專利名稱：一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應用的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及極紫外成像領域，尤其是涉及一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應用。
背景技術(shù)：
高功率Z-pinch裝置可產(chǎn)生強X射線脈沖，在材料和器件的輻照特性、可控聚變和納米光刻技術(shù)等研究方面有重要的應用前景。具有光譜選擇能力的成像系統(tǒng)可以獲取特定溫度下等離子體的輻射狀況。目前，在Z-pinch裝置等離子體診斷中國內(nèi)外常用的成像設備包括:針孔相機、掠入射成像系統(tǒng)和正入射成像系統(tǒng)。針孔相機是基于“小孔成像”的原理，Z-pinch的靶經(jīng)過直徑約幾十微米的針孔后成像在像面，利用軟X射線積分CXD相機將所成的像記錄下來。如果將單個針孔換成由多個針孔組成的陣列，并采用分幅相機作為探測器，可以實現(xiàn)二維空間分辨和時間分辨成像。在等離子體診斷中常用的掠入射成像系統(tǒng)是KB顯微成像系統(tǒng)，等離子體發(fā)出的軟X光與鏡面的夾角很小，約1°。軟X光經(jīng)過兩個正交放置的球面鏡聚焦成像在探測器的表面。KB顯微鏡還可以組成多通道成像物鏡，即能夠?qū)σ粋€物點成多幅圖像，例如，四通道KB成四幅圖像，八通道KB成八幅圖像……。如果采用分幅相機作為探測器，也可以實現(xiàn)二維空間分辨和時間分辨。另外一種常用的等離子體診斷設備是基于正入射結(jié)構(gòu)的Schwarzschild(施瓦茲希爾德)成像系統(tǒng)。對于該系統(tǒng)，極紫外或軟X光幾乎與鏡面相垂直，光線經(jīng)過凹面鏡和凸面鏡的反射后成像在探測器表面，目前，該類型的裝置已經(jīng)應用在了國外OMEGA和我國SILEX強激光裝置上。對于針孔相機而言，其可以進行單個針孔的二維積分成像，也可以利用針孔陣列結(jié)合分幅相機實現(xiàn)具有時間分辨的二維成像。但是，針孔相機的光譜分辨能力是依賴放置在探測器前面的濾片來實現(xiàn)的，對于針孔本身而言，其沒有光譜選擇的能力，即針孔對任何波段的光均通過，無法選擇對特定波段的光進行成像。結(jié)合濾片后能夠選擇具有一定波長的光，但是濾片對很大波長范圍內(nèi)的光均可以通過，例如，如果采用Al材料的濾片，其可以濾除掉可見光，但是從1 7.2nm到接近80nm的光均能夠穿透濾片,所以光譜選擇能力弱。針孔相機的另外一個不足之處是集光效率(收集光的能力)太低，約10_9。由于分幅相機的靈敏度低，較低的集光效率會影響探測到的圖像的亮度。相對于針孔相機而言，掠入射成像系統(tǒng)(KB顯微鏡)將集光效率提高了約2個數(shù)量級。在光學元件表面鍍制特定的多層膜，其具有了一定的光譜分辨能力，但是，在掠入射情況下，其光譜的分辨率仍不高，例如，鍍制Cr/C和W/C周期結(jié)構(gòu)多層膜的KB顯微鏡在2.5keV能點的光譜帶寬約500eV，能量分辨本領為Ε/ΔΕ = 5。正入射結(jié)構(gòu)的Schwarzschild顯微鏡的數(shù)值孔徑可以做到0.2甚至更大，考慮到薄膜對光的反射率后，集光效率可以達到10_2，較針孔相機及掠入射成像系統(tǒng)得到了明顯的提高。另外，光學元件表面鍍制多層膜后，其在92eV的帶寬僅3.4eV，光譜分辨本領為27，明顯優(yōu)于以上兩種成像裝置。但是，系統(tǒng)僅由一塊凹面鏡和一塊凸面鏡組成，僅能進行單能成像，即無法同時對多個能點進行診斷。另外，該顯微鏡僅能對一個目標成一幅圖像，無法和分幅相機結(jié)合進行二維空間和時間分辨成像，可以采用條紋相機作為探測器，實現(xiàn)一維空間分辨和時間分辨成像。目前，國內(nèi)正在開展Z-pinch源等離子體診斷方面的研究，需要對其極紫外波段的輻射進行時空分辨的二維成像診斷，為了在分幅相機的像面獲得高亮度的等離子體圖像，要求其集光立體角達到10_4sr，并且要求該系統(tǒng)能夠同時對多個能點的等離子體輻射進行成像。前面所述的三種成像系統(tǒng)均無法達到診斷的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有診斷成像技術(shù)存在的缺陷而提供一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應用。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):—種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，用于對一個物體形成多個圖像，該成像系統(tǒng)包括多塊主鏡和一塊副鏡，所述的主鏡均設在一個圓周上，所述的副鏡位于該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡共同組成一個通道，每個通道對同一個物體形成一幅圖像；物體發(fā)出的光經(jīng)每一個主鏡反射后，均照射到副鏡上，再經(jīng)過副鏡反射后形成與主鏡塊數(shù)相同的多幅圖像。所述的主鏡和副鏡的表面均鍍制具有光譜選擇性的薄膜，所述的薄膜僅對特定波長或能點的極紫外光或軟X射線光進行反射，能夠使同一個物體所得到的圖像對應不同的波長或能點。在副鏡表面鍍制薄膜時，將副鏡表面均分成與主鏡個數(shù)相同的區(qū)域，并在每個區(qū)域內(nèi)鍍制薄膜，每個區(qū)域上薄膜的材料和參數(shù)與相對應主鏡上薄膜的材料和參數(shù)相同。副鏡的不同區(qū)域與相對應的主鏡構(gòu)成的通道對不同波長的光進行反射，從而實現(xiàn)多能點或多波長的光譜選擇能力。所述的薄膜的材料選自C/S1、Mo/S1、Mo/Y或Mo/Si。所述的薄膜為多層膜。鍍制的薄膜在極紫外波段反射光譜的帶寬窄，僅幾個電子伏特，具有較高的光譜選擇能力，可以用來探測等離子體溫度等物理信息。所述的主鏡的個數(shù)為4個或8個。在主鏡和副鏡表面鍍制的薄膜還可以為寬帶多層膜，使系統(tǒng)覆蓋更寬的光譜。一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)的應用，將成像系統(tǒng)應用于對Z-pinch裝置的等離子體成像，有利于研究不同溫度的等離子體隨時間的演化過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:1.本發(fā)明的物鏡具有較大的集光立體角(約10_3 I(T4Sr)，較針孔相機(約10_9sr)提高約5個數(shù)量級，較KB顯微鏡提高了 2 3個數(shù)量級，能夠明顯改善像面的光強度，提高圖像的亮度。2.本發(fā)明在主鏡和副鏡表面鍍制多種薄膜，所鍍制的薄膜僅對特定波長(能點)的極紫外或軟X射線光反射，具有光譜選擇的本領，并且光譜分辨率高，能夠使同一個物所得到的圖像對應不同的波長(能點)。3.本發(fā)明在主鏡 和副鏡表面鍍制的薄膜還可以為寬帶多層膜，使系統(tǒng)覆蓋更寬的光譜。
4.本發(fā)明的系統(tǒng)具有多能點成像、集光效率高及光譜分辨率高的特點。


圖1為實施例1中四通道極紫外成像系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施例1中的主鏡排布示意圖；圖3為實施例1中的的副鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實施例1的成像系統(tǒng)在四個能點的反射率曲線示意圖；圖5為實施例2中的主鏡排布示意圖。圖中，1為物體,2為副鏡,3為第一主鏡,4為第二主鏡,5為第三主鏡,6為第四主鏡，7為第一圖像，8為第二圖像，9為第三圖像，10為第四圖像，11為物體發(fā)出的極紫外或軟X光，12為主鏡所在的圓周，13為第一區(qū)域，14為第二區(qū)域，15為第三區(qū)域，16為第四區(qū)域，17為第一投影，18為第二投影，19為第三投影，20為第四投影，21為中心孔，22為50eV能點的反射率曲線，23為95eV能點的反射率曲線，24為150eV能點的反射率曲線，25為系統(tǒng)在寬帶50 IOOeV的反射率曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1一種實現(xiàn) 極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)工作波長為極紫外光或軟X射線光。該成像系統(tǒng)應用于對Z-Pinch裝置的等離子體進行成像。如圖1、圖2所不，該系統(tǒng)包括4塊主鏡(分別為第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5、第四主鏡6)和一塊副鏡2，第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5、第四主鏡6均勻布設在一個圓周上，副鏡2位子該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡2共同組成一個通道，每個通道對同一個物體I形成一幅圖像；物體I發(fā)出的極紫外或軟X光11經(jīng)第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6反射后，均照射到副鏡2上，光再經(jīng)過副鏡2反射后形成物體的4個圖像，分別為第一圖像7、第二圖像8、第三圖像9及第四圖像10。圖1中，xoy平面垂直于軸O1O^yoz平面垂直于xoy平面，圖中，h1、h2分別表示圖像之間的距離。第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6和副鏡2的表面均鍍制薄膜，所鍍制的薄膜具有光譜選擇性，僅對特定波長或能點的極紫外光或軟X射線光反射，能夠使同一個物體所得到的圖像對應不同的波長或能點。第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6分別對應50eV、95eV、150eV和50 IOOeV寬帶光譜，所鍍制的薄膜為多層膜，材料分別為C/S1、Mo/S1、Mo/Y和Mo/Si。鍍制的薄膜在極紫外波段反射光譜的帶寬窄，僅幾個電子伏特，具有較高的光譜選擇能力，可以用來探測等離子體溫度等物理信息。如圖3所示，副鏡2為帶有中心孔21的圓形物鏡，中心孔21的直徑為50mm。在副鏡2表面鍍制薄膜時，副鏡2表面被均分成與主鏡個數(shù)相同的區(qū)域，分別為第一區(qū)域13、第二區(qū)域14、第三區(qū)域15及第四區(qū)域16。副鏡2的每個區(qū)域分別與不同的主鏡相對應，即第一區(qū)域13、第二區(qū)域14、第三區(qū)域15及第四區(qū)域16分別與第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6 —一對應。副鏡2每個區(qū)域鍍制的薄膜的材料和參數(shù)分別與對應的主鏡的薄膜的材料和參數(shù)相同；副鏡2與不同主鏡構(gòu)成的不同的通道對不同波長的極紫外或軟X光11進行反射，從而實現(xiàn)多能點或多波長的光譜選擇能力。物體I發(fā)出的光經(jīng)第一主鏡3、第二主鏡4、第三主鏡5及第四主鏡6反射后在副鏡2表面形成投影，分別為第一投影17，第二投影18，第三投影19及第四投影20。因此第一圖像7、第二圖像8、第三圖像9及第四圖像10分別對應等離子體在50eV、95eV、150eV和50 IOOeV寬帶光譜的輻射，反映了等離子體在該溫度的輻射狀況。本實施例的成像系統(tǒng)具有高光譜分辨率的特性。圖4給出了該成像系統(tǒng)在四個能點(50eV、95eV、150eV和50 IOOeV寬帶光譜)的反射率曲線。系統(tǒng)在這三個單能點的反射率分別為22.1%，71.9%、25.7%，在50 IOOeV寬帶的反射率為10%。單能點的光譜帶寬分別為5.58eV，3.79eV和1.48eV，光譜分辨本領分別為9.0,25.1和101.4。本成像系統(tǒng)有一個通道為寬帶。50 IOOeV寬帶范圍內(nèi)，系統(tǒng)的反射率較平，說明對該范圍內(nèi)的光反射率基本相同。該特點可以用來獲取等離子體更多的溫度信息。實施例2與實施例1不同之處在于，該系統(tǒng)為八通道系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括八個主鏡，如圖5所示，八個主鏡均布設在同一個圓周12上，相應的副鏡2被分割成與主鏡個數(shù)相同的區(qū)域。該系統(tǒng)包括12個或更多個主鏡，相應的 副鏡2被分割成與主鏡個數(shù)相同的區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，用于對一個物體形成多個圖像，其特征在于，該成像系統(tǒng)包括多塊主鏡和一塊副鏡，所述的主鏡均設在一個圓周上，所述的副鏡位于該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡共同組成一個通道，每個通道對同一個物體形成一幅圖像； 物體發(fā)出的光經(jīng)每一個主鏡反射后，均照射到副鏡上，再經(jīng)過副鏡反射后形成與主鏡塊數(shù)相同的多幅圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的主鏡和副鏡的表面均鍍制具有光譜選擇性的薄膜，所述的薄膜僅對特定波長或能點的極紫外光或軟X射線光進行反射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，在副鏡表面鍍制薄膜時，將副鏡表面均分成與主鏡個數(shù)相同的區(qū)域，并在每個區(qū)域內(nèi)鍍制薄膜，每個區(qū)域上薄膜的材料和參數(shù)與相對應主鏡上薄膜的材料和參數(shù)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的薄膜的材料選自C/S1、Mo/S1、Mo/Y或Mo/Si。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的薄膜為多層膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的主鏡的個數(shù)為4個或8個。
7.—種如權(quán)利要求1 6任一所述的實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)的應用，其特征在于，將成像系統(tǒng)應用于對Z`-pinch裝置的等離子體成像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)極紫外波段多能點光譜分辨的成像系統(tǒng)及其應用，該系統(tǒng)包括多塊主鏡和一塊副鏡，主鏡均設在一個圓周上，副鏡位于該圓周的軸線上，每一塊主鏡分別和副鏡共同組成一個通道，每個通道對同一個物體形成一幅圖像；物體發(fā)出的光經(jīng)每一個主鏡反射后，均照射到副鏡上，再經(jīng)過副鏡反射后形成與主鏡塊數(shù)相同的多幅圖像；該系統(tǒng)應用于對Z-pinch裝置的等離子體進行成像，一次成像即可以獲得極紫外波段、多個能點、高光譜分辨的等離子體圖像，有利于研究不同溫度的等離子體隨時間的演化過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有多能點成像、集光效率高及光譜分辨率高等優(yōu)點。
文檔編號G01J3/28GK103234634SQ20131013416
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者穆寶忠, 王新, 伊圣振, 王占山, 朱京濤 申請人:同濟大學