用于ICF实验的轴对称掠入射软X射线显微镜中的光学系统

　　1　引　言

　　在惯性约束聚变实验研究中,X光空间成像测量是一项重要的诊断内容,可是X光的特性决定了人们不能象电子和离子那样利用电磁场来使它偏转和聚束;同时也不能象可见光那样制造由普通光学玻璃透镜组成的折射式的光学系统来使其会聚。X光成像方法可大致归结为两类,一类是透射式成像,以针孔成像和编码孔径成像为代表;另一类是反射式成像,以各种掠入射软X射线显微镜和基于X射线多膜技术的X射线正入射显微镜为代表。旋转对称掠入射软X射线显微镜以其分辨率高、视场大、聚光能力强而倍受重视。但由于其加工和检测非常困难,到目前为此,只有几个国家研制出这种系统。由于我国科学技术发展的需要,在中国工程物理研究院二所的参与及支持下,我们研制出了旋转轴对称掠入射软X射线显微镜系统,它由X光成像系统(主反射镜系统)和观察瞄准系统组成。

　　2　显微镜的主反射镜系统

　　用于ICF实验研究的掠入射反射式的软X射线显微镜主反射镜系统主要有三种结构模式,一种是1948年由Kirkpatrick和Baze首创的KB型结构,他们用两块正交圆柱面镜掠入射反射,首次得到两维聚焦的X射线像(图1(a))。另一种是Wolter于1952年研究出的旋转轴对称掠入射反射系统,有几种型号,其中WolterⅠ型由旋转对称双曲面和椭球面组成(图1(b))。第三种又有两种类型,一种是1989年R. Kodama等提出的结构模式,他们称它为先进的KB系统,由两块正交双曲面和两块正交椭球面共四块反射镜组成(图1(c))。另一种是R.Sauneuf等提出的被称为改进的KB型显微镜系统KBA(图1(d)),它由四块正交球面反射镜构成。

　　WolterⅠ型旋转对称掠入射软X射线显微镜的光路如图2所示。双曲面与椭球面有共同的焦点F1H和F1E,双曲面的第二个焦点(F2H)处是显微镜的物平面,X射线从双曲面的第二个焦点出发,经双曲面反射后,在双曲面和椭球面的共同焦点处(F1H和F1E)形成物体放大的虚像,这个虚像经椭球面反射镜,在其第二个焦点处(F2E)形成物体的放大的实像。Wolter的这个设计理论上是完善的,轴上点不产生任何像差,但轴外点是有像差的,且随着视场扩大,其轴外点像差也增大,即空间分辨率随视场增大而逐渐降低。

　　虽然Wolter型X光显微镜在理论上是完善的,但由于使用轴对称旋转非球面,这就导致了加工及检测的困难。Wolter于本世纪50年代初设计了这种结构,并进行了详细的分析和公式推导,直到70年代末,由于超光滑表面制造及检测技术的发展,才制造出第一台可用的系统,而且是美国的劳伦斯·里弗莫尔实验室和英国国家物理实验室联合研制的。