一種基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備的制作方法

本發明屬于電子溫度探測領域，具體涉及一種基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備。

背景技術：

慣性約束聚變（ICF）靶丸內爆壓縮的最終目標是熱斑物質達到高的溫度和高的面密度，熱斑的溫度和面密度是聚變點火的重要判斷依據。其中溫度是產生聚變反應所需的必要條件，只有達到一定的溫度，聚變反應才可能發生。因此對電子溫度的精確探測是研究潛含在熱斑狀態下物理問題的基礎之一，更是研究聚變點火的重點和難點。

而現有診斷技術及設備存在著以下不足：1、現有各種多通道電子溫度探測設備在觀測靶點同一位置時，由不同通道之間視角差異，所引入的視場差別難以規避。2、電子溫度探測設備主要利用針孔或者狹縫提供空間分辨，但針孔或狹縫成像，空間分辨率（約10μm）與集光效率（約10^-9sr量級）較低，對于諸如神光III主機大型激光裝置熱斑70μm～100μm的典型尺寸及較低的X光發射強度而言，顯得不足。3、目前國際上通常在熱斑中摻雜少量的中高Z元素，通過測量摻雜元素的譜線來給出熱斑電子溫度，而摻雜元素的輻射制冷效應是不可忽視的問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備。

本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備，其特點是，所述的ICF熱斑電子溫度探測設備包括位于子午方向、反射面相對的球面物鏡Ⅰ和球面物鏡Ⅱ，位于弧矢方向、反射面向上的復合球面物鏡Ⅲ和X射線的成像板；熱斑通過間接或直接驅動慣性約束聚變ICF靶丸內爆獲得，熱斑發射的X射線沿光路Ⅰ入射到球面物鏡Ⅰ反射至復合球面物鏡Ⅲ的反射面Ⅰ后截取能量帶E₁的X射線，在成像板上成像為二維的單能像Ⅰ，球面物鏡Ⅰ的反射面和復合球面物鏡Ⅲ的反射面Ⅰ構成一個Kirkpatrick-Baze 鏡通道即KB鏡通道Ⅰ；所述的熱斑發射的X射線沿光路Ⅱ入射到球面物鏡Ⅱ反射至復合球面物鏡Ⅲ的反射面Ⅱ后截取能量帶E₂的X射線，在成像板上成像為二維的單能像Ⅱ，球面物鏡Ⅱ的反射面和復合球面物鏡Ⅲ的反射面Ⅱ構成另一個KB鏡通道Ⅱ；所述的單能像Ⅰ和單能像Ⅱ的信號傳輸至激光磷屏分析儀進行識別，之后通過數據處理獲得熱斑的二維電子溫度；

所述的復合球面物鏡Ⅲ的中心位于球面物鏡Ⅰ和球面物鏡Ⅱ的對稱面上，成像板的豎直對稱面與球面物鏡Ⅰ和球面物鏡Ⅱ的對稱面重合；

所述的反射面Ⅰ和反射面Ⅱ上分別涂覆有窄能帶X光多層膜。

所述的熱斑和球面物鏡Ⅰ的中心的連線Ⅰ與熱斑和球面物鏡Ⅱ的中心的連線Ⅱ的夾角θ，即兩個通道相對熱斑的夾角θ，夾角θ所引入的最大視場幾何差別小于KB鏡通道Ⅰ和KB鏡通道Ⅱ的空間分辨的二分之一。

所述的球面物鏡Ⅰ和球面物鏡Ⅱ的反射面上涂覆有單層金屬膜。

所述的反射面Ⅰ上的窄能帶X光多層膜為依據Bragg衍射原理獲得能量帶E₁的X光多層膜，反射面Ⅱ上的窄能帶X光多層膜為依據Bragg衍射原理獲得能量帶E₂的X光多層膜。

所述的能量帶E₁和能量帶E₂的寬度小于等于0.5keV，能量帶E₁和能量帶E₂之間的間隔大于0.5keV。

本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備的工作過程如下：

慣性約束聚變ICF中內爆熱斑發出高能X射線，該X射線經過子午方向的球面物鏡Ⅰ和球面物鏡Ⅱ反射，僅有低于能量帶E₁和能量帶E₂的不同截止能點的X射線被反射，形成兩個一維成像，而后再經過弧矢方向的復合球面物鏡Ⅲ反射后在像面即X射線的成像板上形成兩個通道的二維單能成像。所獲得的X光二維的單能像Ⅰ和單能像Ⅱ由成像板記錄，利用激光磷屏分析儀掃描成像板，即可得到該X光二維的單能像Ⅰ和單能像Ⅱ的二維分布圖像。結合兩個KB鏡通道以及成像板的標定數據，通過對比兩個圖像的強度，即可得出熱斑電子溫度的二維分布絕對量。由于兩個通道相對熱斑的夾角θ所引入的最大視場幾何差別小于KB鏡通道Ⅰ和KB鏡通道Ⅱ的空間分辨的二分之一，通道間的視場差別得到有效規避，因而所得結果為準同視軸的熱斑電子溫度信息。

本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備能夠實現準同視軸的ICF熱斑電子溫度定量探測，空間分辨率達到3μm -5μm，集光效率達到10^-11～10^-12sr量級，可探測到高空間分辨熱斑電子溫度。本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備還可直接對ICF熱斑氘氚燃料軔致發射X射線進行測量，無需摻雜，避免輻射制冷效應，具有廣闊且重要應用前景。

附圖說明

圖1為本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備的結構示意圖。

圖中，1.熱斑 2.球面物鏡Ⅰ 3.球面物鏡Ⅱ 4. 復合球面物鏡Ⅲ 5.成像板 6.單能像Ⅰ 7.單能像Ⅱ 8.反射面Ⅰ 9.反射面Ⅱ。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

如圖1所示，本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備包括位于子午方向、反射面相對的球面物鏡Ⅰ2和球面物鏡Ⅱ3，位于弧矢方向、反射面向上的復合球面物鏡Ⅲ4和X射線的成像板5；熱斑1通過間接驅動慣性約束聚變ICF靶丸內爆獲得，熱斑1發射的X射線沿光路Ⅰ入射到球面物鏡Ⅰ2反射至復合球面物鏡Ⅲ4的反射面Ⅰ8后截取能量帶E₁的X射線，在成像板5上成像為二維的單能像Ⅰ6，球面物鏡Ⅰ2的反射面和復合球面物鏡Ⅲ4的反射面Ⅰ8構成一個Kirkpatrick-Baze 鏡通道即KB鏡通道Ⅰ；所述的熱斑1發射的X射線沿光路Ⅱ入射到球面物鏡Ⅱ3反射至復合球面物鏡Ⅲ4的反射面Ⅱ9后截取能量帶E₂的X射線，在成像板5上成像為二維的單能像Ⅱ7，球面物鏡Ⅱ3的反射面和復合球面物鏡Ⅲ4的反射面Ⅱ9構成另一個KB鏡通道Ⅱ；所述的單能像Ⅰ6和單能像Ⅱ7的信號傳輸至激光磷屏分析儀進行識別，之后通過數據處理獲得熱斑1的二維電子溫度；

所述的復合球面物鏡Ⅲ4的中心位于球面物鏡Ⅰ2和球面物鏡Ⅱ3的對稱面上，成像板5的豎直對稱面與球面物鏡Ⅰ2和球面物鏡Ⅱ3的對稱面重合；

所述的反射面Ⅰ8和反射面Ⅱ9上分別涂覆有窄能帶X光多層膜。

所述的熱斑1和球面物鏡Ⅰ2的中心的連線Ⅰ與熱斑1和球面物鏡Ⅱ3的中心的連線Ⅱ的夾角θ，即兩個通道相對熱斑的夾角θ，夾角θ所引入的最大視場幾何差別小于KB鏡通道Ⅰ和KB鏡通道Ⅱ的空間分辨的二分之一。

所述的球面物鏡Ⅰ2和球面物鏡Ⅱ3的反射面上涂覆有單層金屬膜。所述的球面物鏡Ⅰ2的反射面上涂覆的單層金屬膜的材料為鉬，球面物鏡Ⅱ3的反射面上涂覆的單層金屬膜的材料為銅。

所述的反射面Ⅰ8上的窄能帶X光多層膜為依據Bragg衍射原理獲得能量帶E₁的X光多層膜，反射面Ⅱ9上的窄能帶X光多層膜為依據Bragg衍射原理獲得能量帶E₂的X光多層膜。

所述的能量帶E₁和能量帶E₂的寬度小于等于0.5keV，能量帶E₁和能量帶E₂之間的間隔大于0.5keV。

本實施例中KB鏡通道Ⅰ和KB鏡通道Ⅱ的空間分辨是3μm～5μm，成像放大倍數是7.5，之間的夾角θ是0.9°，由于采用了復合球面物鏡的設計從而節省空間，因而能夠達到0.9°。子午方向的球面物鏡Ⅰ 2和球面物鏡Ⅱ 3以及弧矢方向的復合球面物鏡Ⅲ 4均是5mm大小，X射線的成像板5是15cm大小。基于KB鏡基本原理，KB鏡通道Ⅰ對熱斑1發出的能量帶E₁為3.5±0.25keV X 射線進行二維單能成像，所成像為X光二維的單能像Ⅰ6。基于KB鏡基本原理，KB鏡通道Ⅱ對熱斑1發出的能量帶E₂為8±0.25keV X 射線進行二維單能成像，所成像為X光二維的單能像Ⅱ 7。神光III主機大型激光裝置上間接驅動ICF靶丸內爆過程中典型熱斑1尺寸為70μm～100μm。

本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備，要求對熱斑獲取準同視軸內兩個能量帶的譜線強度。對于ICF內爆熱斑單位質量的譜能輻射為：

（1）

其中，是電荷，是電子質量，是光速，是原子序數，是電子密度，是玻爾茲曼常量，是電子溫度，是質量數，是質子質量，是普朗克常量，是頻率，此時有：

（2）

及：

（3）

也就是說，只要探測到熱斑上兩種不同譜線的強度，就可以根據上述公式給出電子溫度，然而是與位置密切相關的，即，也就是以及必須來自同一個點（x，y）。然而目前多通道電子溫度診斷設備在觀測靶點同一位置時，由不同通道之間視角差異，所引入的視場幾何差別將會帶來，這個視場差既不僅包括二維投影截面幾何差異，還包括垂直于截面的空間探測路徑差異，因而難以得到電子溫度的精確結果。

這里提出將上述視場差最大值規避到KB顯微鏡空間分辨S的二分之一（取二分之一的原因是空間分辨帶寬是以視軸為中心線對稱分布的）以下，因此得出，進而得出電子溫度的精確結果，從而實現準同視軸的ICF熱斑電子溫度定量探測。

在神光III主機大型激光裝置上，目前常用較高空間分辨的多通道熱斑電子溫度探測設備各通道間最小視角差為5.45°，由此引入的視場幾何差別為3.65μm～5.20μm，并且大于了KB鏡的空間分辨二分之一范圍1.5μm～2.5μm，因而難以得到電子溫度的精確結果。而本發明的基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備中兩個通道間視角差異的夾角θ為0.9°，其所引入的視場幾何差別為0.56μm～0.79μm，并且小于了KB鏡的空間分辨二分之一范圍1.5μm～2.5μm，因此有效規避了視場差別的顯著影響，定義了準同視軸概念，同時結合KB鏡高集光效率、高空間分辨等優勢，直接測量熱斑1氘氚燃料軔致發射X射線，無需熱斑摻雜，給出電子溫度二維分布的精確信息，實現準同視軸的ICF熱斑電子溫度定量探測，為研究諸如慣性約束聚變ICF內爆熱斑重要物理狀態密切相關參數以及電子溫度及其與熱斑幾何之間的關系等物理問題做出了有益的探索。

假定P是基于準同視軸的ICF熱斑電子溫度探測設備對熱斑1所成X光二維的單能像上每一個點的強度，是X射線的成像板5的譜響應，是KB鏡通道的譜響應，則，因此，對于本實施例則，從而得出準同視軸的ICF內爆熱斑電子溫度二維分布的精確信息。

實施例2

本實施例與實施例1的結構相同，不同之處是，所述的熱斑1通過直接驅動慣性約束聚變ICF靶丸內爆獲得，所述的球面物鏡Ⅰ2的反射面上涂覆的單層金屬膜的材料為金，球面物鏡Ⅱ3的反射面上涂覆的單層金屬膜的材料為鉬。所述的兩個通道相對熱斑的夾角θ為0.7°，所述的熱斑1發出的能量帶E₂為12±0.25keV，能量帶E₁為4.2±0.25keV。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。