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激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

王峰 张兴 理玉龙 陈伯伦 陈忠靖 徐涛 刘欣城 赵航 任宽 杨家敏 江少恩 张保汉

王峰, 张兴, 理玉龙, 等. 激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
引用本文: 王峰, 张兴, 理玉龙, 等. 激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
Wang Feng, Zhang Xing, Li Yulong, et al. Progress in high time- and space-resolving diagnostic technique for laser-driven inertial confinement fusion[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
Citation: Wang Feng, Zhang Xing, Li Yulong, et al. Progress in high time- and space-resolving diagnostic technique for laser-driven inertial confinement fusion[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136

激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFA0403300);国家自然科学基金项目( 11805184,11805178,11805185);中国工程物理研究院院长基金项目(YZJJLX2019011);科学挑战专题项目(TZ2016001);中物院激光聚变研究中心青年人才基金项目(RCFPD4-2020-1)
详细信息
    作者简介:

    王峰(1975—),男,博士,研究员,从事激光聚变诊断研究;lfrc_wangfeng@163.com

Progress in high time- and space-resolving diagnostic technique for laser-driven inertial confinement fusion

  • 摘要: 本文对国内激光惯性约束聚变(ICF)领域高时空分辨技术的最新进展进行了比较全面的介绍。针对热斑诊断时间分辨优于10 ps,空间分辨优于10 μm,能区10~30 keV的需求,本文从光学、X射线、核诊断和计算成像几个角度,比较系统地介绍了最新的进展。光学领域主要介绍基于泵浦探测技术的全光扫描和全光分幅技术。全光扫描技术的时间分辨可以达到200 fs,全光分幅的时间分辨可以达到5 ps,空间分辨可以达到5 μm。该系统的主要部件为光学器件,在ICF未来的强电磁、强电离环境下有很好的应用前景。X射线系统主要介绍最近几年发展的高分辨KB显微镜,其采用STTS构型,可将空间分辨提高到3 μm,满足当前高分辨的需求。漂移管技术的时间分辨可以达到10 ps,作为一种正在发展的技术,将在这里得到较全面地分析。中子成像系统主要介绍了高空间分辨的记录系统以及对应的瞄准技术的进展,其空间分辨可以达到20~25 μm。计算成像作为一个全新的分支,最近引起了ICF领域的广泛关注。本文着重介绍了在高时空分辨领域有很好应用前景的压缩感知超快成像(CUP)技术,对其可能在ICF领域中的应用提出了设想。
  • 图  1  单点脉冲行为全光诊断技术示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of all-optical diagnostic technology for single point pulse behavior measurement

    图  2  单脉冲瞬态行为的典型测量结果

    Figure  2.  Typical measurement results of single pulse transient behavior

    图  3  基于光折变效应的高时间分辨全光扫描诊断技术

    Figure  3.  Optical path diagram of high time-resolving all optical scanning diagnostic technology based on photorefractive effect

    图  4  全光分幅成像诊断技术示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of all-optical framing imaging diagnostic technique

    图  5  全光分幅成像诊断转换体时间响应数据

    Figure  5.  Time response data of all-optical frame imaging diagnostic converter

    图  6  全反射式宽能带KB显微成像系统光路结构

    Figure  6.  Optic design of the Reflective KB microscope

    图  7  (a)成像系统能量响应曲线和(b) 6 keV X射线反射率空间分布

    Figure  7.  (a) Energy responses of the KB microscope and (b) the reflectivity spatial distribution of 6 keV X-rays

    图  8  全反射式KB成像系统的四象限网格成像图和空间分辨分析

    Figure  8.  Backlit image of the four-phases mesh and the analysis of the spatial resolution of full reflection KB imaging system

    图  9  全反射式KB成像系统测量的直接驱动爆推靶热斑和间接驱动内爆热斑

    Figure  9.  Measured hot spot images in the exploding pusher target and the indirectly driven implosions

    图  10  多层膜准单能响应KB显微成像系统光路结构与光学参数

    Figure  10.  Optics design and parameters of the multi-layer coated quasi-monenergistic response KB microscope

    图  11  (a)多层膜准单能响应KB显微成像各通道反射率特征(b)2 kJ/1 ns激光驱动背光的1000目Ni网格成像(c)两端黑腔驱动内爆热斑成像

    Figure  11.  Throughout response of the multi-layer coated KB microscope(a)and the backlit image of an 1000# Ni mesh(b)and the hot spot image in the hohlraum driven implosion(c)

    图  12  KBA显微成像系统每一成像维度的成像原理示意图

    Figure  12.  Schematic diagram of imaging principle for each imaging dimension of KBA micro imaging system

    图  13  (a)双通道KBA-KB成像系统结构示意图(b)600目Au网格背光成像

    Figure  13.  (a)structural diagram of dual channel KBA-KB imaging system;(b)the backlit image of an 600# Au mesh

    图  14  (a)AKB成像系统结构示意图(b)弧矢方向和子午方向的AKB成像光路示意图

    Figure  14.  (a)structural diagram of the AKB imaging system;(b)optics diagram of the AKB imaging in Sagital and Tangential directions

    图  15  (a)中物院激光聚变研究中心自研球面弯晶及(b)激光装置成像测试结果

    Figure  15.  (a) Spherically bent crystal samples fabricated by LFRC and (b) the test result at laser facility

    图  16  诊断平台搭载球面弯晶单能成像系统结构示意图

    Figure  16.  Diagram of the monochromatic imaging system with spherical crystal which installed on the DIM

    图  17  球面弯晶单能成像系统应用于二维背光成像测量结果

    Figure  17.  2D radiography applications of the monochromatic imaging system with spherical crystal

    图  18  球面弯晶单能成像系统应用于内爆压缩流线测量结果

    Figure  18.  Implosion trajectory measurement by the monochromatic imaging system with spherical crystal

    图  19  (a)SLOS结构图(b)光电子展宽原理示意图

    Figure  19.  (a)Single line-of-Sight(SLOS)X-ray imager.(b)schematic diagram of photoelectron expanding principle

    图  20  (a)四端馈入阴极结构示意图(b)四通道合成波形

    Figure  20.  (a)Schematic diagram of four end fed cathode structure(b)Four channel composite waveform

    图  21  (a)双镜头短磁聚焦透镜漂移管照片(b)调节两个磁透镜的电流,可以获得10 lp/mm的分辨

    Figure  21.  (a)Photo of drift tube of double lens short magnetic focusing lens(b)Adjust the current of two magnetic lenses to obtain 10 lp / mm resolution

    图  22  中子半影成像几何模型

    Figure  22.  Geometric model for neutron penumbral imaging

    图  23  编码孔几何尺寸设计及对应几何分辨率

    Figure  23.  Designed biconic-shaped geometric aperture parameter and the spatial resolution contributed by the aperture

    图  24  中子图像探测器线扩展函数实验测量结果

    Figure  24.  Measured line-spread function of the neutron image detector

    图  25  基于微透镜阵列的光场相机成像原理图

    Figure  25.  Principle of the light field camera

    表  1  国际上常见的高时间分辨的几个技术状态比较

    Table  1.   Common techniques for high temporal resolution purposes

    diagnostic equipmentradiationtime resolution/ps1D/2Dframe
    Multi-MCPOptical/X-ray50−802D,33 μm~16
    DIXIX-ray102D,100 μm~16
    Streak CameraOptical/X-ray0.51D,50 μm——
    CUPOptical/X-ray22D,100 μm20-30 more
    STAMPOptical~0.12D,10 μm6 more
      注:1、fs条纹相机目前只看到滨松公司的产品介绍,其使用需要fs脉冲触发,国际国内在ICF领域还没有应用。2、STAMP技术作为一种全新的思路,与ICF整体的技术体系可以相互借鉴。但是偏基础和实验室,不适合ICF大型装置的环境。
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    表  2  反射式宽能带KB显微成像系统光学参数

    Table  2.   The parameters of the reflective KB microscope

    reflector curvature radius/m magnification grazing incidence angle/(°) mirror lenght/mm object distance/mm image distance/mm
    horizontal 50 21 0.437 5 12 200 4200
    vertical 50 19.8 0.452 5 12 212 4188
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    表  3  多层膜单能响应KB显微成像系统光学参数

    Table  3.   parameters of the multi-layer coated quasi-monenergistic response KB microscope

    reflector curvature radius/m magnification grazing incidence angle mirror lenght/mm object distance/mm image distance/mm
    P1 19.5 20 1.1754° 10 210 4200
    P2 21.0 19.045 1.1407° 10 220 4190
    P3 19.5 18.174 1.2812° 10 230 41801
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-19
  • 修回日期:  2020-07-10
  • 网络出版日期:  2020-07-30

激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2017YFA0403300);国家自然科学基金项目( 11805184,11805178,11805185);中国工程物理研究院院长基金项目(YZJJLX2019011);科学挑战专题项目(TZ2016001);中物院激光聚变研究中心青年人才基金项目(RCFPD4-2020-1)
    作者简介:

    王峰(1975—),男,博士,研究员,从事激光聚变诊断研究;lfrc_wangfeng@163.com

摘要: 本文对国内激光惯性约束聚变(ICF)领域高时空分辨技术的最新进展进行了比较全面的介绍。针对热斑诊断时间分辨优于10 ps,空间分辨优于10 μm,能区10~30 keV的需求,本文从光学、X射线、核诊断和计算成像几个角度,比较系统地介绍了最新的进展。光学领域主要介绍基于泵浦探测技术的全光扫描和全光分幅技术。全光扫描技术的时间分辨可以达到200 fs,全光分幅的时间分辨可以达到5 ps,空间分辨可以达到5 μm。该系统的主要部件为光学器件,在ICF未来的强电磁、强电离环境下有很好的应用前景。X射线系统主要介绍最近几年发展的高分辨KB显微镜,其采用STTS构型,可将空间分辨提高到3 μm,满足当前高分辨的需求。漂移管技术的时间分辨可以达到10 ps,作为一种正在发展的技术,将在这里得到较全面地分析。中子成像系统主要介绍了高空间分辨的记录系统以及对应的瞄准技术的进展,其空间分辨可以达到20~25 μm。计算成像作为一个全新的分支,最近引起了ICF领域的广泛关注。本文着重介绍了在高时空分辨领域有很好应用前景的压缩感知超快成像(CUP)技术,对其可能在ICF领域中的应用提出了设想。

English Abstract

王峰, 张兴, 理玉龙, 等. 激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
引用本文: 王峰, 张兴, 理玉龙, 等. 激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
Wang Feng, Zhang Xing, Li Yulong, et al. Progress in high time- and space-resolving diagnostic technique for laser-driven inertial confinement fusion[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
Citation: Wang Feng, Zhang Xing, Li Yulong, et al. Progress in high time- and space-resolving diagnostic technique for laser-driven inertial confinement fusion[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200136
  • 激光驱动惯性约束聚变(ICF)研究是当前国际前沿科学中具有挑战性的研究领域,美国、法国、俄罗斯和英国等科技强国纷纷将其纳入国家科技战略研究层面。当前激光ICF研究陷入困境,用1.8 MJ的激光能量只观测到16次方中子产额,仅仅是观察到了α粒子自加热。这与点火所需的18次方中子产额还有很大差距[1-3]

    要破解这个激光惯性约束聚变的难题,主要从两个方向开展攻关。一个是进一步完善物理模型;另一个是发展极端瞬态条件下的诊断技术。完善物理模型,就是将各种低阶和高阶的过程都考虑进去,从而将模拟程序从一维、二维上升到全三维,然后将各阶段的程序与各阶段的实验数据进行比较从而修正,而后得到较高置信度的三维程序,以“预测”各种影响以及三维条件下的“点火悬崖”。美国劳伦斯利弗莫尔(LLNL)实验室研究内爆的Clark团队[4]将相关工作在APS报告里做了详细地分析。发展极端瞬态条件下的诊断技术,用更加先进的诊断技术去研究以前没有涉足的压力、温度、时间、空间尺度,为更精细地研究物理问题提供强有力的技术支撑,推动物理认识的进步。到目前为止,国际上都是按照这两个方向进行攻关的。

    目前国际上ICF领域以及相关超高时空分辨领域已有的高时间、高空间分辨的典型诊断设备主要是条纹相机(Streak Camera)、分幅相机(Multi-MCP)、Compressed Ultrafast Photography(CUP)[5]技术、Dilation X-ray Imager(DIXI)[6]-[9]技术以及Sequentially Timed All Optical Mapping Photography(STAMP)[10]等。表1对目前国际上主要的高时空分辨诊断技术及其特点进行了比较。分幅相机技术(Multi-MCP)是比较典型的也是ICF领域应用最广泛的高时间、高空间分辨技术。其使用高时间分辨的选通脉冲和高性能MCP实现高时空特性。然而其时间分辨只能达到50~80 ps左右,典型值为70 ps,空间分辨约为30 lp/mm,幅数16幅左右。受限于选通脉冲的宽度,其时间分辨很难有更大的提升空间。Dilation X-ray Imager(DIXI)技术是2017年左右发展的新型时域放大技术,其主要变化是在MCP之前配接一个磁场约束的漂移管,通过电子脉冲的时间漂移放大技术实现10 ps量级的时间分辨。其空间分辨100 μm,幅数16幅左右。但是,漂移管带来空间电荷效应增强,分辨率很低。同时高能电子直接轰击MCP导致大量次生电子,使信号的噪声变强,信噪比很差[9]。条纹相机具有一维空间分辨、一维时间分辨能力。目前最好的时间分辨已经达到了500 fs,空间分辨为20 lp/mm。但是条纹相机不具有二维诊断能力,限制了它的应用。单通道CUP技术是最近几年最新发展的技术,其利用压缩感知技术,把条纹相机当作分幅相机使用,得到很高的时间分辨,文献报道已有2 ps的数据。由于CUP技术采用取样技术的特点,空间分辨比较差,约为100 μm,幅数可达30幅或更多。不满足我们的要求。STAMP是一个时间分辨非常高的技术,可以达到约100 fs,空间分辨10 μm,幅数6幅或更多。但是其使用主动探针的啁啾技术,在ICF实验以及很多比较复杂辐射场的环境下,反射信号容易被调制和干扰,造成失真。而且该技术对设备要求与调试要求很高,使用方式很复杂,不适合我们ICF的大型激光装置比较恶劣的环境。

    表 1  国际上常见的高时间分辨的几个技术状态比较

    Table 1.  Common techniques for high temporal resolution purposes

    diagnostic equipmentradiationtime resolution/ps1D/2Dframe
    Multi-MCPOptical/X-ray50−802D,33 μm~16
    DIXIX-ray102D,100 μm~16
    Streak CameraOptical/X-ray0.51D,50 μm——
    CUPOptical/X-ray22D,100 μm20-30 more
    STAMPOptical~0.12D,10 μm6 more
      注:1、fs条纹相机目前只看到滨松公司的产品介绍,其使用需要fs脉冲触发,国际国内在ICF领域还没有应用。2、STAMP技术作为一种全新的思路,与ICF整体的技术体系可以相互借鉴。但是偏基础和实验室,不适合ICF大型装置的环境。

    本文对目前国内ICF领域正在发展的部分高时空分辨诊断技术进行总体性的介绍,以期达到对该领域的工作者提供思路,激发灵感的目的。按照目前ICF诊断系统的技术框架,从光学、X射线、核诊断以及计算成像几个方向介绍了该领域的进展。

    • 利用大型激光器开展惯性约束聚变(ICF)研究,既能为极端条件高能量密度物理研究提供平台,也能为最终实现点火、掌握可控核聚变确定关键技术途径。激光聚变的约束过程一般为数ns时间,期间包含着多个复杂的物理过程。通过对这些过程中产生的包括光学信号、X射线信号的诊断或测量,能够揭示此类过程中蕴含的物理效应。但ICF通常的物理过程持续时间很短,部分关键过程如内爆热斑,仅持续100~200 ps,要求诊断系统具备1~10 ps的高时间分辨能力。而极高的聚变中子产额及极强的电磁辐射环境则要求诊断系统具备强大的抗干扰能力。现有的含时诊断技术包括条纹扫描技术、分幅成像技术和电子漂移管技术,通常依赖电子学方法实现高时空分辨记录。但依据此类技术所形成的电子学诊断系统结构较为复杂,易受电磁、电离辐射强干扰影响,造成测量失真、失准甚至部件损坏。因此,通常要设计抗干扰结构来保护诊断系统;然而随着激光器输出能量的增加,这类结构的复杂程度会明显增加但防护效果又不能完全保证,成为限制ICF诊断技术进一步发展的主要瓶颈。

    • 泵浦探测技术是一种传统的超快时间分辨测量技术,常用来探测物质内部物理、化学变化的瞬态过程,特别是对物质激发态载流子动力学过程的研究。它利用一束短脉冲光(泵浦光)在待测材料中引发瞬态物理过程,再用另一束时间关联的短脉冲光(探针光)入射并穿过材料,从探针光的相位、强度等变化上测量材料的瞬态物化过程。如果将传统泵浦探测技术中的泵浦光替换成ICF物理过程中的光学或X射线,并使用已知或可标定响应性质的非线性超快响应转换材料,那么从探针光的相位、强度等变化就可以反映泵浦信号的含时信息;进一步地,通过设计合理的全光学诊断光路结构,就能通过简单的探测设备如CCD相机等,以高时空分辨能力记录ICF实验中超快物理过程。由于诊断结构中的核心结构为全光学光路,信号转换和传输不受电磁电离辐射的干扰,而使用的记录和探测设备简单易于屏蔽,因此这种全光诊断系统抗干扰能力强,有望破除电子学系统带来的瓶颈问题,为ICF诊断提供一条崭新且可靠的新途径。

    • ICF研究中单点脉冲行为测量的全光诊断技术以传统的Z扫描测量方法为基础,以高精度光束分割技术为核心技术,如图1所示。

      图  1  单点脉冲行为全光诊断技术示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of all-optical diagnostic technology for single point pulse behavior measurement

      诊断技术的具体光路工作流程为:探针激光通过准直扩束入射至核心一个环形台阶反射镜上;通过精心设计加工,台阶反射镜的高度差可小至10 μm,单镜面宽度为100 μm;当脉冲宽度为数百fs的探针光经若干台阶反射镜后,就产生了不同延时时间的反射脉冲光序列,各序列光束间的时间延迟为67 fs。各光束经过由L1和L2组成的4f系统,先经过L1会聚至X射线转换材料的单点区域;与此同时,与探针激光具备同步时间关系的打靶激光打靶产生X射线经过针孔或其他会聚器件达到样品区域,使样品对探针光产生折射率或吸收率的变化。探针光经过样品区域后经过L2准直后被CCD等进行记录,产生环形光斑测量结果,如图2所示,其中的吸收率发生变化的台阶区域宽度对应的就是X射线作用过程,理论上可达到的最佳时间分辨率应为序列脉冲的时间延迟量,但应指出的是,这个指标也受探针光脉冲宽度的影响,探针光脉冲宽度和序列光束的间隔时间需要较好的匹配;用于超短激光打靶测量时,可将超短激光分光,分别作为泵浦光和探针光,方便保持同步关系。

      图  2  单脉冲瞬态行为的典型测量结果

      Figure 2.  Typical measurement results of single pulse transient behavior

    • 一维扫描全光诊断技术以平面波导为探针光载体、以金属掩膜产生波导内微型偏转棱镜、以高动态范围面阵相机为记录器件,其基本光路结构如图3所示。其基本原理是泵浦激光在非线性光学材料制作的平面光波导中产生了载流子使得折射率发生改变,通过金属掩膜的作用使得波导不同区域产生了不同浓度的折射率区域,形成了微型棱镜光学结构。当待测信号光经由成像系统和柱透镜会聚并耦合进入平面光波导时,调节泵浦光与信号光的作用时间,使得不同时刻进入的探针光经过的微透镜阵列有所差异,最终使其偏转角度不同,从而将时间维度上的信息转换为一维空间维度的信息。由于光波导本身传光的性质,该诊断技术适合于可见光波段的超快过程测量。

      图  3  基于光折变效应的高时间分辨全光扫描诊断技术

      Figure 3.  Optical path diagram of high time-resolving all optical scanning diagnostic technology based on photorefractive effect

    • 全光分幅成像诊断技术以多台阶微型反射镜光束分割、以成像方式耦合泵浦及探针信号于X射线转换材料、并利用大动态范围面阵相机为记录器件,其基本光路结构如图4所示。具体工作流程为:短脉冲泵浦光经扩束准直后经台阶反射镜反射,经过微透镜阵列成像后将反射镜镜面成像至X光转换材料;与此同时,打靶产生的X射线信号经过X射线成像系统(弯晶、针孔、KB镜等)成像至X光转换材料的特定区域并改变该区域对泵浦光的吸收率,并使镜面像与X射线斑图重合。由于台阶反射镜具备有光束分割及延迟能力,因此实际产生了多个具有不同曝光时段的泵浦光信号,经过对称的微透镜阵列及台阶反射镜后,不同镜面反射的光束携带了X射线斑图信息,经过成像镜组二次成像后使得重合区域为CCD记录,形成阵列式的泵浦光图像,均为不同时刻的X射线阴影区图像,从而具有了二维空间分辨。在光学系统方面,由于台阶反射镜对光束的分割和延时取决于间隔台阶厚度的差异,当泵浦光脉冲足够短时,可认为其时间分辨受限于台阶反射镜的光程差,这个最佳分辨目前能做到百fs级;在技术的整体方面,时间分辨还受限于材料的响应速度,目前快响应转换体的时间响应能好于5 ps(近期试制的某组分CdSe材料转换体的时间响应曲线FWHM为1 ps左右,如图5所示),所以全光分幅成像诊断的时间分辨预计至少会好于5 ps。参考美国NIF上DIXI的设计思路,用大放大倍数的X射线成像系统将热斑图像成像到转换体上,可以将物方空间分辨提高到5 μm水平。这个数据对大多数热斑高精度诊断来说,都是够用的。

      图  4  全光分幅成像诊断技术示意图

      Figure 4.  Schematic diagram of all-optical framing imaging diagnostic technique

      图  5  全光分幅成像诊断转换体时间响应数据

      Figure 5.  Time response data of all-optical frame imaging diagnostic converter

    • 在激光驱动惯性约束聚变(ICF)中,通过接近一维内爆方式形成高品质热斑是在有限激光驱动能量下实现聚变点火的关键过程。但实际实验中,由于驱动不对称性、靶丸表面缺陷等因素,热斑的不对称性和壳层物质混入热斑的混合效应仍是目前制约ICF内爆产额进一步提升的重要因素。考虑到热斑的空间尺度仅约50 μm,发展具有高空间分辨能力的热斑X射线成像诊断技术,对分析热斑形状不对称性和开展热斑对称性调控物理设计至关重要;进一步,当热斑成像高分辨诊断技术具有一定能量分辨能力时,还可以进一步根据不同能量的热斑图像分析热斑混合效应。传统的X射线针孔成像诊断技术通常空间分辨仅为~10 μm水平,集光立体角约10−9sr,对于50 μm尺度的ICF热斑成像在空间分辨和中高能10~30 keV X射线能区的集光效率均显不足。近年来包括美国NIF、OMEGA和法国LMJ在内的各大激光聚变装置,都建立了基于X射线掠入射高分辨成像技术的先进X射线显微成像诊断系统[11-14],其中KB显微成像系统是广泛采用的一种技术。我国神光装置上,近几年也围绕热斑高分辨成像诊断需求,发展了多种KB显微成像系统,并在100 kJ级激光驱动内爆实验中实现了热斑的高分辨X射线成像测量,为热斑对称性调控物理设计提供指导数据。与同济大学合作建立了全反射式宽能带KB显微成像诊断系统和多层膜准单能响应KB显微成像系统,并正在发展大视场KBA显微成像技术和STTS型四镜结构AKB显微成像技术等多镜结构先进KB显微成像系统,并正在根据内爆热斑状态特征发展多种新型KB显微成像技术。

    • 全反射式宽能带KB显微成像系统的每一个成像通道由两块正交排布的超光滑柱面镜形成,采用水平和竖直的两组对向放置反射镜形成四通道成像结构,成像光路和光学参数如图6表2所示,镜框中心分别放置高面型精度H型锥芯来控制反射镜姿态[15]。该系统采用X射线全反射镜结构设计,反射镜采用超光滑Si基柱面镜,表面蒸镀数十nm厚度的Pt反射膜,反射镜的曲率半径设计为50 m,曲率半径加工误差小于2%,表面粗糙度小于0.3 nm。前后两块反射镜的中心成像光路X射线掠入射角分别为0.4375°和0.4625°,全反射X射线的截止能量约11 keV,通过配合使用Fe、Ni和Al等滤片,可以实现多个不同能带的X射线成像,如图7(a)所示。对于4~9 keV能区X射线,掠入射角远离全反射截止角度,有利于在成像视场内不同空间位置的X射线反射率差异调控。6 keV的X射线反射率分布如图7(b)所示,在400 μm视场范围内反射率差异小于10%。全反射式KB成像系统具有宽能带响应、空间平响应等特征,有利于提高多个通道测量图像的形状一致性,并降低成像系统瞄准精度要求。如图8所示,全反射式KB成像系统利用Fe靶6.4 keV特征线X射线面光源进行了四象限Au网格背光成像测试,网格四个周期分别为60.6 μm、80 μm、120.8 μm和159.6 μm,根据网格肋线阴影图像MTF分析,成像视场中心区空间分辨约4 μm。

      表 2  反射式宽能带KB显微成像系统光学参数

      Table 2.  The parameters of the reflective KB microscope

      reflector curvature radius/m magnification grazing incidence angle/(°) mirror lenght/mm object distance/mm image distance/mm
      horizontal 50 21 0.437 5 12 200 4200
      vertical 50 19.8 0.452 5 12 212 4188

      图  6  全反射式宽能带KB显微成像系统光路结构

      Figure 6.  Optic design of the Reflective KB microscope

      图  7  (a)成像系统能量响应曲线和(b) 6 keV X射线反射率空间分布

      Figure 7.  (a) Energy responses of the KB microscope and (b) the reflectivity spatial distribution of 6 keV X-rays

      图  8  全反射式KB成像系统的四象限网格成像图和空间分辨分析

      Figure 8.  Backlit image of the four-phases mesh and the analysis of the spatial resolution of full reflection KB imaging system

      全反射式KB成像系统已广泛应用于神光装置100 kJ激光驱动内爆热斑形状诊断,主要使用Fe滤片组(20 μm Fe、50 μm Be和25 μm Al)测量6~7 keV能区的热斑图像。图9(a)是40 kJ激光驱动玻璃壳爆推靶(540 μm直径、D2燃料)的某一通道热斑图像,四个成像通道热斑图像形状一致性优于96%。热斑图像可清晰分辨热斑界面,推算得到爆推靶收缩比仅为4倍。图9(b)图9(c)是80 kJ激光间接驱动CH壳靶丸内爆热斑图像,白色轮廓线为热斑强度25%等高线,全反射式KB成像系统较清晰地分辨直径60 μm的热斑中的结构分布,通过对轮廓线的勒让德多项式拟合可获得热斑P2和P4不对称性分量,并观察到移动激光光斑位置对调控热斑对称性的改善效应。

      图  9  全反射式KB成像系统测量的直接驱动爆推靶热斑和间接驱动内爆热斑

      Figure 9.  Measured hot spot images in the exploding pusher target and the indirectly driven implosions

    • 多层膜准单能响应KB显微成像系统的每一个成像通道采用一组正交放置的球面超光滑反射镜,每块反射镜表面蒸镀由nm级厚度W和C材料层交替组成的人造多层膜结构,在保持KB显微成像技术的高空间分辨和高集光效率的同时,实现成像图像的能量分辨能力。神光装置采用串列反射镜结构,研制了一套8通道多层膜KB显微成像系统[16],用于(8±0.4)keV能区的热斑X射线成像诊断,成像光路和光学参数如图10表3所示,每一级反射镜之间仍采用高面型精度H型锥芯来控制反射镜姿态,通过P1-P2和P2-P3组合分别形成两组四通道成像,得到8个成像通道。反射镜P1、P2、P3表面的W-C多层膜周期厚度与中心光路X射线入射角度相匹配,多层膜反射X射线的角度带宽约0.11°。根据反射镜实际膜系参数计算得到的各通道X射线反射率能量响应曲线如图11(a)所示,成像系统在8 keV附近具有准单能响应特征,能带宽度约0.78 keV。该系统测量的1000目Ni网格背光成像图如图11(b)所示,背光源为2 kJ、1 ns、Φ500 μm激光束驱动Cu靶的类He线发射X射线,该系统视场中心的空间分辨率优于5 μm。由于多层膜反射镜角度带宽的限制,该系统的有效视场范围相对较窄,在热斑成像实验中需要实现较高的瞄准精度。图11(c)是方波激光驱动两端黑腔的内爆热斑图像。

      表 3  多层膜单能响应KB显微成像系统光学参数

      Table 3.  parameters of the multi-layer coated quasi-monenergistic response KB microscope

      reflector curvature radius/m magnification grazing incidence angle mirror lenght/mm object distance/mm image distance/mm
      P1 19.5 20 1.1754° 10 210 4200
      P2 21.0 19.045 1.1407° 10 220 4190
      P3 19.5 18.174 1.2812° 10 230 41801

      图  10  多层膜准单能响应KB显微成像系统光路结构与光学参数

      Figure 10.  Optics design and parameters of the multi-layer coated quasi-monenergistic response KB microscope

      图  11  (a)多层膜准单能响应KB显微成像各通道反射率特征(b)2 kJ/1 ns激光驱动背光的1000目Ni网格成像(c)两端黑腔驱动内爆热斑成像

      Figure 11.  Throughout response of the multi-layer coated KB microscope(a)and the backlit image of an 1000# Ni mesh(b)and the hot spot image in the hohlraum driven implosion(c)

    • 传统KB显微成像系统的空间分辨和有效视场范围主要受到单球面镜或柱面镜的成像光轴上像差和轴外像差的限制。为进一步提升X射线显微成像的空间分辨和高分辨视场范围,目前正在发展基于多镜结构的先进KB显微成像系统,包括大视场KBA显微成像系统和STTS型四镜结构AKB显微成像系统。

      KBA显微成像系统主要用于扩大高分辨成像视场范围,其成像原理是在每一个成像维度均放置两块球面反射镜,第一块为场镜,第二块为光阑镜,通过双镜成像对离轴物点的像差进行修正,如图12所示。KBA显微成像系统的反射率随着反射镜数量增加而有所下降,但高分辨成像视场有效范围可扩展至1 mm以上,对流体力学不稳定性背光成像和内爆靶丸缺陷扰动流体增长成像等物理实验具有较高的应用前景。我国神光装置上研制了一套KBA-KB混合编组成像系统对KBA成像技术进行验证,即在子午成像方向采用双镜KBA成像结构,在弧矢方向仍保留单镜KB成像结构,如图13(a)所示,子午镜物距为225 mm、像距4.5 m、曲率半径62 m、场镜镜长30 mm、光阑镜镜长15 mm,弧矢镜物距为252 mm、镜长15 mm、曲率半径22 m。为实现成像能点的选择,弧矢镜采用分区镀膜技术,上半区采用Cr/C多层膜对2.5 keV附近能区成像,下半区采用W/B4C多层膜对4.4 keV附近能区成像。图13(b)是KBA-KB两个成像通道对激光驱动Mo和Sc背光的600目Au网格成像,子午KBA镜成像视场比弧矢KB镜视场显著增加,子午成像视场在整个激光光斑发光区(~600 μm)均能清晰成像,预期当背光源面积增加后仍能在1 mm范围内实现较高成像质量。根据网格图像,KBA-KB显微成像视场中心区间分辨优于5 μm,初步验证了KBA显微成像应用于大视场高分辨背光成像诊断的可行性。

      图  12  KBA显微成像系统每一成像维度的成像原理示意图

      Figure 12.  Schematic diagram of imaging principle for each imaging dimension of KBA micro imaging system

      图  13  (a)双通道KBA-KB成像系统结构示意图(b)600目Au网格背光成像

      Figure 13.  (a)structural diagram of dual channel KBA-KB imaging system;(b)the backlit image of an 600# Au mesh

      AKB显微成像系统预期可实现中高能X射线显微成像空间分辨的显著提升,如图14所示,两个成像维度(S方向和T方向)分别采用双曲面镜和椭圆面镜组合的成像结构实现对轴上像差抑制和轴外像差降低。目前正在发展的AKB成像系统采用两块双曲面镜和椭圆面镜串联组合结构,即下图的STTS结构(S方向双曲面镜、T方向双曲面镜、T方向椭圆面镜和S方向椭圆面镜),实现两个成像维度的等效物像距、放大倍率和空间分辨比较接近的光学设计。S方向物距设计为195 mm、放大倍率23.9,T方向物距设计为210 mm、放大倍率25。前三块反射镜采用全反射单层Pt膜以提高X射线反射率,掠入射角为0.45°,最后一块反射镜采用W/Si周期多层膜实现8 keV附近能区的准单能成像,掠入射角为1.04°。目前该系统即将完成研制,根据反射镜实际参数的成像模拟结果,预期可实现400 μm视场范围内空间分辨优于3 μm。

      图  14  (a)AKB成像系统结构示意图(b)弧矢方向和子午方向的AKB成像光路示意图

      Figure 14.  (a)structural diagram of the AKB imaging system;(b)optics diagram of the AKB imaging in Sagital and Tangential directions

      高空间分辨KB显微成像诊断技术已经逐渐成为神光装置聚变物理实验中的重要诊断技术途径,在ICF内爆热斑状态诊断和流体力学不稳定性增长诊断展示出了显著技术优势。随着ICF内爆物理研究对热斑界面细节空间结构关注度的提升,热斑X射线发射能谱空间分布的诊断需求,靶丸密度升高对高能X射线成像的需求以及热斑三维不对称性诊断等新的诊断需求逐渐凸显。神光装置上发展的KB显微成像诊断技术目前正在朝着更高空间分辨能力、多能点X射线显微成像能力、高能区X射线显微成像技术和基于多视角测量的热斑三维重建方法等方面不断努力。

    • 晶体具有固定的晶格排列,能够对满足Bragg条件的X射线进行衍射,因此晶体是天然的X射线单色器,广泛应用于同步辐射等X射线源的单色器设计和高能量密度物理实验中光谱诊断测量。常用的石英、硅等单晶薄晶片,具有一定的延展性,通过特定的工艺,能够形成不同曲面面型的弯曲晶体,其中球面面型的弯晶能够实现X射线的两维聚焦功能,不仅可以用于高效率光谱测量,还能够用于单能的高分辨、大视场成像测量。

      球面面型的弯曲晶体是单能成像技术的核心元件。与用于光谱测量的弯曲晶体不同,用于成像的球面弯晶对整体面型精度的要求更高。成像型球面弯晶面型精度控制包括大尺度曲率半径的一致性和小尺度面型畸变控制。大尺度曲率半径的一致性会影响不同区域X射线聚焦的实际位置,从而影响成像设计,引入更大的一级像差;小尺度面型畸变会影响局域区域的成像质量,基于球面弯晶的单色成像系统通常采用微点光源大收光角设计,在这种排布设计下,样品的不同位置利用球面弯晶的不同区域进行衍射成像,晶面微小的形变会导致图像对应区域的畸变。高精度成像型球面弯晶的制备关键在于均匀面型的压弯控制和形貌保持技术。目前,神光系列装置上的球面弯晶单色成像诊断系统,已采用自研的成像型球面弯晶作为成像元件。中物院自研球面弯晶及激光成像测试结果如图15所示。

      图  15  (a)中物院激光聚变研究中心自研球面弯晶及(b)激光装置成像测试结果

      Figure 15.  (a) Spherically bent crystal samples fabricated by LFRC and (b) the test result at laser facility

      球面弯晶单能成像技术采用球面镜成像原理。通过成像排布的设计,能够实现不同的成像方式,进行一维、二维背光和自发光成像应用。在ENEA研究所‘Hercules’激光装置[18]、NRL(Naval Research Laboratory)实验室的Nike KrF激光装置等小型激光装置上[19],演示了基于球面弯晶的不同成像排布和成像原理。受限于激光和靶室排布,球面弯晶单能成像技术应用于大型激光装置,在背光源距离、成像角度选择上存在很强的约束,同时需要考虑打靶碎片等对晶体的损伤等因素。基于背光成像的原理,我们推导出背光排布下球面弯晶成像系统的空间分辨与背光源尺寸、背光源距离以及成像排布的解析关系[20],用于成像系统在不同实验应用场景下的优化设计[21]

      $$ {\sigma _{\rm{m}}} = \left| {\frac{{aR\sin \theta - 2ab + bR\sin \theta }}{{2pb - (p + b)R\sin \theta }}} \right| \times \frac{{{d_{\rm{s}}}}}{2} $$ (1)
      $$ {\sigma _{\rm{m}}} = \left| {\frac{{aR - 2ab\sin \theta + bR}}{{2pb\sin \theta - (p + b)R}}} \right| \times \frac{{{d_{\rm{s}}}}}{2} $$ (2)

      其中,p是背光源距离、ds是光源直径,a是物距,b是探测器位置,θ为Bragg角,R是晶体曲率半径。常规实验设计下,成像能点和球面弯晶曲率半径是确定的,激光装置打靶约束下,p-a通常设置为20 mm,利用优化关系,可以通过对光源大小、探测器位置和物距设置,实现测量所需的放大率、空间分辨的优化[22]

      球面弯晶单能成像系统作为X射线显微成像系统,利用高的放大倍数,实现对样品区域复杂等离子体环境的高分辨成像测量,获得精细的结构和分布信息。高精度的系统瞄准以及稳定的姿态控制保障了成像结果的精度和质量。通过模块化设计、一体化组装以及高精度复位设计,球面弯晶单能成像系统可以搭载在诊断搭载平台上,实现稳定、可靠的成像测量。

      图  16  诊断平台搭载球面弯晶单能成像系统结构示意图

      Figure 16.  Diagram of the monochromatic imaging system with spherical crystal which installed on the DIM

      球面弯晶单能成像系统应用于二维背光成像测量,能够获得约1 mm视场,5 μm均匀空间分辨的二维准单能图像。通过成像能点优化,能够提升微小扰动界面、冲击波波阵面透视成像的衬度,并且给出高精度的密度反演结果。现阶段已经广泛应用于神光系列装置流体力学不稳定性实验研究中,成为常规诊断设备,开展平面扰动样品、柱几何收缩几何扰动增长以及辐射冲击波轨迹等实验测量。

      图  17  球面弯晶单能成像系统应用于二维背光成像测量结果

      Figure 17.  2D radiography applications of the monochromatic imaging system with spherical crystal

      球面弯晶单能成像系统应用于一维背光成像测量,通过探测器位置优化,能够在空间维度获得比二维成像更高的空间分辨。与条纹相机配合,可以实现运动轨迹的测量。2012年,在神光II激光装置上,首次应用于惯性约束聚变内爆压缩流线的测量,获得单能内爆压缩流线图像[23]。通过对系统的不断优化,降低了背光光谱分布影响,图像信噪比提升至优于5:1,单能成像系统测量内爆速度不确定度优于5%。

      图  18  球面弯晶单能成像系统应用于内爆压缩流线测量结果

      Figure 18.  Implosion trajectory measurement by the monochromatic imaging system with spherical crystal

    • X射线分幅记录技术是激光惯性约束聚变(ICF)研究中重要的诊断技术之一。在物理实验中,配接简单的针孔成像[24],即可实现对X射线二维分幅成像能力,用于研究黑腔内等离子体运动以及内爆压缩过程等;配接具有高空间分辨成像能力的KB显微成像[25]或弯晶成像[26],即可实现对研究对象的二维高空间分辨分幅照相功能,可用于内爆过程中的热斑形貌演化诊断等。传统的X射线分幅照相技术,通过光阴极将X射线转化为光电子信号,然后依靠行波脉冲对MCP依次选通实现X射线的二维分幅成像功能[24],该技术空间分辨约为30 μm,时间分辨为60 ps。然而,随着美国NIC点火攻关计划的失败,需要对之前预估过低的不稳定性过程,尤其是内爆阻滞后期混合状态及热斑形貌等短时间尺度的物理过程(~100 ps)开展深入研究。为了对此类物理过程进行精细诊断及分析,亟需发展时间分辨能力更优的X射线时空诊断能力。

      受限于当前电子学器件的技术发展现状,依靠传统方式无法有效地提高分幅照相的时间分辨能力。2010年Hilsabeck等人利用时变电场对光电子进行加速,然后在漂移区对电脉冲进行20倍展宽,实现了门控时间优于10 ps、半宽达到20 ps的X射线分幅照相[27],为X射线分幅照相向更高时间分辨发展提供了全新的技术手段。基于该技术,Nagel等人在NIF装置中研制了X射线漂移成像系统(DIXI),对其技术指标进行了系统的测试和分析[28],为热斑形貌演化、燃料运动状态、热斑混合程度等深入研究提供了时间分辨高达20 ps的高时空分辨诊断能力[8]

      图19所示,电子漂移技术主要由加速区和漂移区组成。X射线通过成像系统(针孔、曲面晶体、KB等)成像至光阴极并产生光电子。在加速区,通过在阴极和栅网之间引入动态电场,使不同时间产生的光电子因受到不同强度电场的加速作用,而具有不同的动能,从而实现对电子群的“速度色散”。然后电子脉冲进入内有均匀磁场的漂移区,在磁场的作用下,不同动能的光电子加速度不同,从而在时间方向上产生线性漂移,最终实现光电子脉冲的时间放大展宽,形成对X射线的高时间分辨诊断能力。

      图  19  (a)SLOS结构图(b)光电子展宽原理示意图

      Figure 19.  (a)Single line-of-Sight(SLOS)X-ray imager.(b)schematic diagram of photoelectron expanding principle

      目前国内关于该技术主要有中科院西安光机所、深圳大学和中物院激光聚变研究中心在进行相关的研究。但是采用的技术路线有所不同。深圳大学采用的短磁聚焦的方式,这种方式借鉴的多磁聚焦透镜的概念,采用多透镜耦合调节空间分辨的方式,其空间分辨率比较高,目前动态空间分辨已经可以达到10 lp/mm,视场达到4 mm左右。中科院西安光机所和中物院激光聚变中心采用的都是长磁聚焦的技术。该技术较简单易行,但是由于空间电荷效应影响严重,空间分辨难以提高。目前静态空间分辨只能达到8 lp/mm左右。国内深圳大学做的短磁聚焦系统,目前的时间分辨已经可以达到10 ps,基本达到了美国的时间分辨的水平。

      该技术国内的积累还不够,主要关键技术包括:(1)长磁或短磁系统的精密装配问题,(2)斜波电压加载的均匀性问题,(3)记录系统的噪声和电场耦合问题。该系统的装配与光学元件的装配原理是相同的,偏离中心设计值的机械偏差,都会影响后续的分辨率的提高。斜波电压加载是另一个问题,由于在图20的阴极上斜波电压的传输需要时间,从而会导致不同位置的电场强度、到达时间均有差别,最终会影响空间分辨的均匀性。目前美国GA公司采用的方法是四点馈入法,从四个方向导入斜波波形,让他们在阴极里面合成为一个最终的斜波电压[29]。目前最好的时空分辨技术SLOS的记录系统是多分幅的hCMOS。这是一种固体分幅器件,可以实现门宽1 ns,4分幅的效果。但是国内相关技术的积累比较薄弱,无法完全照搬该技术。与此对应的技术,就是用分幅相机来记录漂移管的信号。由于经过漂移管以后,高能电子直接照射记录MCP系统,会导致造成增加,降低信号的对比度,所以该技术的优化还需要花费国内研究人员较多地精力。图21为国内深圳大学已经完成的双磁聚焦透镜漂移管的工程样机的部分照片和实验结果。可以看到,短磁聚焦透镜的体积较大,其小型化将是该技术实用化的一个重要内容。另外,其空间分辨可以采用调节两个磁聚焦透镜电流的方式进行调整。图21中画红圈的部分,其空间分辨已经达到10 lp/mm。

      图  20  (a)四端馈入阴极结构示意图(b)四通道合成波形

      Figure 20.  (a)Schematic diagram of four end fed cathode structure(b)Four channel composite waveform

      图  21  (a)双镜头短磁聚焦透镜漂移管照片(b)调节两个磁透镜的电流,可以获得10 lp/mm的分辨

      Figure 21.  (a)Photo of drift tube of double lens short magnetic focusing lens(b)Adjust the current of two magnetic lenses to obtain 10 lp / mm resolution

    • 中子成像系统(NIS)能够同时用于内爆压缩靶丸热核聚变反应区和冷燃料区的尺寸和形状测量,为内爆性能评估提供重要的物理信息,包括内爆对称性、壳层密度均匀性和热核聚变反应体积等。由于热核聚变反应发生在阻滞时刻附近,热核反应区域半径仅约30 μm,中子成像系统必须具备高空间分辨能力,即空间分辨率优于10 μm。

      中子成像系统用于ICF内爆物理研究始于1988年,Davis Ress等人[30]利用半影成像原理,在NOVA装置上成功测量到直接驱动充DT气体玻璃球靶内爆中子发射图像,其空间分辨率为80 μm;随后,在OMEGA装置上利用一系列不断优化设计的中子成像系统[32-34],对内爆中子发射图像进行了测量,主要优化部件包括成像孔(双圆锥孔、双方锥孔、环形孔和三角锥孔阵列)和探测器灵敏单元尺寸(从1.5 mm×1.5 mm方形闪烁光纤到ϕ65 μm灌装液体闪烁体毛细管阵列),2012年系统空间分辨率达到15 μm[35];结合NOVA与OMEGA装置中子成像系统的研发经验与性能参数,2010年NIF完成了由二十个三角锥孔和三个半影孔组成的编码孔设计[36-38],并在图像重建算法、编码孔位置表征、NIS瞄准精度表征和内爆物理实验研究等方面开展了一系列研究工作。随后,利用十年时间完成了另外两套中子成像系统的建设[39, 40]。NIF上三套中子成像系统的视线相互垂直,从而具备了三维中子发射区图像重建能力。

      决定NIS性能的主要因素包括编码孔形状、瞄准技术、图像重建技术、中子图像探测系统性能和准直屏蔽。应用于激光驱动聚变中子发射区测量的中子成像系统采用两种成像技术,即适用于低产额(>1×1013)的半影成像诊断技术和适用于高产额(>1×1015)的针孔成像诊断技术,且成像组件从单半影孔结构演化到多类型多孔阵列结构。

      只有当中子产额达到1×1015以上,且采用多针孔阵列,才能保证信噪比达到10以上。就信噪比改善效果而言,20个针孔等效于总中子产额增加一个量级。R. A. Lerche等人细致分析了半影成像技术测量图像中有效信号和干扰信号的来源,并推导出信噪比的表达式[41]

      $$ R_{\rm{SN}} = \sqrt {\varepsilon \frac{{{{\left( {1 - \tau } \right)}^2}}}{{1 + \tau }}\frac{{{R_2}\delta {R^5}}}{{4L{o^2}}}\frac{{{Y_n}}}{{D_{\rm{S}}^4}}} $$ (3)

      其中,$\tau = {e^{ - l/{l_{{\rm{mfp}}}}}}$为中子在特定厚度材料中的透过率,${R_2}$为半影孔中心半径,${D_{\rm{S}}}$为中子源直径。$\delta R$为成像系统空间分辨率,其取决于编码孔几何分辨率${\delta _{{\rm{bic}}}}$、探测器单元尺寸${\delta _{{\rm{pix}}}}$、反冲核平均自由程${\delta _{{\rm{rec}}}}$和系统放大倍数$G$,可表示为

      $$ \delta R = \sqrt {\delta _{{\rm{bic}}}^2 + {{\left( {2{\delta _{{\rm{pix}}}}/G} \right)}^2} + {{\left( {{\delta _{{\rm{rec}}}}/G} \right)}^2}} $$ (4)

      由于${\delta _{{\rm{pix}}}}$小于0.5 mm,且对于普通塑料闪烁体或液体闪烁体,${\delta _{{\rm{rec}}}}$约为0.5 mm,仅当放大倍数达到50以上时,${\delta _{{\rm{pix}}}}$${\delta _{{\rm{rec}}}}$的贡献小于20 μm,成像系统空间分辨率才可能优于20 μm。同时,为了保证信噪比优于10,在半影孔尺寸为mm量级时,则要求中子产额达到1×1013。对于单半影孔结构而言,其视场范围通常为250 μm,考虑到激光驱动聚变中子源尺寸为50~100 μm,则要求瞄准精度优50 μm。

      随着100 kJ激光装置投入运行,国内ICF内爆中子产额达到1×1013,初步具备了中子半影成像技术应用条件。我国应用于ICF的中子半影成像技术研究起步于21世纪初,经过十余年的发展[42-45],现已建立了基于关键元器件研制和关键技术研究的中子半影成像技术研究体系。

      为了研究半影孔尺寸与中子成像系统性能的关系,基于几何模型(见图 22)建立了快速参数扫描分析程序。用寻求最优的点扩散函数的方法在确定R1的前提下,扫描其他参数,获得最优参数集。通过选定编码孔长度d、前后端面编码孔半径R1R3,扫描编码孔中心半径R2和物距Lo可以得到编码孔几何分辨率、FOV与R2Lo的依赖关系。选取FOV,且几何分辨率最小,则可唯一确定R2Lo。对R3进行扫描,获得一系列最优R2Lo,从而确定几何分辨率,如图23所示。几何分辨率随R3的减小而减小,但对应最优物距不断增加,这要求像距也不断增加以保证足够大的放大倍数。像距通常是受装置外围可用空间尺寸限制的,因此不能盲目的选用较小R3以提高几何分辨率。

      图  22  中子半影成像几何模型

      Figure 22.  Geometric model for neutron penumbral imaging

      图  23  编码孔几何尺寸设计及对应几何分辨率

      Figure 23.  Designed biconic-shaped geometric aperture parameter and the spatial resolution contributed by the aperture

      编码孔长度决定了暗区本底信号强度,非零中子透过率将降低测量图像的信噪比。为了控制暗区本底信号强度至中心亮区的0.1以下,考虑到W材料中14 MeV中子平均自由程约为3 cm,选择编码孔厚度为9 cm,此时暗区本底信号强度为中心亮区的0.05。为了获得较高空间分辨的高信噪比图像,可参考OMEGA所用编码孔尺寸,适当扩大孔径大小。这里选择将R1从0.3 mm扩大到0.6 mm,且FOV为250 μm,则可以根据几何模型计算最优R2R3Lo组合。考虑到100 kJ装置靶场区域最大可用距离约为10 m,选取Lo=190 mm,可保证放大倍数达到50倍,对应R2R3分别为0.74 mm和0.95 mm,空间分辨率为20~25 μm。当中子产额达到1×1013时,信噪比约为10,满足图像测量要求。基于上述设计参数,现已完成了半影孔的加工,其中,半影孔圆度最大偏差为7.3 μm,满足中子半影成像需求。

      中子图像探测器是中子成像系统的核心组件,空间分辨率和探测效率是中子图像探测器的关键技术指标。100 kJ激光装置中子成像系统采用灌装液体闪烁体的毛细管阵列作为中子梯形探测器,有效直径达到150 mm,厚度为100 mm,毛细管内径约为100 μm,在毛细管之间的空隙中插入黑丝,以减小光的串扰。利用加速器中子源照射钨块端面,中子图像探测器位于钨块后端,记录中子图像,可获得钨边图像。沿钨边对图像进行积分,得到信号强度分布,从而获得中子图像探测器的线扩展函数,如图24所示。实验结果表明,中子图像探测器空间分辨率优于1.1 mm。

      图  24  中子图像探测器线扩展函数实验测量结果

      Figure 24.  Measured line-spread function of the neutron image detector

      100 kJ激光装置中子成像系统将于近期应用于内爆物理实验研究。考虑到中子产额仍有一定的提升空间,将尝试采用更小的半影孔设计和三角锥孔设计,将中子成像系统空间分辨率提升至约15 μm。另外,通过增加放大倍数和提升中子图像探测系统空间分辨率,有望进一步提升中子成像系统性能。

    • 计算成像技术是近年来逐渐兴起的一个新的方向。当硬件系统的参数指标由于工业水平的限制只能达到某一状态。例如现有的条纹相机与分幅相机技术由于技术框架的限制,很难将二者融合。还有,现有的成像技术基本限于二维测量,无法进行三维诊断等。而通过计算成像技术,在一定程度上可以完成条纹分幅技术的融合,二维-三维技术的过渡。从而为ICF诊断技术开辟新的研究方向。在ICF物理实验诊断中,如果能捕获目标的三维图像,将大大提高现有系统的诊断性能和诊断效率,对ICF研究具有重要的意义。ICF领域的二维程序向三维程序过度的过程中,需要三维技术提供的数据作支撑。上面提到的三维中子成像技术与这里的光场成像技术都将为后续三维成像技术提供支撑。

      光场成像是一种新兴的计算成像方法,目前在可见光领域比较成熟,但是在X射线领域,还需要从成像系统构成、算法反演等几个方面作“本土化”的工作。可以同时记录场景中所有光线的二维方向信息和二维位置信息,根据光场理论可以计算得到目标的深度信息,其在三维成像上具有结构简单,分辨率高等优点。目前中物院激光聚变研究中心已经在该方向做了初步的探索,为后续建立该技术做了一定的准备工作。

      光场三维成像的关键在于利用光场相机记录的四维光场数据计算得到目标的深度信息,目前主要有视差法、聚焦堆栈法等。基于微透镜阵列的光场相机的成像原理如图25所示[46]图25中,A1为空间中一点A经过主透镜所成的像点,微透镜阵列位于主镜的一倍焦距处,成像传感器位于微透镜阵列的一倍焦距处。

      图  25  基于微透镜阵列的光场相机成像原理图

      Figure 25.  Principle of the light field camera

      视差法是通过获取同一物体在两幅或者多幅视图下的视差信息,利用几何光学原理来计算目标深度信息的方法,关键在于建立两幅图像中对应像点之间的相关性描述,相关性越大,这两个像点对应于空间中同一物点的可能性越高。一般选择位于光场相机子孔径图像阵列中心处的图像作为参考图像,其余子孔径图像作为待匹配图像,不同子孔径图像所蕴含的视差信息不同,待匹配图像中任意一点与参考图像中像素点之间的相关性可以通过距离测度函数来度量[47]。设s为以像素为单位的视差,像素单元之间的距离为d,则有:

      $$ \frac{s}{B} = \frac{F}{{dZ}} - \frac{F}{{d{Z_0}}} $$ (5)

      式中,B为相邻视点u1u2之间的距离,Z为物点A到主透镜平面的距离,Z0为聚焦面到主透镜平面的距离,F为微透镜阵列与主透镜之间的距离。根据式(5)可以计算得到像点所对应的空间物点的深度信息。

      聚焦堆栈法是目前常用的深度估计方法,光场成像与传统成像相比,优势之一就是可以通过数字重聚焦算法认为的指定焦面的位置,实现“先拍照”,“后对焦”,应用场景更加灵活。聚焦堆栈法就是基于数字重聚焦算法进行深度估计,通过重聚焦算法计算得到一系列聚焦在不同深度的二维图像[46],使用清晰度评价函数来确定图像的清晰程度[48],像点的深度为其最清晰时所在的图像聚焦深度。基于光线追迹的数字重聚焦算法的公式为:

      $$ {E_{\left( {\alpha \cdot F} \right)}}\left( {x',y'} \right) = \frac{1}{{{\alpha ^2}{F^2}}}\iint {{L_F}\left( {\frac{{x'}}{\alpha } + u\left( {1 - \frac{1}{\alpha }} \right),\frac{{y'}}{\alpha } + v\left( {1 - \frac{1}{\alpha }} \right),u,v} \right){{\cos }^4}\theta {\rm{d}}u{\rm{d}}v} $$ (6)

      其中,${E_{\left( {\alpha \cdot F} \right)}}\left( {x',y'} \right)$为目标通过成像探测系统在光场探测相机上面的光强分布,F为像与主镜之间的距离,F’为重聚焦像面与主镜之间的距离,$\alpha = F'/F$$L_F^{\left( {u,v} \right)}$对应主镜$\left( {u,v} \right)$处子孔径图像的光亮度。经过重聚焦、清晰度评价得到物体的深度信息即可完成对目标的三维重构。

      利用光场相机捕获的四维光场信息,可以反演得到物体的深度信息,进而对物体进行三维重构,若能应用于ICF物理实验诊断,如内爆实验中的热斑成像等,将对ICF诊断产生巨大的推动作用。

    • 随着激光ICF研究的深入,其诊断技术的需求已经向高时间、高空间、高能谱、高效率、抗辐射、高可靠性方向转变。时间分辨技术要求达到10 ps,空间分辨要求达到3 μm以下,能谱分辨达到2000~5000,效率提升要求1~2个数量级。同时大部分的用于光学和X射线诊断的诊断设备要在1014~1017中子产额状态下正常工作,这就对抗辐射加固提出了新的要求。甚至为了满足抗辐射加固的要求,对应的诊断系统技术方案也需要做调整,甚至要牺牲部分特别极端的指标。同时,为了减小未来诊断人员的工作量,需要在模块化、可靠性方面做新的设计,以实现未来设备远程、自动化要求。因此,未来的高时空诊断技术将是更高需求背景下的技术指标和工程可靠性的综合体。目前,我们的诊断系统设计已经在朝这个方向努力。相信经过诊断团队人员的扎实工作,一定会在高时空诊断技术领域做出中国人独特的贡献。

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