在惯性约束聚变（ICF）内爆过程中，X射线的空间、时间和能谱等信息可以反映等离子体的温度、密度状态。X射线空间、时间和能谱信息的高分辨诊断，是表征具有小尺度、极端瞬态、极高能量密度的内爆靶丸等离子体状态的重要手段。高时间分辨主要依赖于高速条纹相机或分幅相机等设备，可以实现皮秒至百皮秒时间分辨的测量；能谱分辨则依赖多层膜、晶体或光栅等分光器件；而高空间分辨的实现，则依赖于Kirkpatrick-Baez (KB) 显微镜、球面弯晶等高分辨成像手段。其中，KB 显微镜基于掠入射反射式成像原理，在几百微米视场内空间分辨率可达 3~5 μm。
不同类型的成像、分光或记录设备相配合可以获得不同的内爆等离子体信息。比如，通过背光照相可以获得靶丸壳层的内爆流体动力学过程相关信息；X射线自发光测量可以获得聚变燃料的热力学状态相关信息。但是目前常规的诊断手段只能在背光或自发光中选择一种类型的诊断方式。比如，目前已应用于我国高功率激光装置的十六通道高分辨KB显微镜，能够获得16个瞬态时刻的芯部热斑的低能区自发射 X 射线图像；目前正在发展的针对面密度背光测量的双通道及更多通道弯晶，也仅拓展了诊断的时间跨度或X射线能点。因此，常规等离子体诊断为了综合获取内爆流体动力学过程或燃料的热力学状态信息，需要使用不同的诊断系统，要么沿不同观测轴进行同时测量，要么沿同一观测轴进行多发次测量。前者由于驱动不对称性以及不同时间分辨设备之间的随机触发晃动误差将导致实验数据的不确定性；后者由于不同发次之间靶丸的初始状态、驱动激光的能量和空间分布均存在不可避免的随机差异，导致实验数据的置信度降低。
同济大学伊圣振、王占山和中物院上海激光等离子体研究所董佳钦等研究者在前期掠入射X射线光学及诊断实验的工作基础上，提出了一种在同一视角下进行内爆靶丸的高分辨背光、自发光同步成像诊断的方法，可以实现背光、自发光两类不同的诊断数据在同一发次、同一视角的同步测量及对比分析。该项研究成果以"Simultaneous high-resolution x-ray backlighting and self-emission imaging for laser-produced plasma diagnostics using a two-energy multilayer Kirkpatrick–Baez microscope”为题发表在MRE期刊第7卷第1期上。
如图1所示，该方法利用多通道KB显微镜在近共轴条件下形成多个高空间分辨成像；再通过镀制在KB显微镜各通道反射镜表面的多层膜介质分别反射低能和高能X射线，有效实现对自发光和背光信号的能谱区分；最后使用放置在像面的条纹相机(或分幅相机)实现时间分辨。该方法将多通道KB显微镜成像(空间分辨)、多层膜分光(能谱选择)和高速相机(时间分辨)有效耦合，实现了对内爆靶丸自发光和背光信号的同步测量。在光路结构上具有近同轴成像的优点，易于形成多通道配置，且可以通过多层膜薄膜的制备，调控系统的工作能量。本文中将两个通道的像间隔设定为10.0 mm，以适应条纹相机18mm的光阴极宽度，KB显微镜的镜长和曲率半径分别为10mm和20m，ZEMAX模拟结果表明在±100 μm视场内可以获得优于5μm的空间分辨。
图1 利用多能谱KB显微镜进行背光和自发光同步成像的光路结构
实验所关注的聚变燃料等离子体的自发光集中在3keV以下的低能区；而X射线背光需要穿越较高密度的靶丸壳层，因此需要选择能点较高的特征线谱。因此，M1和M2两块子午反射镜的多层膜分别用于高能背光成像和低能自发光成像，两个通道的共用镜M3则通过分区镀膜的方式，在不同区域分别镀制针对高能和低能的多层膜结构。两个成像通道的能谱响应曲线如图2所示，本文中，高能通道的响应能量 E1 针对Sc背光设计，在Sc 类He-α线(4.3keV)的反射效率超过50%，通过在光路上放置 Be和Al 等滤光片，可以进一步提高背光的单色性。自发光通道的响应能量E2在低于3.1keV范围均具有超过60%的反射效率。此外，如图1所示，X射线背光焦点的位置被调整为偏离自发光成像的光轴，也能够显著降低对背光对自发光信号的干扰。实际应用中，背光和自发光成像通道可以灵活地切换，以满足不同的诊断需求，如当面密度低或背光能量有限时，可以采用Mo 靶背光（2.6-2.7 keV）并利用E2成像通道，此时自发光通道将切换为E1通道低于2.5keV的低能区响应。图2中8keV能量作为装调能点设计，从而在大气环境下利用常规的Cu靶X射线管，对双通道KB显微镜进行精确装调。
图2 多能谱KB显微镜高能和低能通道的光谱响应曲线
图3给出了实验室内利用铜靶X射线管得到的系统离线标定结果，物方标定物为周期42μm，线宽5-6μm的600目金网格，两个带有字母网格被置于X射线CCD前端以作为实际像点的可见光参考基准。可以看出，在整个有效视场内均能够清晰的分辨网格线条，按照光强最大至最小值变化的”10%-90%”分辨率评价标准，系统在中心视场的分辨率达到3μm，±100μm视场分辨率优于5μm，与仿真模拟结果相符。
图3 实验室内利用铜靶X射线管得到的系统离线标定结果
系统在神光Ⅲ原型装置的实验应用中成功地同时测量了内爆靶丸的自发光和背光成像。实验使用第九路激光照射Mo靶产生2.6-2.7keV能量背光，八路激光同步驱动内爆靶丸，利用X射线条纹相机测量了自发光和背光流线。如图4所示，在八束激光束的直接驱动下，靶丸被逐渐被压缩，冲击波聚心反弹之后靶丸中心附近燃料温度逐渐升高产生热斑，并辐射X射线。可以看出，高能背光通道的自发光信号得到了良好的抑制，可以根据背光流线提取靶丸的外边界轮廓并计算内爆速度；自发光通道的背光信号也被抑制到非常低的水平，可以评估热点温度演变等信息。以背光开始时间作为初始时刻，冲击波在大约 0.77 ns 时在中心相遇，而燃料热芯在约 0.82 ns 时达到最高温度，而靶丸在 0.90 ns 时达到最大压缩。
图4 激光装置对内爆靶丸的背光和自发光流线成像及结果分析
本项目发展了一种基于多能谱KB显微镜开展激光等离子体背光和自发光高分辨同步成像的新型诊断方法，能够在单发次测量中获得同一视角下的不同类型的诊断数据，提高了实验数据的置信度。该方法的空间分辨率达到3-5μm，并成功应用于靶丸内爆流线的测量。未来，通过提高KB显微镜的通道数或能道数，还可以与分幅相机等配合，获得更为丰富的诊断数据。
