线X射线调试获取多通道KB系统最佳成像的物方视场以及多像点位置，然后分别采用模拟标靶和十字激光作为物和像的指示机构，即：通过多通道KB物镜前端的百微米直径模拟标靶定位最佳物方视场，解决了KB结构小视场高分辨成像特性引起的物点精确瞄准问题；采用多通道KB物镜后端的十字激光长距离指示多像点的中心位置和空间姿态，以作为分幅相机调整的位置基准，有效实现了多像点与微带空间关系的匹配[16］。在此基础上，通过可重复拆卸的高精度直线导轨将模拟标靶和十字激光共同集成于多通道KB诊断物镜，实现多通道KB精密物像关系的高精度在线复现，确保了安装调试过程的快速性和可靠性。该技术的物点瞄准精度达到了十微米水平，系统的在线安装调试时间大幅缩短到一至两小时，有效保障了多通道高分辨KB系统在精密ICF物理实验中的应用效果。

3 多层膜掠入射X射线成像技术

温度和密度是等离子体状态的两个关键参数，X射线空间、时间和能谱分布的诊断测量是表征等离子体密度和温度状态及其演化行为的重要手段。将时空诊断与能谱测量相结合，发展复合能量响应的X射线多能谱成像技术是获得温度相关的等离子体信息的基础。发展高效、高分辨的X射线多能谱成像技术，在弱源强的激光装置条件以及弱信号等离子体信息的获取上具有显著的技术优势。但是，多能谱X射线诊断对光通量、谱响应和空间分辨等指标的有机耦合具有很高的要求。

3.1 多层膜器件的X射线多能谱调控规律及方法

本所开展了利用多层膜分光器件进行X射线多能谱选择的设计理论研究，建立了融合多层膜、滤片和源强影响的能谱响应模型，深入分析了多层膜薄膜参数与高分辨、高通量的诊断需求之间的联系，掌握了多层膜器件的X射线多能谱响应规律。在此基础上，瞄准弱源强的装置条件，针对针孔阵列配合多层膜镜等方式存在的信噪比差、工作能区低和分辨能力弱等问题，提出了利用球面镜阵列对靶丸进行高集光效率、高分辨的X射线成像，并通过镜面的多层膜结构（窄带或宽带）实现能谱选择和带宽调控的新方法，同时像点排布有序，能够与条纹相机等配合进行动态的时间扫描[17］，如图3所示。该方法较针孔在优于5μm分辨的前提下将集光效率提升一至两个数量级，进而将诊断能区提高至几千电子伏，且响应能点和带宽易于控制，可扩展性好，为在弱源强条件下有效开展空间、时间和能谱同步的X射线诊断奠定了基础。

3.2 球面多层膜镜的精准制备技术

能谱响应特性的评估是对测量结果进行绝对标定，并反推等离子体温度和密度等重要信息的基础[18-19］。尤其对于球面多层膜镜阵列，高反射率和高一致性曲面多层膜器件的制备是拟合多层膜的能谱响应、保证标定数据准确性的前提。X射线多层膜的周期厚度为纳米量级，纳米膜层生长中的界面缺陷和膜厚控制对薄膜性能具有决定性的影响。本所自主研制了用于掠入射X射线元件的磁控溅射镀膜设备，发展了原子级阻隔层和氩氮混合反应溅射的界面缺陷控制技术，解决了膜层不均匀结晶、扩散混合和化合反应的有效抑制的难题，显著提升了X射线多层膜器件的反射率；发展了倾斜粒子调控和膜厚精确控制等曲面多层膜生长技术，利用反射镜基底的精密运动配合多组掩模板叠加的复合分隔结构，对界面缺陷和膜层厚度双重调控，大幅提升了反射镜不同位置界面结构和膜厚的一致性，实现了高反射率X射线曲面多层膜的精确制备。

3.3 X射线多能谱诊断系统的精密瞄准技术

多能谱物像的精密耦合及在线瞄准是应用于新型诊断方法时要解决的首要问题。首先，与等离子体密度相关的背光成像在多能谱诊断的应用更为广泛，而多层膜的能谱响应与背光源的特征线能量具有很强的关联性，为此背光源与诊断目标需要共光路、共视场的复合在线瞄准。针对这一需求，在“物-诊断物镜-像”集成指示技术的单模拟标靶定位最佳物方视场的基础上，进一步发展了通过双模拟标靶分别定义背光源和诊断目标位置的物方瞄准手段，有效建立了背光源、物点和多能谱诊断物镜三个关键组件的空间关系[20］，如图4（a）。此外，条纹相机的狭缝状光阴极为其信号记录介质，仅能截取某一条带区域的成像信号，系统安装调试对条纹相机光阴极与成像区域的定位要求很高。针对这一问题，将十字激光改进替换为可见光CCD，即利用多能谱诊断物镜后端的可见光CCD镜头指示像点坐标，对成像区域实现像素级的长距离精确指示，有效满足了光阴极对成像信号区域的高精度截取要求[21］，如图4（b）。

4 掠入射X射线成像技术应用效果

基于掠入射X射线成像关键技术和多层膜光学器件的研究，研制了多类相关的精密X射线时空和能谱诊断装备，为国内相关ICF研究机构的多类重要物理实验提供了关键的光学系统支撑。以下简要介绍近五年来多通道KB系统的应用效果，并重点介绍基于多层膜分光器件的X射线多能谱成像诊断系统及其在我国激光装置的应用。

4.1 多通道高分辨KB系统

以多通道、高分辨和高效率的诊断要求为牵引，在国内多个ICF研究机构的支持下发展了多类与实验需求适应、与装置条件耦合的多通道KB系统，取得广泛的应用。典型应用包括：（1）与中物院激光聚变研究中心合作研制了十六通道低能KB系统，配合分幅相机，以3～5μm的空间分辨在十六个瞬态时刻实现了对热斑二维空间演化的细致获取，在国际上率先实现了多达十六通道的高分辨KB系统的高质量诊断应用，较国外现有装备在技术成熟度和实际应用效果上均具有显著优势[15］；（2）针对双锥对撞点火（Double Cone Ignition，DCI）小尺寸、弱信号芯部等离子体的测量需求，研制了十六通道高分辨双色KB系统，既实现了空间分辨优于5μm和十六个瞬态时刻诊断，又同步获得了高低两个能带的等离子体能谱信息，大大丰富了诊断数据的内涵[16］；（3）针对中物院上海激光等离子体研究所芯部热斑测量的诊断需求，研制了八通道掠入射KB系统，成功观测了直接驱动锥壳靶的内爆压缩和热斑形成过程[22］。

4.2 X射线多能谱成像诊断系统

基于上述工作，围绕多类涉及时间、空间和能谱测量的诊断新需求，研制了多套基于多层膜阵列器件的多能谱X射线诊断装备，成功获得应用和推广，为物理实验研究提供了高质量的实验信息。成像通道数多达十六个、在400μm视场内空间分辨达到3～5μm，诊断能点数最多达到4个，各项性能指标显著优于国外同类技术水平，并实现了更好的应用效果。典型应用包括：

（1）高通量多层膜KB显微镜[20］

在高能量密度物理（High Energy Density Physics，HEDP）及相关领域，X光闪光照相对细致研究等离子体状态，获得密度、面密度分布信息及其随时间演化行为有至关重要的作用。本所与中物院激光聚变研究中心联合攻关，瞄准高能量密度物理研究对高分辨X光背光成像的需求，研制了高通量多层膜KB显微镜，其光学结构如图5所示。

为实现物镜薄膜对背光源谱线响应的最大化，将基于布拉格衍射原理的Co/C多层膜作为反射薄膜，通过调整材料的厚度比，使Co/C多层膜具有较大的光谱带宽，在Ti类He线（4.75 keV）和Kα线（4.5 keV）均获得超过60%的反射效率，并通过工艺优化和X射线衍射仪测试证实，实现了0.1 nm的膜厚控制精度，将掠入射角的偏差控制在±0.005°范围内，实现了X光多层膜器件的高质量制备。

中物院激光聚变研究中心利用该套高通量多层膜KB系统，在神光Ⅱ升级装置上成功进行了Au锥-CD壳层靶的闪光照相的考核和物理实验，在 直径约80μm的Ti靶背 光源下，对Au锥-CD壳层靶进行了分辨优于5μm的Ti特征线闪光照相，成功获得间接驱动快点火靶的压缩图像[13］，如图6所示。

（2）四色八通道多能谱诊断系统[17］

基于ICF靶内爆过程的自发光流线测量需求，针对现有X射线多能道成像诊断技术存在的信噪比差、空间分辨低的难题，为实现几千电子伏弱信号等离子体信息的有效获取，与中物院上海激光等离子体研究所合作提出并设计了四色八通道的多层膜掠入射X射线聚焦系统，其光学结构如图7所示。内爆自发光经过四色单能聚焦后，在像面成两排独立像。一排和条纹相机配合，在四个不同的诊断能点（2.6 keV，3.1 keV，3.7 keV，4.3 keV）测量自发光流线；另一排和成像板配合，在四个能点下的时间积分图像。其中TRM1和TRM2为全反射镜，用于调控两排图像的空间位置，M1～M4为多层膜布拉格镜，分别针对四个能点设计，多层膜能谱响应曲线如图8所示。

该系统成功应用于神光Ⅱ装置的内爆热芯和神光Ⅲ原型装置临界密度面附近轮廓的多能道成像诊断，实现了对弱信号、小尺度等离子体空间、时间和能谱特性的同步有效测量，测量结果如图9所示，为内爆靶设计和数值模拟程序校验提供了重要依据。

（3）自发光和背光同步X射线诊断系统[21］

不同类型的成像、分光或记录设备相配合可以获得不同维度的内爆等离子信息，而常规的诊断手段只能在背光或自发光中选择一种类型的诊断方式。为了综合获取内爆流体动力学过程或燃料的热力学状态信息，需要使用不同的诊断系统，要么沿不同观测轴进行同时测量，要么沿同一观测轴进行多发次测量，此时驱动不对称性、随机触发晃动误差和不同发次间的随机差异将导致实验数据的置信度降低[23］。为解决这一问题，本所与中物院上海激光等离子体研究所合作提出将高效率、高分辨的多通道掠入射成像、可实现能谱选择的多层膜分光和可时间分辨的高速相机有效耦合，同步获取靶丸自发光和背光信号的诊断新方法[20］，如图10所示。该方法采用多通道KB显微镜在近共轴条件下形成多个高空间分辨成像，且KB显微镜各通道反射镜表面镀制多层膜分别实现低能和高能X射线选择，有效实现对自发光和背光信号的能谱区分，最后通过像面的条纹相机记录，实现时间分辨扫描成像，自发光和背光同步成像诊断的能谱响应曲线如图11所示。

该方法同时具备与KB系统相同的空间分辨能力，图12为实验室内利用铜靶X射线管得到的系统离线标定结果，在整个有效视场内均能够清晰地分辨网格线条，按照光强最大至最小值变化的“10%～90%”分辨率评价标准，系统在中心视场的分辨率达到3μm，±100μm视场分辨率优于5μm，与仿真模拟结果相符。

该方法能够实现背光、自发光两类不同的诊断数据在同一发次、同一视角的同步测量及对比分析，增加了诊断数据的获取维度，有效避免不同诊断系统或发次的测量数据的随机差异，提高了实验数据的置信度。系统在神光Ⅲ原型装置同时测量了内爆靶丸的自发光和背光流线，成像结果及分析如图13。自发光和背光通道的信号干扰均得到良好的抑制，可以根据背光流线提取靶丸的外边界轮廓并计算内爆速度，根据自发光流线评估热点温度演变等信息。

5 结论和展望

经过国内相关研究单位近二十年的技术攻关，国内等离子体诊断用精密X射线成像光学研究取得了长足的进步和发展。在国际上首次突破了多通道高分辨X射线成像的瓶颈，解决了ICF研究长期缺乏高分辨X射线时空诊断技术的难题，实现了对国外同类型技术的超越，有力推动了多通道高分辨KB系统在我国ICF实验诊断的广泛应用。在此基础上，提出了基于多层膜球面镜阵列的X射线多能谱成像新方法和多类新物镜结构，建立了复合能点、高效率、高分辨的X射线诊断新技术，有效解决了传统能谱相关的X射线诊断技术存在的集光效率低、空间分辨率差等制约性问题；突破了高效率多层膜制备和多能道精密耦合等技术难题，针对多个不同类型物理实验的需求，研制了多套新型的X射线多能谱成像诊断系统，有效实现了小尺度和弱信号等离子体的高效率测量，大大提升了弱源强等离子体的时空谱诊断能力。

相比现阶段分解实验，靶丸在点火规模实验条件下处于更高的能量和密度状态，热斑尺寸减小，靶丸密度升高。为了有效诊断热斑形状、温度分布和燃料混合等重要物理问题，光学系统需要具备更高的空间分辨。同时，为了穿透更高密度的靶丸物质，诊断能区将转向几千电子伏甚至更高的硬X射线能段。未来几年，将进一步围绕更高空间分辨和更高效率的诊断需求，重点基于研究平台在小磨头和离子束修形抛光等精密超光滑非球面基底加工的硬件和技术优势，以及硬X射线非周期超薄多层膜制备的工作积累，自主开展非球面构型的新型硬X射线掠入射成像系统的共性关键技术研究，最终实现优于3μm的空间分辨率和10-6sr的收集效率。在具体的光学方案设计上，围绕具体的空间、时间和能谱综合测量需求，进一步发展更高分辨、更多通道和更多能道的复杂构型多层膜掠入射X射线成像技术，为相关ICF研究机构重要诊断实验的开展提供更有力的光学系统支撑。