【摘 要】
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对新能源的探索一直以来都是全球发展的焦点,目前关于激光驱动惯性约束核聚变反应（Inertial Confinement Fusion,ICF）的研究已经在世界范围内获得了广泛的发展,伴随ICF聚变反应所释放的巨大能量成为了延续人类发展的曙光。要了解ICF聚变反应中等离子体的相关信息,需要诊断等离子体所产生的X射线。晶体内原子排列规则有序且晶面间距与X射线波长属于同一数量级,因此以晶体作为关键器件的
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对新能源的探索一直以来都是全球发展的焦点,目前关于激光驱动惯性约束核聚变反应（Inertial Confinement Fusion,ICF）的研究已经在世界范围内获得了广泛的发展,伴随ICF聚变反应所释放的巨大能量成为了延续人类发展的曙光。要了解ICF聚变反应中等离子体的相关信息,需要诊断等离子体所产生的X射线。晶体内原子排列规则有序且晶面间距与X射线波长属于同一数量级,因此以晶体作为关键器件的X射线诊断晶体谱仪在惯性约束聚变反应的科学研究中有着极其重要的作用。本文以改进球面弯晶和圆锥面弯晶在X射线诊断应用中存在的不足为目标,开展了相关的研究工作。本文主要研究内容如下:首先,针对高分辨率成像诊断晶体谱仪中球面弯晶存在的问题——在子午面和弧矢面方向上,同一位置聚焦程度不一致所导致的成像变形,设计了一种在子午面和弧矢面方向上曲率半径不同的双曲率凹面弯晶。仿真结果表明,利用本文所设计的双曲率凹面弯晶对3×3网格进行背光成像时,经双曲率凹面弯晶衍射后的X射线强度约为球面晶体的6.25倍,双曲率凹面弯晶在子午面和弧矢面方向上的成像分辨率近似相等,大约为5μm。利用基于α-quartz（2023）的双曲率凹面弯晶对Ti靶Kα射线进行背光成像诊断,可得到成像结果在弧矢面方向上的成像分辨率σ为10μm。考虑到实际晶体制作中存在的表面误差,进行了表面形貌误差的仿真实验,实验结果表明,为了减小外界因素对成像结果产生的影响,需要把实际最大表面误差控制在10μm范围内。综合仿真以及实验结果可知,本文提出的双曲率凹面弯晶具有较高的射线聚焦能力和成像分辨率,可满足背光成像系统的诊断需求。然后,针对强聚焦光谱诊断晶体谱仪中圆锥面弯晶存在的问题——参与光谱成像的X射线在理论上并不存在旋转对称性,从而引起成像光谱横向展宽,设计了一种变锥面弯晶,该晶体由无数个倾角不同且高度为Δt的微圆柱组成,可以减小光谱横向展宽。仿真结果表明,利用本文所设计的变锥面弯晶结构能同时对不同能量的X射线进行光谱诊断,但是变锥面弯晶的聚焦性能受射线源尺寸影响。利用基于α-quartz（2020）的变锥面弯晶对Ti靶Kα射线进行光谱诊断,从实验结果可以得出,利用本文所设计的变锥面弯晶可获得的Kα成像谱线的最高强度为8180,而利用平面晶体所获得的最高强度只有390,扣除背景强度后两者分别为6280和40,最终计算得出变锥面弯晶的聚焦强度约是平面晶体的157倍。综合仿真以及实验结果可知,本文提出的变锥面弯晶能够满足强聚焦光谱诊断需求。
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