CN108562599A - 基于激光产生x射线成像的高分辨及高亮度照相装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，解决现有技术采用超短激光束与金属丝靶产生X射线源进行照相时浪费激光能量以及所照相图像不清晰的问题。本发明包括超短激光发射器，编码靶，X射线成像探测器，以及PC机，被成像客体位于编码靶和X射线成像探测器之间，编码靶包括用于将超短激光发射器所产生的超短激光束通过激光等离子体相互作用以生成X射线的金属丝阵列，以及对金属丝阵列进行定型固定并防止激光等离子体膨胀的低密度非金属材料体。本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，可获得高分辨及高亮度照相图像，同时还能提高激光利用率，节约激光能量。
Description
技术领域
本发明涉及基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置。
背景技术
随着基础物理、材料科学研究的深入与精细，对动态演化过程成像诊断的时间分辨、空间分辨要求不断提高，超短激光产生的X射线源具有高时间分辨(几ps至几十ps)、能量可调谐(几个keV至十几MeV)的优点，通过与金属丝靶等作用可以产生焦点很小的X射线源，能够提供高时空分辨的照相图像。但是受限于超短激光能量不足，激光与金属丝靶相互作用面积十分有限，大量激光能量浪费，超短激光与金属丝靶产生的X射线源光源亮度不足，难以满足照相信噪比的要求，无法获得清晰的照相图像。因此本发明提出了采用编码靶的新型照相技术，通过小的丝直径确保高空间分辨率，多的丝数目提高编码靶与激光相互作用的面积，可以为物理、材料等领域动态过程研究提供高时空分辨、高亮度的X射线照相图像。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，解决现有技术采用超短激光束与金属丝靶产生X射线源进行照相时浪费激光能量以及所照相图像不清晰的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，包括用于产生超短激光束的超短激光发射器，位于所述超短激光发射器正后方、用于将所述超短激光发射器所产生的超短激光束通过激光等离子体相互作用以生成X射线、并将所生成的X射线对被成像客体进行透视照相的编码靶，位于所述编码靶正后方以记录所述被成像客体透视照相后的照相图像的X射线成像探测器，以及与该X射线成像探测器信号连接用于显示所述被成像客体的高分辨及高亮度图像的PC机，所述被成像客体位于所述编码靶和所述X射线成像探测器之间，所述编码靶包括用于将所述超短激光发射器所产生的超短激光束通过激光等离子体相互作用以生成X射线的金属丝阵列，以及对所述金属丝阵列进行定型固定并防止激光等离子体膨胀的低密度非金属材料体。
进一步地，所述金属丝阵列采用若干根金属丝按照自支撑冗余阵列编码方式进行分布，并且所述金属丝为可电沉积金属丝。
进一步地，所述金属丝阵列中的金属丝为铜丝或银丝或金丝。
进一步地，所述低密度非金属材料体中的低密度非金属材料为聚乙烯或聚甲基丙稀酸甲酯。
进一步地，所述编码靶的规格为3×3或5×5或7×7或11×11，并且上述四种规格所述编码靶中金属丝阵列中金属丝的数量分别为6根、14根、26根和62根。
进一步地，所述金属丝的直径为1-10微米，长度为10-300微米。
进一步地，所述X射线成像探测器朝向所述编码靶的一面包覆有一层金属滤片，并且制成所述金属滤片的材料与所述编码靶中金属丝的材料相同。
进一步地，所述金属滤片的厚度为50μm-10mm，大小为5cm-30cm见方。
进一步地，所述X射线成像探测器位于所述被成像客体的一侧设有用于偏转所述超短激光束照射至所述编码靶后所产生的质子束及电子束的偏转磁铁，并且所述偏转磁铁的偏转磁铁间隙为2cm-20cm、磁场强度为1000G-8000G。
进一步地，所述超短激光束为脉宽≤100ps的脉冲或重复频率激光束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，由超短激光发射器发射出超短激光束打到编码靶上，编码靶主要由多根数(几十根以上)、小直径(几μm以内)金属丝按照编码模式(自支撑冗余阵列等方式)排列构成，并由低密度非金属材料体进行定型，当超短激光束打到编码靶上后，通过激光等离子体相互作用产生高亮度X射线源(X射线光源亮度具体参数可由所有金属丝发射的X射线强度积分得到)，因此，X射线源透射被成像客体后可获得高分辨、高亮度被成像客体透视照相图像，极限最高空间分辨率与金属丝的直径相当，透视照相图像被位于被成像客体后方的X射线成像探测器记录并通过与X射线成像探测器连接的PC机进行显示。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明X射线成像探测器截面图。
图3为本发明金属丝按自支撑冗余阵列分布视图(图中白色为金属丝，黑色为低密度非金属材料体)。
图4为本发明实施例中金属丝按均匀冗余阵列分布视图(图中白色为金属丝，黑色为低密度非金属材料体)。
图5为本发明实施例中金属丝按改进的均匀冗余阵列分布视图(图中白色为金属丝，黑色为低密度非金属材料体)。
图6为本发明实施例中金属丝按环形分布视图(图中白色为金属丝，黑色为低密度非金属材料体)。
其中，附图标记对应的名称为：
1-超短激光发射器、2-编码靶、3-X射线成像探测器、4-PC机、5-被成像客体、6-偏转磁铁、11-超短脉冲激光束、21-金属丝阵列、22-低密度非金属材料体、31-金属滤片。
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1-3所示，本发明提供的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，结构简单、设计科学合理，使用方便，能够利用超短激光束产生X射线实现高分辨、高亮度被成像客体透视照相。本发明包括依次排列的超短激光发射器1、编码靶2、被成像客体5、偏转磁铁6、X射线成像探测器3和PC机4，超短激光发射器1用于发射脉宽≤100ps的超短脉冲激光束11或重复频率激光束并将所发射的超短脉冲激光束打到编码靶2上。
所述编码靶2主要由若干根金属丝按照自支撑冗余阵列编码方式排列成的金属丝阵列21构成，并且该金属丝阵列21通过低密度非金属材料体22进行定型固定，所述编码靶2的规格可选用3×3或5×5或7×7或11×11，这四种规格的编码靶2中所含金属丝的数量分别为6根、14根、26根和62根，多根金属丝可有效提高编码靶与超短脉冲激光束相互作用的面积，提高超短脉冲激光束的利用率，节约激光能量，其中金属丝阵列21中的金属丝为可电沉积金属丝，最好为铜丝或银丝或金丝，金属丝的直径范围在1-10微米最佳，长度范围在10-300微米最佳，所述低密度非金属材料体22中的低密度非金属材料最好选用聚乙烯或聚甲基丙稀酸甲酯，该低密度非金属材料体22还能起到防止激光等离子体膨胀的作用。
当超短脉冲激光束打到编码靶2上时，超短脉冲激光束通过激光等离子体相互作用生成X射线，此时所述编码靶2上的每一根金属丝即为一个X射线源，其X射线对被成像客体5透射成像，并由位于被成像客体5正后方的X射线成像探测器3进行记录，同时被成像客体5的照相图像在与所述X射线成像探测器3信号连接的PC机4上进行高分辨及高亮度照相图像的显示，该X射线成像探测器3可以采用成像板、X射线CCD、或荧光屏(CsI等材料)耦合可见光CCD等结构。
本发明为了对照相X射线能量进行选择，同时还对X射线成像探测器3进行保护，在X射线成像探测器3的正面，也即是朝向编码靶2的一面包覆有一层金属滤片31，该金属滤片31的材料与所述编码靶2中金属丝的材料相同，并且所述金属滤片31的厚度为50μm-10mm，大小为5cm-30cm见方，金属滤片31的大小以能包覆所述X射线成像探测器3为主。
本发明为了保证良好的照相质量，在所述X射线成像探测器3位于所述被成像客体5的一侧设有用于偏转所述超短激光束照射至所述编码靶2后所产生的质子束及电子束的偏转磁铁6，该偏转磁铁6能产生大间隙、高磁场强度的偏转磁场，所述偏转磁铁6的偏转磁铁间隙为2cm-20cm、磁场强度为1000G-8000G。
工作时，超短脉冲激光束入射到编码靶，通过激光束在金属丝与低密度非金属材料中产生强的电磁场结构，通过加速这些材料中的核外电子，形成高能电子束，该高能电子束再与金属丝材料通过轫致辐射、特征线发射等作用产生不同能量的X射线源，由于只有金属丝材料能够发射X射线，因此通过设计的编码靶可实现对X射线发射区域的规则排列，即实现X射线空间发射区域的编码。本发明由于X射线是由编码靶上多个小尺寸X射线源发射，因此照相图像是由多个被成像客体5图像的叠加组成，数学上表达为编码模式与被成像客体5图像的卷积结果。为了获得真实的被成像客体5的图像，在PC机4内安装反演算法程序，将反演算法作用于照相图像，通过去卷积、降噪平滑等图像处理，获得反演图像，即能反映真实的被成像客体5的图像。
反演算法主要作用有两个方面：一是降低实验图像噪声；二是在照相图像上通过去卷积方法去除编码模式的影响，从而获得清晰的真实被成像客体图像。其中降噪方法主要有均值滤波、中值滤波等；去卷积方法主要有维纳滤波、逆滤波、RL(Richardson-Lucy)算法等。上述方法均为一般数字图像处理书中的经典方法，具体内容在此不再赘述。
显然的，编码靶2中金属丝的阵列分布还可以采用其他的分布方式，例如均匀冗余阵列(如图4所示)、改进的均匀冗余阵列(如图5所示)、以及环形(如图6所示)，具体选用何种分布方式，依据实际情况而定。
本发明由超短激光发射器发射出超短激光束打到编码靶上，编码靶主要由多根数(几十根以上)、小直径(几μm以内)金属丝按照编码模式(自支撑冗余阵列等方式)排列构成，并由低密度非金属材料体进行定型，当超短激光束打到编码靶上后，通过激光等离子体相互作用产生高亮度X射线源(X射线光源亮度具体参数可由所有金属丝发射的X射线强度积分得到)，因此，X射线源透射被成像客体后可获得高分辨、高亮度被成像客体透视照相图像，极限最高空间分辨率与金属丝的直径相当，透视照相图像被位于被成像客体后方的X射线成像探测器记录并通过与X射线成像探测器连接的PC机进行显示。
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 (10)
1.基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：包括用于产生超短激光束的超短激光发射器(1)，位于所述超短激光发射器(1)正后方、用于将所述超短激光发射器(1)所产生的超短激光束通过激光等离子体相互作用以生成X射线、并将所生成的X射线对被成像客体(5)进行透视照相的编码靶(2)，位于所述编码靶(2)正后方以记录所述被成像客体(5)透视照相后的照相图像的X射线成像探测器(3)，以及与该X射线成像探测器(3)信号连接用于显示所述被成像客体(5)的高分辨及高亮度图像的PC机(4)，所述被成像客体(5)位于所述编码靶(2)和所述X射线成像探测器(3)之间，所述编码靶(2)包括用于将所述超短激光发射器(1)所产生的超短激光束通过激光等离子体相互作用以生成X射线的金属丝阵列(21)，以及对所述金属丝阵列(21)进行定型固定并防止激光等离子体膨胀的低密度非金属材料体(22)。
2.根据权利要求1所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述金属丝阵列(21)采用若干根金属丝按照自支撑冗余阵列编码方式进行分布，并且所述金属丝为可电沉积金属丝。
3.根据权利要求2所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述金属丝阵列(21)中的金属丝为铜丝或银丝或金丝。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述低密度非金属材料体(22)中的低密度非金属材料为聚乙烯或聚甲基丙稀酸甲酯。
5.根据权利要求4所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述编码靶(2)的规格为3×3或5×5或7×7或11×11，并且上述四种规格所述编码靶(2)中金属丝阵列(21)中金属丝的数量分别为6根、14根、26根和62根。
6.根据权利要求5所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述金属丝的直径为1-10微米，长度为10-300微米。
7.根据权利要求6所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述X射线成像探测器(3)朝向所述编码靶(2)的一面包覆有一层金属滤片(31)，并且制成所述金属滤片(31)的材料与所述编码靶(2)中金属丝的材料相同。
8.根据权利要求7所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述金属滤片(31)的厚度为50μm-10mm，大小为5cm-30cm见方。
9.根据权利要求8所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述X射线成像探测器(3)位于所述被成像客体(5)的一侧设有用于偏转所述超短激光束照射至所述编码靶(2)后所产生的质子束及电子束的偏转磁铁(6)，并且所述偏转磁铁(6)的偏转磁铁间隙为2cm-20cm、磁场强度为1000G-8000G。
10.根据权利要求9所述的基于激光产生X射线成像的高分辨及高亮度照相装置，其特征在于：所述超短激光束为脉宽≤100ps的脉冲或重复频率激光束。
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