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使用泰伯·劳干涉仪测量HED等离子体相衬像

2023-06-19 13:51:08

诊断高能量密度(HED)等离子体的特性,例如存在于惯性约束聚变(ICF)中的等离子体,对于理解它们的演化和相互作用至关重要。然而,考虑到所涉及的通常极端的温度和密度条件,以及其中一些相互作用发生的小时间和空间尺度,获得这些测量结果是具有挑战性的。

干涉测量法是目前等离子体最灵敏、最成功的诊断方法之一。然而,由于最常见的干涉测量系统的设计,工作波长有限,因此可以探测的密度和温度范围受到严重限制,难以测量对于可见光波段不透明的 HED 等离子体。基于 Talbot 效应的 Talbot-Lau 干涉法,提供了将干涉测量扩展到 X 射线波长的可能性。

另一方面,在光子能量从几 keV 到几十 keV 的范围内的硬 X 射线,低 z 物质的弹性散射截面远大于衰减截面,相位对比度比传统的衰减度对比对电子密度的变化更敏感。因此,在成像机制上,基于折射的方法相较于基于吸收的方法有更高的固有对比度。即,基于相位变化的 X 射线成像方法,包括 Talbot-Lau 偏折测量方法,尤其适用于低 z 生物组织聚合物纤维复合材料和 HED 等离子体等的表征

翰霍普金斯大学物理与天文学系的 M. P. Valdivia 与 D. Stutman 等人提出了将TL莫尔光束偏转技术扩展到8 keV 能量,用于 HED 等离子体实验中的密度梯度测量。[http://dx.doi.org/10.1063/1.4885467]

该实验采用低能 TL 干涉仪装置采用焦斑为 ~ 15 μm  FWHM 的铜阳极管作为 X 射线源。当在 22  kV 下工作时,该管产生 Kα 特征线主导的光谱,在 8 keV 处有一个强峰。同时使用了 30 μm 厚度的 Ni 滤波器,进一步提高特征线与轫致辐射之间的比率。
对于微周期 Talbot-Lau 光栅的设计与制造工艺,对于高能量X射线(如20~100keV),难点在于得到高厚度/深宽比的光栅结构;对于低能 X 射线(如<10keV),则应在设计上更多的考虑光栅衬底的影响,即必须使用自支撑结构或者薄衬底的光栅.
该实验中使用了由德国 Microworks 公司制造的基底为10 μm 厚聚酰亚胺膜的光栅。如下图所示,源光栅 G0 周期为 2.4 μm,直径有效尺寸为 7 mm,金高度为 21-24 μm;相位光栅G1的周期为 4.0 μm,直径有效尺寸为 9 mm,镍条高度为 3.0 μm。分析光栅 G2 周期为 12 μm,直径有效尺寸为 35 mm,金高度为 17-22 μm。
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1. Microworks GmbH 提供的 Talbot-Lau 光栅:a)源光栅;b)相位光栅;c)分析光栅

该小组使用多种形状(棱柱,圆柱,球型)的多种材料(丙烯酸,铍,PMMA)作为材料进行实验验证。其中,以  PMMA 球形样品的测试结果为例:

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2. 直径1.5mm的 PMMA 球的 Moiré 条纹像(a)及其偏移映射图(b)

结果表明,在 8 keV 下的测量足够灵敏,可以测量几到几十微弧度范围内的折射角,从而提供 10-20 到 10-21 mm−2范围内的面密度。在静态模式下论证得出该技术能够为 HED 相关物体提供密度诊断。

上述小组进一步改进该实验,使用短脉冲(30–100 J, 10 ps)激光轰击 Cu 箔产生 X 射线作为测量光源,由于激光的脉冲特性,使得对 HED 的时间分辨测量成为了可能。(doi: 10.1063/1.5123919)

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3. 超短脉冲时间分辨 X 射线 Talbot-Lau 干涉实验前端光路示意图


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4. Talbot-Lau X 射线干涉法诊断平台

波尔多大学的 G. P´erez-Callejo 与 V. Bouffetier,对特定靶结构在激光作用下产生的 HED 瞬时密度进行了模拟和测量,并提供了相应的干涉图像的后处理工具。(DOI: 10.1063/5.0085822)

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5. 等离子体靶材结构设计示意图(左);模拟轰击靶材后30ns 瞬时密度图像


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6. 瞬时状态下的干涉图像(a)与空光路参考图像(b)
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7. 经数据处理后的吸收像(a),暗场像(b)与相位像(c)


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