利用聚束透镜获得高亮度软X射线源的技术研究

论文摘要

软X射线通常指光子能量从50～1500 eV、波长为0．83～24．8 nm范围内的电磁波。高亮度软X射线源在研究软X射线与物质的作用、材料烧蚀和建立黑腔模型等方面的应用前景十分巨大，它也能更好地用于标定软X射线探测系统、仪器和探测元件。因此世界各国都在积极建立亮度更高的实验室软X射线源。本论文的工作是设计基于Z-pinch等离子体辐射源的聚束透镜，利用透镜对软X射线的收集、传输和会聚来获得高亮度软X射线源，并对透镜在高功率密度软X射线入射条件下的传输特性进行研究。X光导管是聚束透镜的基本组成单元。国内已有的对X光导管的研究是在入射X射线的功率密度较低的北京同步辐射装置3W1B光束线以及其它辐射源上进行的，为了设计对高功率密度软X射线传输并会聚的透镜，首先在西北核技术研究所的“强光一号”加速器装置上，对高功率密度的软X射线（6×106～1．5×107W／cm2）在X光导管中的传输特性进行研究。研究结果表明：对于由DM308型号玻璃材料拉制的X光导管，它对高功率密度的软X射线有较高的传输效率，当入射软X射线的功率密度为1．2×107W／cm2，X光导管的弯曲角为50时，实验中获得的平均传输效率达到了16．3％。在6×106～1．5×107W／cm2的功率密度范围内，软X射线在X光导管中的传输没有出现非线性效应，随着入射软X射线功率密度的提高，出射的软X射线的功率密度基本成线性增加。对于Z-Pinch辐射源，入射的软X射线功率密度为1×108W／cm2，软X射线和等离子体溅射物质不会破坏X光导管。根据以上研究结果，用数值模拟方法对透镜的设计参数进行优化，得出透镜的最佳设计参数：由2401根内直径0．45 mm、外直径0．60 mm的X光导管组成，入口端距Z-pinch靶心的距离为200 mm，中心长度为410 mm，后焦距为50 mm。假设Z-pinch等离子体辐射源的发光区长度为20 mm，辐射X射线能量E=1keV，峰值功率为0．5 TW，将上述透镜与辐射源组合，数值模拟在透镜的后焦点处能获得焦斑直径为2．5 mm平均功率密度为8．96×108W／cm2的软X射线，透镜的整体传输效率为11．71％。将制成的透镜与Z-pinch等离子体辐射源组合，透镜的实际后焦距为62mm，当光源辐射的软X射线的峰值功率为0．5 TW时，软X射线聚束透镜的整体传输效率为9．58％，功率密度增益为131倍，等效距离为58．8 mm。在透镜的后焦点（距丝阵靶心672 mm）能获得功率密度达1．15×109W／cm2焦斑直径为2mm的较洁净的软X射线源。同时透镜可以持续性地工作在Z-pinch装置上来获得软X射线源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 软X射线源
• 1.1.1 渡越辐射软X射线源
• 1.1.2 同步辐射X射线源
• 1.1.3 X射线激光源
• 1.1.4 高温高密度等离子体软X射线源
• 1.2 软X射线光学元件
• 1.2.1 多层干涉膜
• 1.2.2 菲涅耳波带片透镜
• 1.2.3 掠入射反射镜
• 1.2.4 X光导管和X光透镜
• 1.3 小结
• 第二章 软X射线在X光导管中的传输
• 2.1 X射线与物质的作用
• 2.1.1 X射线的散射
• 2.1.2 X射线的吸收
• 2.1.3 剥离和"库仑爆炸"
• 2.2 软X射线的全反射
• 2.3 软X射线在X光导管中传输的模拟计算
• 2.3.1 光线追迹原理
• 2.3.2 光线追迹模型
• 2.3.3 表面粗糙度模型
• 2.3.4 软X射线在导管内传输的蒙特卡罗模拟
• 2.4 软X射线在X光导管中的传输特性
• 2.4.1 能谱特性
• 2.4.2 X光导管材料对传输效率的影响
• 2.4.3 X光导管内径对传输效率的影响
• 2.4.4 X光导管曲率半径对传输效率的影响
• 2.5 小结
• 第三章 高功率密度软X射线在X光导管中的传输特性研究
• 3.1 实验设计
• 3.1.1 "强光一号"Z-Pinch装置
• 3.1.2 靶室的布局
• 3.1.3 软X射线功率仪
• 3.1.4 实验参数和数据处理
• 3.1.5 光路调节
• 3.2 实验结果及分析
• 3.3 小结与讨论
• 第四章 软X射线聚束透镜的总体结构设计
• 4.1 透镜研制的总体目标
• 4.2 透镜参数的优化
• 4.3 透镜对Z-Pinch源聚光的计算机模拟
• 4.4 小结
• 第五章 利用聚束透镜获得高亮度软X射线源的实验研究
• 5.1 实验设计
• 5.1.1 焦距及焦斑尺寸的测量
• 5.1.2 透镜后焦点位置功率的测量
• 5.1.3 数据处理方法
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 焦距及焦斑尺寸
• 5.2.2 透镜后焦点位置功率密度的测量结果
• 5.3 小结与讨论
• 第六章 结论与需要解决的问题
• 6.1 结论
• 6.2 需要解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录