CN102778294A - 激光驱动产生x射线光源的双光谱成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置，包括激光器(1)、真空室(3)、设于真空室(3)上并与激光器(1)相配合的驱动激光入口(2)、装于真空室(3)中的靶组件，靶组件由平面箔靶(601)和支架(602)构成，且平面箔靶(601)位于真空室(3)中间位置，平面箔靶(601)所在平面将真空室(3)分隔成靶前空间和靶后空间，其特征在于：在靶前或靶后布置能够聚集的球面弯晶，实现对X射线的衍射，在球面弯晶的下游的样品支架(701)上布置待测样品，用成像器接收背光成像信息；在靶后或靶前引入轫致辐射谱线，直接透射样品支架上的待测样品，在接收信号端，用成像器接收背光成像信息。

Description

激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置
技术领域
本发明是一种利用激光驱动固体材料产生特征谱线(特征辐射谱线)和连续谱线(轫致辐射谱线)，用于透射成像的装置。
背景技术
激光与固体物质相互作用产生的X射线源，其波长范围覆盖较广，从真空紫外波段到高能的硬X射线。X光谱中被研究最多的当属高能的轫致辐射谱线和材料的特征辐射谱线，都具有光斑小，光子能量高，脉冲时间短的特点，因此常被用于高能量密度物理过程的诊断研究，如内爆过程或箍缩过程的背光成像诊断。其中非热辐射效应的K壳层特征辐射谱线具有较高的能量转化效率，自身线宽很窄，适合选单后作为单色X光源，因而在超强脉冲与材料相互作用中备受关注。
目前激光驱动固体平面箔靶时特征谱线的典型谱线Kα线的产生过程如下：首先，激光迅速在固体靶表面产生冕区等离子体；然后激光将能量交给冕区中的自由电子；最后，自由电子沿激光束方向传播至靶内部并电离靶原子的K壳层电子，这些高能电子向靶内部运动的过程中与靶原子碰撞使其内壳层电离产生空穴，从而辐射出X射线，包括Kα，Kβ等特征辐射谱线，其波长由原子的内壳层能级差决定。除了特征辐射谱线以外，高能电子还会与靶原子碰撞产生连续的轫致辐射谱线。
一般地，激光驱动平面箔靶产生的X射线辐射空间近似呈4π立体角分布，与靶厚密切相关。而靶的厚度根据激光的强度、斜入射角等而定，当厚度大于激光入射条件的临界密度厚度时，阻止了X射线的光子运动，其实就是在靶的内部衰减X射线。虽然激光驱动箔靶产生的X射线谱空间近似呈4π立体角分布，但实验中受真空靶室空间布置的限制，往往只能单独利用轫致辐射谱线或者特征辐射谱线，即要么只使用轫致辐射谱线，要么只使用特征辐射谱线。这两种情况，都仅仅使用了X射线的很窄一部分。如果能够充分利用激光驱动靶产生的轫致辐射谱线和特征辐射谱线，从靶平面的前后两侧分别引出其谱线，则大大提高诊断效率和能力。
发明内容
本发明的目的是为充分利用激光驱动平面固体箔靶产生X射线源的技术，提供一种能够同时利用特征辐射谱线和轫致辐射谱线进行成像的方法，进而设计出激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置。
本发明的基本思路是：激光斜入射平面箔靶，同时利用特征辐射谱线和轫致辐射谱线。其中，特征辐射谱线通道是：在靶前或靶后布置能够聚焦X射线的球面弯晶，实现对X射线的衍射，在球面弯晶的下游的样品支架上布置待测样品，用弧形胶片盒等成像器进行接收背光成像信息；轫致辐射谱线通道是：在靶后或靶前产生的轫致辐射谱线，直接透射样品支架上的待测样品，在接收信号端，用弧形胶片盒等成像器进行接收背光成像信息。
本发明的具体技术方案是：
一种激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置，包括激光器、真空室、设于真空室上并与激光器相配合的驱动激光入口、装于真空室中的靶组件，靶组件由平面箔靶和支架构成，且平面箔靶位于真空室中间位置，平面箔靶所在平面将真空室分隔成靶前空间和靶后空间，其特征在于：
靶前空间中固定有衍射特征辐射谱线的球面弯晶，靶后空间中固定有样品支架、特征辐射谱线成像器、轫致辐射谱线成像器，平面箔靶、球面弯晶、样品支架、特征辐射谱线成像器构成特征辐射谱线光路装置，平面箔靶、样品支架、轫致辐射谱线成像器构成轫致辐射谱线光路装置，且样品支架还位于球面弯晶下游特征辐射谱线衍射光路与轫致辐射谱线透射光路的交汇处，实现同时成像；
或者靶前空间中固定有样品支架、特征辐射谱线成像器、轫致辐射谱线成像器，靶后空间中固定有衍射特征辐射谱线的球面弯晶，平面箔靶、球面弯晶、样品支架、特征辐射谱线成像器构成特征辐射谱线光路装置，平面箔靶、样品支架、轫致辐射谱线成像器构成轫致辐射谱线光路装置，且样品支架还位于球面弯晶下游特征辐射谱线衍射光路与轫致辐射谱线透射光路的交汇处，实现同时成像。
进一步的方案是：在驱动激光入口与平面箔靶之间装有聚焦镜。
进一步的方案是：样品支架、轫致辐射谱线成像器之间装有狭缝。
进一步的方案是：特征辐射谱线成像器、轫致辐射谱线成像器都是敞口胶片成像盒，敞口处一般要用特定金属膜密封以便遮挡低能X射线和可见光。胶片成像盒左侧面开有插口，胶片成像盒前后侧面内壁开有与插口连通的圆弧型凹槽，胶片成像盒的敞口构成X射线入射口。以使胶片从插口插入胶片成像盒后，胶片两侧受控于圆弧型凹槽，胶片成圆弧型分布。圆弧型凹槽曲率半径一般为胶片安装位置与入射X射线焦点的距离。
一般地，接收特征辐射谱线的胶片成像盒为小胶片盒，小胶片盒的中心位置是在特征谱线经球面弯晶罗兰圆聚焦后的下游，半径是小胶片盒安装位置中心点与聚集点的距离；接收轫致辐射谱线的胶片成像盒为大胶片盒，大胶片盒的中心位置是在激光与箔靶相互作用的靶点和待测样品点连线的延长线上，半径是大胶片盒安装位置与靶后点的距离。
胶片成像盒，也可以用X射线CCD相机或者成像板代替。接收双光谱X射线处还可以接条纹相机或者半导体光电二极管，可以通过调节X射线光路控制诊断时序，获取样品的时间分辨。
本发明利用激光与物质相互作用原理，在平面箔靶前、后均要产生特征辐射谱线和轫致辐射谱线。由于靶室空间限制，需要对X射线进行反射式衍射，而球面弯晶具有这种性质，故在靶前或靶后利用球面弯晶对特征谱线，如Kα或Kβ线单色处理，在球面弯晶的下游安装样品支架，而这个样品支架正好位于靶后或靶前轫致辐射谱线辐射区域。这样，这两种不同能谱的X射线从不同方向上对样品进行透射成像，再利用不同曲率半径的X射线胶片盒接收X射线。它的优点是，这两种能谱的谱线在样品处，无相干性，对X射线的散射影响可以忽略。此外，这种方式最大优点是利用球面弯晶聚焦特性，能够在球面弯晶下游对样品进行成像。
为避免平面箔靶中电子透射深度增加引起X射线损失的问题，使获取的高能电子的能量得到更有效利用，提高特征谱线和轫致辐射的转换效率，从而推算出激光-X射线最优转化效率和最佳电子温度。而电子温度由入射激光的功率密度决定，所以通过优化靶的厚度和表面处理工艺，提高双能谱成像的效率。比如平面箔靶表面改为纳米颗粒、纳米须、多孔等轻质材料，增强对激光能量的吸收。
本发明的优点是：为了更充分利用X射线中转化率相对较高的谱线，本项目设计了X射线中特征辐射谱线和轫致辐射谱线同时成像的装置。从而：
1、只要采用适当厚度的箔靶，就可保证最佳激光功率密度和激光-X射线转化效率都得到明显提高，从而使得X射线辐射的总亮度至少提高10倍。
2、在靶前或靶后布置球面弯晶通道，而靶后或靶前设置轫致辐射通道，这样特征辐射谱线和轫致辐射谱线都能够同时对待测样品进行成像。
3、采用带圆弧形凹槽的胶片盒，非常方便安装胶片，使其保持对应的半径。
附图说明
图1为本发明实施例一的方案示意图；
图2为带接口、弧形凹槽的胶片盒正面剖视图；
图3为带接口、弧形凹槽的胶片盒左视图；
图4为带接口、弧形凹槽的胶片盒俯视图；
图5为本发明实施例二的方案示意图。
图中：最佳箔靶厚以激光的功率密度而定，Cu靶的最佳厚度在30微米，在3.2×1018W/cm2时，其特征辐射谱线Kα线的光子转换效率大于1.5×10-5，轫致辐射谱线转换效率40％-60％。
图中：1为激光器；2为驱动激光入口；3为真空室；4为聚焦镜；601为平面箔靶；602为靶支架；702为球面弯晶；703为特征辐射谱线成像器，其中703-1为圆弧形凹槽，703-2为插口，703-3为X射线入射口；704为狭缝；705为轫致辐射谱线成像器；701为样品支架；801、802为激光束；901、902为轫致辐射谱线；903、904、905、906为特征辐射谱线。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明做进一步的描述：
实施例一：如图1、图2、图3和图4，一种激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置，包括激光器1、真空室3、设于真空室3上并与激光器1相配合的驱动激光入口2、装于真空室3中的靶组件，靶组件由平面箔靶601和支架602构成，且平面箔靶601位于真空室3中间位置，平面箔靶601所在平面将真空室3分隔成靶前空间和靶后空间，其特征在于：
靶前空间中固定有衍射特征辐射谱线的球面弯晶702，靶后空间中固定有样品支架701、特征辐射谱线成像器703、轫致辐射谱线成像器705，平面箔靶601、球面弯晶702、样品支架701、特征辐射谱线成像器703构成特征辐射谱线光路装置，平面箔靶601、样品支架701、轫致辐射谱线成像器705构成轫致辐射谱线光路装置，且样品支架701还位于球面弯晶702下游特征辐射谱线衍射光路与轫致辐射谱线透射光路的交汇处；
在于在驱动激光入口2与平面箔靶601之间装有聚焦镜4。
样品支架701、轫致辐射谱线成像器705之间装有狭缝704。
特征辐射谱线成像器703、轫致辐射谱线成像器705都是敞口胶片成像盒，胶片成像盒左侧面开有插口703-2，胶片成像盒前后侧面内壁开有与插口703-2连通的圆弧型凹槽703-1，胶片成像盒的敞口构成X射线入射口703-3，敞口处用特定金属膜密封。
且平面箔靶601平面与入射激光成20-35°夹角，球面弯晶组件与入射激光在箔靶的同侧，其中心线与靶平面的夹角有效范围在20-35°。激光器1功率密度1017-1019W/cm2，焦斑直径应小于平面箔靶601底面的最小边长，焦斑最佳范围在10微米以下。
其中，聚焦镜5、支架602和球面弯晶组件702、样品支架701、胶片盒705、胶片盒703、狭缝704等均按常规固定于真空室3中的光学平台上。
胶片盒703的长为70-80mm，宽为40-45mm，高为30-35mm。盒顶中心为一插口703-3，30-35mm长，宽为38-43mm，用2-8μm的Ti、Al、Be等金属膜封装，遮挡低能X射线和可见光。距盒盖10-13mm处开胶片插口703-2，宽度为0.5mm，用黑色物质遮挡插口。在胶片长挡板的盒内面加工圆弧形凹槽703-1，其曲率半径为安装位置距X射线聚焦点的长度，半径在80-90mm，深度为1mm，宽为0.5mm。
胶片盒705半径在280-300mm，其余尺寸与胶片盒703的相同。
根据特征辐射谱线和轫致辐射谱线的特点，选取箔靶，材料以Cu为例，可获得较好的成像数据。当最佳激光功率密度与最佳靶厚的箔靶相互作用后，产生的X射线与箔靶表面结构、靶材料、靶构型有密切关系，因此需要具体实施的时候事先进行模拟测试，获取其基本特性。为提高靶中超热电子对激光的吸收系数，可以在平面箔靶601表面进一步处理，比如将其加工为纳米颗粒材料，增加对激光能量的吸收，然后更好地转换成X射线。由于入射激光存在预脉冲，所以纳米颗粒尺寸不能太小，大约在200-300nm的规格较合适。
根据入射驱动激光的参数，对箔靶厚度、材料、构型等进行优化设计，获取X射线的最佳亮度，提高样品成像诊断效率和能力。在真空室3中的有限辐射空间，合理利用平面箔靶601在4π空间分布的特征辐射谱线和轫致辐射谱线，在异侧分别引出两种能谱，利用单能成像的球面弯晶702对特征辐射谱线进行衍射，对样品支架701上的样品进行双光谱成像。平面箔靶601靶厚为10-30微米，安装在靶支架602上。
实施例二：如图5，双能谱实验的第二种实验方案。靶前空间中固定有样品支架701、特征辐射谱线成像器703、轫致辐射谱线成像器705，靶后空间中固定有衍射特征辐射谱线的球面弯晶702，平面箔靶601、球面弯晶702、样品支架701、特征辐射谱线成像器703构成特征辐射谱线光路装置，平面箔靶601、样品支架701、轫致辐射谱线成像器705构成轫致辐射谱线光路装置，且样品支架701还位于球面弯晶702下游特征辐射谱线衍射光路与轫致辐射谱线透射光路的交汇处。其余同实施例一。

Claims (4)

1.一种激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置，包括激光器(1)、真空室(3)、设于真空室(3)上并与激光器(1)相配合的驱动激光入口(2)、装于真空室(3)中的靶组件，靶组件由平面箔靶(601)和靶支架(602)构成，且平面箔靶(601)位于真空室(3)中间位置，平面箔靶(601)所在平面将真空室(3)分隔成靶前空间和靶后空间，其特征在于：
靶前空间中固定有衍射特征辐射谱线的球面弯晶(702)，靶后空间中固定有样品支架(701)、特征辐射谱线成像器(703)、轫致辐射谱线成像器(705)，平面箔靶(601)、球面弯晶(702)、样品支架(701)、特征辐射谱线成像器(703)构成特征辐射谱线光路装置，平面箔靶(601)、样品支架(701)、轫致辐射谱线成像器(705)构成轫致辐射谱线光路装置，且样品支架(701)还位于球面弯晶(702)下游特征辐射谱线衍射光路与轫致辐射谱线透射光路的交汇处；
或者靶前空间中固定有样品支架(701)、特征辐射谱线成像器(703)、轫致辐射谱线成像器(705)，靶后空间中固定有衍射特征辐射谱线的球面弯晶(702)，平面箔靶(601)、球面弯晶(702)、样品支架(701)、特征辐射谱线成像器(703)构成特征辐射谱线光路装置，平面箔靶(601)、样品支架(701)、轫致辐射谱线成像器(705)构成轫致辐射谱线光路装置，且样品支架(701)还位于球面弯晶(702)下游特征辐射谱线衍射光路与轫致辐射谱线透射光路的交汇处。
2.根据权利要求1所述的激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置，其特征在于在驱动激光入口(2)与平面箔靶(601)之间装有聚焦镜(4)。
3.根据权利要求1所述的激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置，其特征在于样品支架(701)、轫致辐射谱线成像器(705)之间装有狭缝(704)。
4.根据权利要求1所述的激光驱动产生X射线光源的双光谱成像装置，其特征在于特征辐射谱线成像器(703)、轫致辐射谱线成像器(705)都是敞口胶片成像盒，胶片成像盒左侧面开有插口(703-2)，胶片成像盒前后侧面内壁开有与插口(703-2)连通的圆弧型凹槽(703-1)，胶片成像盒的敞口构成X射线入射口(703-3)。
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