CN107765506A - 一种硬x射线分幅相机及其探测硬x射线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬X射线分幅相机及其探测硬X射线方法，解决了现有技术无法对能段范围为几十keV～几百keV的硬X射线进行具有时间分辨能力的二维成像的问题。本发明分幅相机包括多通道硬X射线探测阴极、微通道板、荧光屏、CCD、针孔阵列板、电气控制系统、阴极Au微带、导电薄层、微通道板Au微带，探测方法主要是靶发射硬X射线脉冲经过针孔阵列板、多通道硬X射线探测阴极、微通道板和荧光屏，最后在CCD上成像。本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，能有效对能段范围为几十keV～几百keV的硬X射线进行具有时间分辨能力的二维成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬X射线分幅相机及其探测硬X射线方法。
背景技术
X射线分幅相机是一种具备时间分辨能力的二维图像测量装置，广泛应用于几乎所有的涉及X射线的超快现象诊断，例如：同步辐射、惯性约束聚变、Z箍缩等离子体、直线加速器的光学测量等，其范围涵盖了生物医学、核物理学、等离子物理学、强场物理学等。
然而目前X射线分幅相机采用Au或者CsI作为阴极材料，对X射线的响应范围小于25keV。无法对能段范围为几十keV～几百keV的硬X射线进行响应，然而在某些情况下，如惯性约束聚变物理研究中，这个能段范围内的X射线具有时间分辨能力的二维成像却是非常必要的。针对这种情况，我们设计了一种硬X射线分幅相机，可以针对几十～几百keV的硬X射线进行二维图像测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种硬X射线分幅相机及其探测硬X射线方法，解决现有技术无法对能段范围为几十keV～几百keV的硬X射线进行具有时间分辨能力的二维成像的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种硬X射线分幅相机，包括多通道硬X射线探测阴极、微通道板、荧光屏、CCD、针孔阵列板、以及电气控制系统，所述多通道硬X射线探测阴极的输入面蒸镀有阴极Au微带，所述多通道硬X射线探测阴极的输出面与所述微通道板的输入面相贴合，并且在所述多通道硬X射线探测阴极的输出面与所述微通道板的输入面之间蒸镀有一层导电薄层，所述导电薄层接地，所述微通道板的输出面蒸镀有与所述阴极Au微带相对应的微通道板Au微带，所述荧光屏位于所述微通道板后方并距离所述微通道板的输出面0.3～1mm，所述CCD紧贴于所述荧光屏的后面，所述多通道硬X射线探测阴极、微通道板、荧光屏和CCD内置于具有锥形前端的光密封腔体内，所述针孔阵列板位于所述光密封腔体的锥形前端处并且与所述阴极Au微带的成像位置相对应，所述电气控制系统分别与所述阴极Au微带、所述微通道板Au微带和所述荧光屏电连接，为所述多通道硬X射线探测阴极的输入面和所述微通道板的输出面之间、以及所述微通道板的输出面和所述荧光屏之间加载工作电压。
进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极包括在硬X射线光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级光电子的阴极基底，以及等距陈列于所述阴极基底上的两个以上阴极通道，每个所述阴极通道内壁上均设有一层碱金属镀层，所有所述阴极通道均为贯穿所述阴极基底正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底上的初级光电子到达所述阴极通道时将电离该阴极通道内壁上的碱金属镀层从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道内经过雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极输入面和所述微通道输出面之间的电压作用下来到所述微通道组；所有所述阴极通道的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道与所述阴极基底的法线之间的夹角一致，为0.1°-15°。
进一步地，所述阴极基底的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的质量百分比不低于40％。
进一步地，所述多通道硬X射线探测光阴极的工作增益为5-100，所述阴极基底的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层为金属Na镀层或金属K镀层。
进一步地，所述荧光屏包括光纤面板，以及附着在所述光纤面板朝向所述微通道板的侧面上的荧光粉层，所述荧光粉层的厚度为3μm-8μm，并且该荧光粉层所采用的荧光粉为P11型荧光粉或P20型荧光粉。
进一步地，所述针孔阵列板由W或者Ta制成，其厚度为10～50μm，其针孔直径为5～10μm。
进一步地，所述阴极Au微带由一条Au微带弯曲成到“S”形蒸镀在所述多通道硬X射线探测阴极的输入面上，所述微通道板Au微带由一条Au微带弯曲成到“S”形蒸镀在所述微通道板的输出面上，并且所述Au微带的宽度为6～8mm。
进一步地，所述阴极Au微带由两条以上Au微带等距分布于所述多通道硬X射线探测阴极的输入面上，所述微通道板Au微带由两条以上Au微带等距分布于所述微通道板的输出面上，并且所述Au微带的宽度为6～8mm。
一种硬X射线分幅相机探测硬X射线方法，包括以下步骤：
(1)电气控制系统在阴极Au微带和微通道板Au微带之间加载高压脉冲工作电压，同时在微通道板Au微带和荧光屏之间加载高压工作电压；
(2)靶发射硬X射线脉冲经过针孔阵列板照射到阴极Au微带相应位置成像，阴极基底在与阴极Au微带成像位置相对应的位置产生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在脉冲电压作用下低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束在脉冲电压作用下来到微通道板进行增益放大；
(6)增益放大后的电子束在微通道板Au微带和荧光屏之间的高电场作用下加速撞在荧光屏上并被荧光屏转化为可见光脉冲，位于荧光屏后的CCD对该可见光脉冲进行采集，由CCD计数/像素随时间的变化，即可得到硬X射线强度随时间变化的多幅二维图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，能有效对能段范围为几十keV～几百keV的硬X射线进行具有时间分辨能力的二维成像。
(2)本发明在工作时，负高压为-500～-1500V且窄脉冲为100ps～900ps的负高压脉冲、以及正高压为500～1500V且窄脉冲(100ps～900ps)的正高压脉冲分别通过同轴电缆耦合到阴极Au微带和微通道板Au微带上，靶发射的硬X射线脉冲通过针孔阵列板照射到阴极Au微带相应的位置上。当高压脉冲以行波速度(约0.5c)传输至硬X射线在阴极Au微带的相应成像位置时，该位置的多通道硬X射线探测阴极和微通道板在高压脉冲电场的作用下，将X射线光子转化的电子进行倍增，在微通道的输出端倍增的电子束团经过微通道板和荧光屏之间的高电场(电压差约3keV)加速后撞在荧光屏上并被转化为可见光脉冲，由位于荧光屏后的CCD或者光学胶片采集。由CCD计数/像素或者胶片灰度随时间的变化，可得到硬X射线强度随时间变化的多幅(以一定时间间隔)二维图像。
(3)本发明多通道硬X射线探测阴极采用在阴极基底上开设等距阵列分布的若干个阴极通道，并在阴极通道的内壁上镀设碱金属镀层，该碱金属镀层可以是金属Na镀层或金属K镀层，当能段范围为10-300keV的硬X射线照射至阴极基底时，会产生高能初级光电子，该高能初级光电子进入阴极通道后会电离阴极通道内壁上的碱金属镀层(金属Na镀层或金属K镀层)以产生能量小于50eV的二级电子，所产生的二级电子在阴极通道内经过雪崩放大后传播至阴极通道另一端并被位于后方的设备接收探测。
(4)本发明多通道硬X射线探测阴极的阴极基底厚度为0.3-30mm，形状可根据实际情况制定，阴极通道的直径为3μm-30μm，相邻阴极通道的间距为5μm-35μm，并且阴极通道与阴极基底的法线之间呈一个0.1°-15°的夹角；相邻阴极通道的间距形成高能初级光电子穿越该相邻阴极通道之间的“墙壁厚度”，因阴极基底伤等距阵列有多个阴极通道，因此高能初级光电子只需要穿越阴极通道之间的“墙壁厚度”就能到达阴极通道内，故阴极基底可以做厚以探测能段范围为10-300keV的硬X射线；同时，本发明在进行能段范围为10-300keV的硬X射线的探测时，所产生的初级光电子和二级电子的过程均为电离，而电离过程则可以看作是瞬态物理过程，时间尺度大约为1×10-21s，远远小于闪烁体的退激弛豫时间，有效实现了余晖时间短的目的；如此相比于现有技术可将时间分辨率至少提高一个量级，同时还可将空间分辨率优化至0.06mm。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明微带采用两种方式蒸镀后示意图。
图3为本发明工作示意图。
图4为本发明多通道硬X射线探测阴极结构示意图。
图5为图4中的A-A截面图。
图6为本发明各部件连接框图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-多通道硬X射线探测阴极、2-微通道板、3-荧光屏、4-CCD、5-针孔阵列板、6-电气控制系统、7-阴极Au微带、8-导电薄层、9-微通道板Au微带、11-阴极基底、12-阴极通道、13-碱金属镀层。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1-6所示，本发明提供的一种硬X射线分幅相机，结构简单、设计科学合理，使用方便，能有效对能段范围为几十keV～几百keV的硬X射线进行具有时间分辨能力的二维成像。本发明包括多通道硬X射线探测阴极1、微通道板2、荧光屏3、CCD4、针孔阵列板5、以及电气控制系统6，所述多通道硬X射线探测阴极1的输入面蒸镀有阴极Au微带7，所述多通道硬X射线探测阴极1的输出面与所述微通道板2的输入面相贴合，并且在所述多通道硬X射线探测阴极1的输出面与所述微通道板2的输入面之间蒸镀有一层导电薄层8，所述导电薄层8接地，所述微通道板2的输出面蒸镀有与所述阴极Au微带7相对应的微通道板Au微带9，所述荧光屏3位于所述微通道板2后方并距离所述微通道板2的输出面0.3～1mm，所述CCD4紧贴于所述荧光屏3的后面，所述多通道硬X射线探测阴极1、微通道板2、荧光屏3和CCD4内置于具有锥形前端的光密封腔体内，所述针孔阵列板5位于所述光密封腔体的锥形前端处并且与所述阴极Au微带7的成像位置相对应，所述电气控制系统6分别与所述阴极Au微带7、所述微通道板Au微带9和所述荧光屏(3)电连接，为所述多通道硬X射线探测阴极1的输入面和所述微通道板2的输出面之间、以及所述微通道板2的输出面和所述荧光屏3之间加载工作电压。
本发明所述多通道硬X射线探测光阴极1包括在硬X射线光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级光电子的阴极基底11，以及等距陈列于所述阴极基底11上的两个以上阴极通道12，每个所述阴极通道12内壁上均设有一层碱金属镀层13，所有所述阴极通道12均为贯穿所述阴极基底11正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底11上的初级光电子到达所述阴极通道12时将电离该阴极通道12内壁上的碱金属镀层13从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道12内经过雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极1输入面和所述微通道输出面之间的电压作用下来到所述微通道组；所有所述阴极通道12的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道12之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道12与所述阴极基底11的法线之间的夹角一致，为0.1°-15°。
本发明所述阴极基底11的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的质量百分比不低于40％，所述多通道硬X射线探测光阴极1的工作增益为5-100，所述阴极基底11的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层13为金属Na镀层或金属K镀层。
本发明多通道硬X射线探测阴极采用在阴极基底上开设等距阵列分布的若干个阴极通道，并在阴极通道的内壁上镀设碱金属镀层，该碱金属镀层可以是金属Na镀层或金属K镀层，当能段范围为10-300keV的硬X射线照射至阴极基底时，会产生高能初级光电子，该高能初级光电子进入阴极通道后会电离阴极通道内壁上的碱金属镀层(金属Na镀层或金属K镀层)以产生能量小于50eV的二级电子，所产生的二级电子在阴极通道内经过雪崩放大后传播至阴极通道另一端并被位于后方的设备接收探测。
本发明多通道硬X射线探测阴极的阴极基底厚度为0.3-30mm，形状可根据实际情况制定，阴极通道的直径为3μm-30μm，相邻阴极通道的间距为5μm-35μm，并且阴极通道与阴极基底的法线之间呈一个0.1°-15°的夹角；相邻阴极通道的间距形成高能初级光电子穿越该相邻阴极通道之间的“墙壁厚度”，因阴极基底伤等距阵列有多个阴极通道，因此高能初级光电子只需要穿越阴极通道之间的“墙壁厚度”就能到达阴极通道内，故阴极基底可以做厚以探测能段范围为10-300keV的硬X射线；同时，本发明在进行能段范围为10-300keV的硬X射线的探测时，所产生的初级光电子和二级电子的过程均为电离，而电离过程则可以看作是瞬态物理过程，时间尺度大约为1×10-21s，远远小于闪烁体的退激弛豫时间，有效实现了余晖时间短的目的；如此相比于现有技术可将时间分辨率至少提高一个量级，同时还可将空间分辨率优化至0.06mm。
本发明所述荧光屏3包括光纤面板，以及附着在所述光纤面板朝向所述微通道板2的侧面上的荧光粉层，所述荧光粉层的厚度为3μm-8μm，并且该荧光粉层所采用的荧光粉为P11型荧光粉或P20型荧光粉。所述针孔阵列板5由W或者Ta制成，其厚度为10～50μm，其针孔直径为5～10μm，并且所述针孔阵列板5的具体厚度和针孔直径根据所测X射线的能段选择，同时通过调节针孔阵列板5的前后距离可以调节相机系统的放大倍数。
本发明所述阴极Au微带7可以是由一条Au微带弯曲成到“S”形蒸镀在所述多通道硬X射线探测阴极1的输入面上，也可以是由两条以上Au微带等距分布于所述多通道硬X射线探测阴极1的输入面上，最好是四条Au微带；同样的，所述微通道板Au微带9可以是由一条Au微带弯曲成到“S”形蒸镀在所述微通道板2的输出面上，也可以是由两条以上Au微带等距分布于所述微通道板2的输出面上，最好是四条Au微带。所述Au微带的宽度为6～8mm。
一种硬X射线分幅相机探测硬X射线方法，包括以下步骤：
(1)电气控制系统在阴极Au微带和微通道板Au微带之间加载高压脉冲工作电压，同时在微通道板Au微带和荧光屏之间加载高压工作电压；
(2)靶(图中未视出)发射硬X射线脉冲经过针孔阵列板照射到阴极Au微带相应位置成像，阴极基底在与阴极Au微带成像位置相对应的位置产生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在脉冲电压作用下低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束在脉冲电压作用下来到微通道板进行增益放大；
(6)增益放大后的电子束在微通道板Au微带和荧光屏之间的高电场作用下加速撞在荧光屏上并被荧光屏转化为可见光脉冲，位于荧光屏后的CCD对该可见光脉冲进行采集，由CCD计数/像素随时间的变化，即可得到硬X射线强度随时间变化的多幅(以一定时间间隔)二维图像。
本发明也可以采用光学胶片代替CCD进行二维成像。
本发明在工作时，负高压为-500～-1500V且窄脉冲为100ps～900ps的负高压脉冲、以及正高压为500～1500V且窄脉冲(100ps～900ps)的正高压脉冲分别通过同轴电缆耦合到阴极Au微带和微通道板Au微带上，靶发射的硬X射线脉冲通过针孔阵列板照射到阴极Au微带相应的位置上。当高压脉冲以行波速度(约0.5c)传输至硬X射线在阴极Au微带的相应成像位置时，该位置的多通道硬X射线探测阴极和微通道板在高压脉冲电场的作用下，将X射线光子转化的电子进行倍增，在微通道的输出端倍增的电子束团经过微通道板和荧光屏之间的高电场(电压差约3keV)加速后撞在荧光屏上并被转化为可见光脉冲，由位于荧光屏后的CCD或者光学胶片采集。由CCD计数/像素或者胶片灰度随时间的变化，可得到硬X射线强度随时间变化的多幅(以一定时间间隔)二维图像。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种硬X射线分幅相机，其特征在于，包括多通道硬X射线探测阴极(1)、微通道板(2)、荧光屏(3)、CCD(4)、针孔阵列板(5)、以及电气控制系统(6)，所述多通道硬X射线探测阴极(1)的输入面蒸镀有阴极Au微带(7)，所述多通道硬X射线探测阴极(1)的输出面与所述微通道板(2)的输入面相贴合，并且在所述多通道硬X射线探测阴极(1)的输出面与所述微通道板(2)的输入面之间蒸镀有一层导电薄层(8)，所述导电薄层(8)接地，所述微通道板(2)的输出面蒸镀有与所述阴极Au微带(7)相对应的微通道板Au微带(9)，所述荧光屏(3)位于所述微通道板(2)后方并距离所述微通道板(2)的输出面0.3～1mm，所述CCD(4)紧贴于所述荧光屏(3)的后面，所述多通道硬X射线探测阴极(1)、微通道板(2)、荧光屏(3)和CCD(4)内置于具有锥形前端的光密封腔体内，所述针孔阵列板(5)位于所述光密封腔体的锥形前端处并且与所述阴极Au微带(7)的成像位置相对应，所述电气控制系统(6)分别与所述阴极Au微带(7)、所述微通道板Au微带(9)和所述荧光屏(3)电连接，为所述多通道硬X射线探测阴极(1)的输入面和所述微通道板(2)的输出面之间、以及所述微通道板(2)的输出面和所述荧光屏(3)之间加载工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种硬X射线分幅相机，其特征在于，所述多通道硬X射线探测光阴极(1)包括在硬X射线光子照射下与该照射的硬X射线光子发生作用产生初级光电子的阴极基底(11)，以及等距陈列于所述阴极基底(11)上的两个以上阴极通道(12)，每个所述阴极通道(12)内壁上均设有一层碱金属镀层(13)，所有所述阴极通道(12)均为贯穿所述阴极基底(11)正反两面的贯穿性孔道，当产生于所述阴极基底(11)上的初级光电子到达所述阴极通道(12)时将电离该阴极通道(12)内壁上的碱金属镀层(13)从而产生低能二级电子，并且所述二级电子在该阴极通道(12)内经过雪崩放大后在所述多通道硬X射线探测光阴极(1)输入面和所述微通道输出面之间的电压作用下来到所述微通道组；所有所述阴极通道(12)的直径相同，为3μm-30μm，所有相邻的所述阴极通道(12)之间的间距相同，为5μm-35μm，并且所有所述阴极通道(12)与所述阴极基底(11)的法线之间的夹角一致，为0.1°-15°。
3.根据权利要求2所述的一种硬X射线分幅相机，其特征在于，所述阴极基底(11)的成份为Pb、Si和O元素，其中铅元素的质量百分比不低于40％。
4.根据权利要求3所述的一种硬X射线分幅相机，其特征在于，所述多通道硬X射线探测光阴极(1)的工作增益为5-100，所述阴极基底(11)的厚度为0.5mm-3mm，所述二级电子为能量小于50eV的电子，所述碱金属镀层(13)为金属Na镀层或金属K镀层。
5.根据权利要求4所述的一种硬X射线分幅相机，其特征在于，所述荧光屏(3)包括光纤面板，以及附着在所述光纤面板朝向所述微通道板(2)的侧面上的荧光粉层，所述荧光粉层的厚度为3μm-8μm，并且该荧光粉层所采用的荧光粉为P11型荧光粉或P20型荧光粉。
6.根据权利要求5所述的一种硬X射线分幅相机，其特征在于，所述针孔阵列板(5)由W或者Ta制成，其厚度为10～50μm，其针孔直径为5～10μm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种硬X射线分幅相机，其特征在于，所述阴极Au微带(7)由一条Au微带弯曲成到“S”形蒸镀在所述多通道硬X射线探测阴极(1)的输入面上，所述微通道板Au微带(9)由一条Au微带弯曲成到“S”形蒸镀在所述微通道板(2)的输出面上，并且所述Au微带的宽度为6～8mm。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种硬X射线分幅相机，其特征在于，所述阴极Au微带(7)由两条以上Au微带等距分布于所述多通道硬X射线探测阴极(1)的输入面上，所述微通道板Au微带(9)由两条以上Au微带等距分布于所述微通道板(2)的输出面上，并且所述Au微带的宽度为6～8mm。
9.一种硬X射线分幅相机探测硬X射线方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电气控制系统在阴极Au微带和微通道板Au微带之间加载高压脉冲工作电压，同时在微通道板Au微带和荧光屏之间加载高压工作电压；
(2)靶发射硬X射线脉冲经过针孔阵列板照射到阴极Au微带相应位置成像，阴极基底在与阴极Au微带成像位置相对应的位置产生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在脉冲电压作用下低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束在脉冲电压作用下来到微通道板进行增益放大；
(6)增益放大后的电子束在微通道板Au微带和荧光屏之间的高电场作用下加速撞在荧光屏上并被荧光屏转化为可见光脉冲，位于荧光屏后的CCD对该可见光脉冲进行采集，由CCD计数/像素随时间的变化，即可得到硬X射线强度随时间变化的多幅二维图像。
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