基于辅助光学系统的KB显微镜瞄准方法

　　X射线Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜是一种可应用于激光惯性约束聚变(ICF)实验的高性能诊断设备,其空间分辨率和集光立体角指标均大幅度优于常用的X射线针孔相机[1-2],已成功应用于美国OMEGA,NOVA等强激光装置[3-4]上的物理实验。KB显微镜成像基于掠入射反射原理,成像的空间分辨率对掠入射角的变化非常敏感,对物像位置的要求也很严格,因此高精度的瞄准成为KB显微镜应用必须解决的关键问题[5]。美国OMEGA装置上采用定位模拟球的方式解决KB显微镜的姿态调整,这种方法必须借助于非常复杂的TIM搭载平台(OMEGA上的通用装置)以及靶监测设备[6]。法国的LIL装置上采用了双路激光瞄准器的方式解决X射线掠入射系统的定位,其调节精度不高,且景深控制非常困难[7]。本文基于X射线KB显微镜的成像实验,采用辅助光学系统等效KB系统光路,并从理论和实验上对该种瞄准方式进行了验证。

    1　KB显微镜的瞄准误差计算

　　KB显微镜由两块正交放置的球面反射镜(或柱面反射镜)构成,该结构形式可以校正掠入射情况下单块球面镜聚焦存在的严重像散[8],光路结构如图1所示。

　　基于KB显微镜的像散和垂轴像差校正,确定KB显微镜的实验结构参数如表1所示,其中M为辅助光学系统的放大倍率,u为物距,R为曲率半径。工作能点8 keV,反射镜表面镀W/B4C周期多层膜,中心角度分别为1.133°和1.184°,角度带宽0.06°。

　　该系统对1 500目金网的成像结果如图2(a)所示,分辨率模拟和测试结果如图2(b)所示。实验用金属网格的空间周期为17μm,线宽约为5μm。

    掠入射角度是KB光学系统的关键参数,已有文献从理论上分析了其对分辨率的影响[9-10]。在实际诊断实验中,掠入射角度误差由靶丸中心相对于系统光轴的偏离造成。本文从视场的角度对KB显微镜的瞄准进行了讨论。由图2(b)的模拟结果可以看出,满足5μm空间分辨率要求的视场范围是±160μm;而实测结果表明,满足5μm空间分辨率要求的视场范围只有±120μm。两者间的差异主要由实验中物镜装配、反射镜镜面质量、实验环境等多种因素的影响造成。ICF实验诊断用KB显微镜的指标要求是在±100μm的视场内实现5μm的空间分辨。在物平面上,诊断目标中心点相对于KB系统光轴的偏离误差Δω为

式中:ω1=±120μm,为系统实际测量的视场范围;ω0=

±100μm,为系统要求的视场范围。因此,偏离误差Δω=±20μm。对应的角度瞄准误差Δθ为计算得Δθ=0.01°。

　　在对诊断目标的定位中,轴向的定位精度由KB系统的景深决定。采用光线追迹的方法,得到KB系统的景深曲线如图3所示。在最佳像面±500μm的范围内,中心视场及±100μm边缘视场的分辨率均好于5μm。