CN106198581B - 一种基于激光驱动固体靶的超短x射线双角度双色背光照相系统 - Google Patents

一种基于激光驱动固体靶的超短x射线双角度双色背光照相系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，包括真空靶室，设置于真空靶室中部的样品安置部，用于产生飞秒激光的飞秒激光发生器，受飞秒激光驱动产生X射线的飞秒固体靶机构，与飞秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品一角度照相的飞秒照相机构，用于产生皮秒激光的皮秒激光发生器，受皮秒激光驱动产生X射线的皮秒固体靶机构，以及与皮秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品另一角度照相的皮秒照相机构。本发明具有普适性，对于超快过程和静态过程均可实现无损照相；产生的X射线脉宽短，达到皮秒量级；可双角度双色背光照相，拓展了诊断范围，而且分辨率高。

Description

一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体地讲，是涉及一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统。
背景技术
1895年1月18日傍晚，伦琴在维尔茨堡大学物理研究所大楼进行阴极射线实验时，无意中发现放在2米远处的一个小工作台上的荧光屏在闪烁。他没有放过这一现象，又重复了多次类似实验，结果荧光屏上出现了同样的闪光。因为阴极射线不能穿越几厘米的空气，伦琴认为，这是一种与红外线、可见光线以及当时已经知道的紫外线完全不同的射线，并给这种新发现的射线取了一个有点神秘的名字—X射线。
1912年，美国物理学家库利吉博士研制出新型X射线管这种X射线管可以承受高电压，高管电流，为X射线的工业应用提供了基础。1922年，美国马萨诸塞州某工厂首次使用了库利吉X射线机，第一次完成了真正的工业X射线照相。此后，X射线照相技术得到了迅速发展，1930年前后，射线照相检测技术正式进入工业应用；1940年前后，科学家首次提出了射线照相检测技术的基本理论；1970年以后，图像增强器射线实时成像检测技术，射线层析检测技术等发展迅速；1990年以后，射线检测技术进入了数字射线检测技术时代，成像板及线阵列射线实时成像检测技术和CT技术是发展的重点。
X射线是由轫致辐射产生的，当高速运动的电子被猝然遏止时，它的运动速度会急剧减小，甚至为0，其原来动能的一部分或者全部以电磁波的形式辐射出来。目前医用和工业用的X射线都是从X射线管中产生的。基于加速器的X光源可以在更短时间内产生更多的X射线，即更大的光子通量。
然而由于技术上的先在目前基于X光机和基于加速器的X光源，其最小脉冲宽度在ns量级，最小焦斑尺寸为mm量级。由于脉宽和焦斑的影响，这两种X光源都无法对超快过程实现高分辨率的照相。
随着科技的进步，材料科学、生物科学、基础物理等研究需要脉宽更短、焦斑更小的X射线源，同时需要多个方向的图像信息，特别是在材料微缺陷的形成、演化等过程研究中，对多角度高时间、空间分辨的X射线照相技术的需求更为迫切。
发明内容
为克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，可以实现瞬态过程的两个时刻的高分辨率照相。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，包括真空靶室，设置于真空靶室中部的样品安置部，用于产生飞秒激光的飞秒激光发生器，受飞秒激光驱动产生X射线的飞秒固体靶机构，与飞秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品一角度照相的飞秒照相机构，用于产生皮秒激光的皮秒激光发生器，受皮秒激光驱动产生X射线的皮秒固体靶机构，以及与皮秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品另一角度照相的皮秒照相机构，其中，所述飞秒照相机构和皮秒照相机构分别处于以所述样品安置部为圆心的圆的不同直径上。
本发明中优选地，所述飞秒激光的参数为：波长800nm，脉宽30fs，单次脉冲能量8J，光束直径150mm；所述皮秒激光的参数为：波长800nm，脉宽100ps，单次脉冲能量200J，光束直径150mm。
进一步地，所述飞秒固体靶机构包括与所述飞秒照相机构处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的飞秒固体靶，以及接收所述飞秒激光照射并将其反射至飞秒固体靶上的飞秒抛物面反射镜，其中所述飞秒抛物面反射镜的抛物面焦点处于飞秒固体靶上。
具体地，所述飞秒固体靶为铜圆柱靶，其厚度为50μm，特征线能量8.05keV。
具体地，所述飞秒抛物面反射镜的口径为200mm，焦距为1.4m，被其聚焦后的激光焦斑直径小于30μm。
更具体地，所述飞秒照相机构包括与所述飞秒固体靶处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的飞秒X光记录介质，以及设置于飞秒X光记录介质与样品安置部之间的飞秒屏蔽磁铁，其中，所述飞秒屏蔽磁铁的平均磁场强度为0.5T，其纵向长度为60mm，可屏蔽30MeV以下的电子。
为了保证照相质量，所述飞秒照相机构的放大倍率为25倍，其中，飞秒固体靶与样品安置部的距离为20mm，飞秒X光记录介质与样品安置部的距离为500mm。
进一步地，所述皮秒固体靶机构包括与所述皮秒照相机构处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的皮秒固体靶，以及接收所述皮秒激光照射并将其反射至皮秒固体靶上的皮秒抛物面反射镜，其中所述皮秒抛物面反射镜的抛物面焦点处于皮秒固体靶上。
具体地，所述皮秒固体靶为钛圆柱靶，其厚度为50μm，特征线能量4.5keV。
具体地，所述皮秒抛物面反射镜的口径为200mm，焦距为1.2m，被其聚焦后的激光焦斑直径小于30μm。
更具体地，所述皮秒照相机构包括与所述皮秒固体靶处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的皮秒X光记录介质，以及设置于皮秒X光记录介质与样品安置部之间的皮秒屏蔽磁铁，其中，所述皮秒屏蔽磁铁的平均磁场强度为0.5T，其纵向长度为60mm，可屏蔽30MeV以下的电子，以此去除超热电子对信号的影响。
为了保证照相质量，所述皮秒照相机构的放大倍率为30倍，其中，皮秒固体靶与样品安置部的距离为20mm，皮秒X光记录介质与样品安置部的距离为600mm。
更进一步地，所述飞秒照相机构和皮秒照相机构所处的以所述样品安置部为圆心的圆的直径相互垂直。
更具体地，所述飞秒X光记录介质和皮秒X光记录介质采用成像板或胶片等高敏感度材料，用于有效地记录X光信号。
在进一步的改进中，飞秒固体靶和皮秒固体靶除了采用柱状靶，还可以采用柱形阵列；由于不同材料产生的X光波长不同，不同形状产生的X光产额和发散角不同，因此在实际应用中可根据样品安置部内放置样品的特征选择不同材料的固体靶，一般选择金属材料。
本发明中系统实现的过程为：飞秒激光角度：飞秒激光发生器产生的飞秒激光经过飞秒抛物面反射镜被聚集在飞秒固体靶前表面，飞秒激光与飞秒固体靶物质相互作用产生大量超热电子和X射线，X射线沿飞秒固体靶法线方向出射，随后透射样品安置部上安置的样品，再经过飞秒屏蔽磁铁将超热电子屏蔽后，X射线被飞秒X光记录介质记录下来；皮秒激光角度：皮秒激光发生器产生的皮秒激光经过皮秒抛物面反射镜被聚集在皮秒固体靶前表面，皮秒激光与皮秒固体靶物质相互作用产生大量超热电子和X射线，X射线沿皮秒固体靶法线方向出射，随后投射样品安置部上安置的样品，再经过皮秒屏蔽磁铁将超热电子屏蔽后，X射线被皮秒X光记录介质记录下来。
本发明的关键点在于，采用了超短超强的飞秒激光和皮秒激光来驱动对应固体靶产生相应的超热电子以及所需脉冲宽度的X射线，同时从激光与固体靶物质的相互作用到超热电子和X射线与样品物质的相互作用，可以认为飞秒激光和皮秒激光所产生的X射线的脉冲宽度是相当的，由此便可在照相过程中调节飞秒激光和皮秒激光的时间差，实现两个时刻的动态照相过程。
再者，本发明通过设置了两束激光来实现两次照相，并将这两束激光（飞秒激光和皮秒激光）作用的固体靶法线方向设置为不同角度，有效地实现了X光的双轴照相，即从两个不同角度对样品进行照相，该两个不同角度的方向实质上是由两个固体靶（飞秒固体靶和皮秒固体靶）的法线方向决定，为了尽可能地降低产生的两束X光在照相时的相互影响，最大限度的得到样品密度信息，优选地，两个固体靶法线方向相互垂直（夹角90°）。
本发明中所述的双色，是指两种波长的X射线，X射线的波长由固体靶材料和超热电子共同决定，固体靶材料的原子序数起主导作用，选用不同材料的固体靶材料可实现对X射线波长的选择。实际应用中，可根据不同波长的X射线在材料中不同的透过率，来优化选择的X射线波长适合于不同面密度（材料厚度在X射线透射方向的积分值）材料的背光照相。本发明中飞秒激光驱动固体靶产生的X光光子产额约为皮秒激光器的1/10，这种光子产额的不同在照相过程中可以互补，得到更高的密度反演精度。
由于本发明中的X射线是由激光与固体靶物质相互作用产生的超热电子和固体靶内原子相互作用产生的，因此从固体靶靶背方向出射的不仅有X射线，还有大量的超热电子。同时由于现有的X光记录介质对电子信号都比较敏感，因此在X射线的光路上加入屏蔽磁体（飞秒屏蔽磁铁和皮秒屏蔽磁铁），来使这些超热电子偏出X光记录介质的接收范围。
进一步地，飞秒激光发生器和皮秒激光发生器的激光脉冲发生时间可以设置延时，不同时刻的X光可以照出动态的信息，其时间跨度由激光的延时决定，一般在500ns范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明具有普适性，对于超快过程和静态过程均可实现无损照相；
（2）脉宽短，本发明中产生的X光脉宽仅为皮秒量级，远低于目前常见的X光机和直线加速器驱动的脉宽，可以对皮秒量级的超快过程进行动态照相；
（3）双角度（双轴），同一实验中可以对动态过程进行两个方向X光照相；
（4）双色性，两束激光对应不同的固体靶材料，并还可进一步根据实验需求选择不同的固体靶材料，达到调节X射线波长的范围，进而拓展X光单次照相所能诊断的面密度范围的目的；
（5）高分辨率，X光照相所能达到的空间分辨率与X光的焦斑尺寸相关，光源越小分辨率越高，本发明中所产生的X光焦斑尺寸仅为数十微米量级；
因此，本发明在无损检测领域具有广泛的应用前景，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
由于超强激光的传输需在真空中进行，因此本发明的所有相关元素均置于真空中。
如图1所示，该基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，包括真空靶室1，设置于真空靶室中部的样品安置部2，用于产生飞秒激光的飞秒激光发生器3，受飞秒激光驱动产生X射线的飞秒固体靶机构，与飞秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品一角度照相的飞秒照相机构，用于产生皮秒激光的皮秒激光发生器8，受皮秒激光驱动产生X射线的皮秒固体靶机构，以及与皮秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品另一角度照相的皮秒照相机构，其中，所述飞秒照相机构和皮秒照相机构分别处于以所述样品安置部为圆心的圆的不同直径上，优选地，这两直径相互垂直。
进一步地，所述飞秒固体靶机构包括与所述飞秒照相机构处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的飞秒固体靶5，以及接收所述飞秒激光照射并将其反射至飞秒固体靶上的飞秒抛物面反射镜4，其中所述飞秒抛物面反射镜的抛物面焦点处于飞秒固体靶上。所述飞秒照相机构包括与所述飞秒固体靶处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的飞秒X光记录介质7，以及设置于飞秒X光记录介质与样品安置部之间的飞秒屏蔽磁铁6。
进一步地，所述皮秒固体靶机构包括与所述皮秒照相机构处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的皮秒固体靶10，以及接收所述皮秒激光照射并将其反射至皮秒固体靶上的皮秒抛物面反射镜9，其中所述皮秒抛物面反射镜的抛物面焦点处于皮秒固体靶上。所述皮秒照相机构包括与所述皮秒固体靶处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的皮秒X光记录介质12，以及设置于皮秒X光记录介质与样品安置部之间的皮秒屏蔽磁铁11。
X射线的波长由固体靶材料和超热电子共同决定，固体靶材料的原子序数起主导作用，选用不同材料的固体靶材料可实现对X射线波长的选择。如采用Al材料所产生的X光特征波长为1.5keV；采用Ti材料所产生的X光特征波长为4.5或4.75keV；采用Cu材料所产生的X光特征波长为8.05keV。
本发明中，飞秒激光驱动的X光与皮秒激光驱动的X光相互垂直，以保证最大限度的得到样品密度信息。
本实施例中具体地将各部分配置的具体参数及过程如下：
真空靶室采用圆形，其直径3.5m，其圆心处设置样品安置部，用于安放待检测样品13。
飞秒激光的光束参数为波长800nm，脉宽30fs，单次脉冲能量8J，光束直径150mm；飞秒激光经飞秒抛物面反射镜被反射和聚集于飞秒固体靶的前表面，飞秒抛物面反射镜口径为200mm，焦距为1.4m，被其聚焦后的激光焦斑直径小于30μm，飞秒固体靶为铜圆柱靶，其厚度为50μm，特征线能量8.05keV。透射出飞秒固体靶的X射线对安放于样品安置部内的样品进行照相后，继续通过飞秒屏蔽磁铁，电子在X射线的光路上被完全屏蔽，照相后的X射线最终被记录在飞秒X光记录介质上，其中飞秒屏蔽磁铁的平均磁场强度为0.5T，其纵向长度为60mm，可屏蔽30MeV以下的电子；飞秒X光记录介质为成像板IP，照相的放大倍率设定为25倍，飞秒固体靶与样品安置部的距离为20mm，飞秒X光记录介质与样品安置部的距离为500mm。
皮秒激光的光束参数为波长800nm，脉宽100ps，单次脉冲能量200J，光束直径150mm；皮秒激光经皮秒抛物面反射镜被反射和聚集于皮秒固体靶的前表面，皮秒抛物面反射镜口径为200mm，焦距为1.2m，被其聚焦后的激光焦斑直径小于30μm，皮秒固体靶为钛圆柱靶，其厚度为50μm，特征线能量4.5keV。透射出皮秒固体靶的X射线对安放于样品安置部内的样品进行照相后，继续通过皮秒屏蔽磁铁，电子在X射线的光路上被完全屏蔽，照相后的X射线最终被记录在皮秒X光记录介质上，其中皮秒屏蔽磁铁的平均磁场强度为0.5T，其纵向长度为60mm，可屏蔽30MeV以下的电子；皮秒X光记录介质为成像板IP，照相的放大倍率设定为30倍，皮秒固体靶与样品安置部的距离为20mm，皮秒X光记录介质与样品安置部的距离为600mm。
在照相过程中调节飞秒激光和皮秒激光的时间差，实现两个时刻的动态照相过程。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，包括真空靶室，设置于真空靶室中部的样品安置部，用于产生飞秒激光的飞秒激光发生器，受飞秒激光驱动产生X射线的飞秒固体靶机构，与飞秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品一角度照相的飞秒照相机构，用于产生皮秒激光的皮秒激光发生器，受皮秒激光驱动产生X射线的皮秒固体靶机构，以及与皮秒固体靶机构产生的X射线配合实现样品另一角度照相的皮秒照相机构，其中，所述飞秒照相机构和皮秒照相机构分别处于以所述样品安置部为圆心的圆的不同直径上；在照相过程中调节飞秒激光和皮秒激光的时间差，实现两个时刻的动态照相过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述飞秒固体靶机构包括与所述飞秒照相机构处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的飞秒固体靶，以及接收所述飞秒激光照射并将其反射至飞秒固体靶上的飞秒抛物面反射镜，其中所述飞秒抛物面反射镜的抛物面焦点处于飞秒固体靶上。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述飞秒固体靶为铜圆柱靶。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述飞秒抛物面反射镜的口径为200mm，焦距为1.4m，被其聚焦后的激光焦斑直径小于30μm。
5.根据权利要求2～4任一项所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述飞秒照相机构包括与所述飞秒固体靶处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的飞秒X光记录介质，以及设置于飞秒X光记录介质与样品安置部之间的飞秒屏蔽磁铁。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述皮秒固体靶机构包括与所述皮秒照相机构处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的皮秒固体靶，以及接收所述皮秒激光照射并将其反射至皮秒固体靶上的皮秒抛物面反射镜，其中所述皮秒抛物面反射镜的抛物面焦点处于皮秒固体靶上。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述皮秒固体靶为钛圆柱靶。
8.根据权利要求6所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述皮秒抛物面反射镜的口径为200mm，焦距为1.2m，被其聚焦后的激光焦斑直径小于30μm。
9.根据权利要求6～8任一项所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述皮秒照相机构包括与所述皮秒固体靶处于以所述样品安置部为圆心的圆的同一直径上的皮秒X光记录介质，以及设置于皮秒X光记录介质与样品安置部之间的皮秒屏蔽磁铁。
10.根据权利要求1所述的一种基于激光驱动固体靶的超短X射线双角度双色背光照相系统，其特征在于，所述飞秒照相机构和皮秒照相机构所处的以所述样品安置部为圆心的圆的直径相互垂直。
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