超環面晶體：讓X射線衍射聚焦成像診斷不再“散光”

　　X射線晶體衍射診斷技術

　　大型激光裝置診斷領域中，基于晶體衍射元件的 X 射線晶體衍射診斷技術是一種重要的方法和技術手段。在慣性約束聚變（inertial confinement fusion, ICF）實驗研究中需要對等離子體X射線實現單色聚焦成像診斷，由于部分晶體具有內部原子周期性規則排列特性、以及晶格間距與X射線波長數量級相近的特性，采用晶體作為衍射聚焦元件應用于X射線光譜及成像診斷譜儀，可以有效獲得等離子體X射線的相關物理信息，因此晶體衍射診斷譜儀是ICF光譜診斷儀器中重要的組成部分。

　　在X射線晶體衍射診斷技術中，X射線衍射晶體的衍射方式與晶體晶格常數的選擇，主要取決于射線通量需求與能量診斷范圍。與其他診斷方式相比，晶體衍射診斷技術具有結構簡單、操作方便的優勢。在大型激光裝置等離子體X射線診斷中，Bragg型X射線晶體衍射聚焦診斷系統一直得到較為廣泛的應用，如采用X射線衍射晶體耦合條紋相機可以獲取靶丸聚爆過程的時間和空間演化過程，為輻射驅動與靶丸的最佳耦合設計提供實驗依據。

　　基于特殊面型晶體元件的衍射聚焦結構設計一直是X射線晶體衍射診斷技術的關鍵研究方向。對各類X射線診斷系統而言，同時具備無像差空間分布-強聚焦譜線分布診斷能力的新面型結構晶體元件的使用，將極大增強X射線晶體衍射診斷系統的診斷潛力。

　　基于超環面晶體的X射線-衍射聚焦成像技術

　　近日，重慶郵電大學、重慶大學及中國工程物理研究院激光聚變研究中心聯合課題組設計制備了一種超環面面型的X射線衍射聚焦成像診斷系統，克服了子午/弧矢面具有散焦不重合像差、衍射聚焦Bragg角須接近90°等問題。利用特征峰能量為4.75 keV的Ti靶激光裝置、完成了X射線背光成像實驗研究，其中超環面α-quartz晶體的子午面和弧矢面半徑分別為295.6 mm、268.5 mm，實際成像空間分辨率為10 μm，所完成實驗診斷結果表明超環面結構X射線衍射聚焦診斷系統具有無子午/弧矢面像差、強聚焦、高空間分辨率的特點。

　　相關成果發表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第6期的文章。

　　Miao Li, Tong Yao, Zuhua Yang, et al. Designing a toroidal crystal for monochromatic X-ray imaging of a laser-produced He-like plasma [J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(6): 06000e37

　　該超環面X射線晶體衍射聚焦成像系統光路如圖1所示，包括前端準直器、超環面X射線衍射晶體以及成像探測器。其中，針對Ti靶4.75 keV的Kα射線進行衍射聚焦成像，采用多層近似動力學衍射方程對X射線超環面衍射聚焦過程及成像系統關鍵參數進行了設計計算。采用α-quartz晶體設計制備超環面衍射聚焦元件，衍射布拉格角為72.3°，晶體子午面半徑為295.6 mm，弧矢面半徑為268.5 mm，成像物距為281.6 mm，成像目標為100 μm×100 μm(間隔為50 μm)陣列柵格，成像面到晶體中心距離為850 mm，放大比5倍。設計仿真超環面晶體衍射效率曲線、衍射聚焦圖像及系統診斷獲得柵格圖像如圖2所示。

　　圖1 超環面X射線衍射聚焦成像系統光路圖及超環面晶體X射線動力學衍射效率分布

　　圖2 超環面X射線衍射聚焦成像仿真結果(a)及實驗診斷獲取柵格圖像(b)及分辨率分析(c)

　　傳統晶體衍射聚焦背光成像的羅蘭圓直徑與球面面型的彎曲半徑相等，羅蘭圓上點源的X射線經晶體衍射后仍在羅蘭圓上一點聚焦，羅蘭圓所在平面即為子午面。然而，在垂直于羅蘭圓平面的弧矢面上，球面彎晶對X射線的作用可看作為一個凹面鏡，可將X射線聚焦在該平面另一焦點處。由于子午面和弧矢面上的成像焦點不在同一位置，傳統成像結果存在較大的像差。為了盡可能地減小成像像差，晶體衍射的Bragg角須接近90°，這限制了X射線晶體衍射聚焦診斷系統的能量選擇范圍。為了解決傳統背光成像系統中的不足，本文在衍射聚焦晶體面型設計及制備過程中通過使弧矢面及子午面曲率保持固定比值，且該比值只與布拉格角有關，設計了子午面和弧矢面上具有不同曲率半徑的超環面晶體衍射聚焦結構，使得弧矢面及子午面的射線在同一焦點聚焦，且具有固定并相同的成像放大倍數。如圖3所示。

　　圖3 超環面晶體衍射聚焦子午面與弧矢面光路原理圖

　　總結與展望

　　所建立的超環面面型晶體成像診斷系統，在給定X射線能量條件下通過優化曲率半徑來減少圖像像散，該功能可在不同X射線能量下對聚爆等離子體進行高分辨率X射線成像分析。后期將進一步考慮射線源尺寸大小對成像空間分辨率的影響，以及晶體內在缺陷和表面形變使得射線傳播路徑偏移引起的散焦現象，來完成更多改進工作。