CN109975859B - 一种高时空分辨软x射线辐射流定量测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，所述系统被测光源置于两个掠入射X射线显微镜前方，光源发射的X射线分别通过显微镜的两个通道，再经开缝闪烁体、中性衰减片、复合滤片，分别成像于X射线二极管探测器和X射线条纹相机光阴极上，产生光电子，可对X射线辐射流进行高时空分辨测量；与现有技术相比，本发明采用掠入射X射线显微镜代替针孔进行成像,提高了测量系统空间分辨率和灵敏度，条纹相机与X射线二极管探测器对比测量，实现条纹相机对X射线辐射流定量测量,提高了辐射流测量的时间分辨率。本发明可对纳秒脉冲软X射线源辐射的能流进行高时空分辨的定量测量，在脉冲X射线辐射探测领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于脉冲X射线探测领域，具体涉及一种高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统。
背景技术
在现有技术中，采用针孔成像，在像面放置直径2mm大小的光阑，使得由光源特定区域发射的X射线通过，从光阑小孔出射的X射线由平响应X射线二极管探测器测量，可实现区域分辨的X射线辐射流定量测量（一种空间分辨辐射流探测设备CN 105158789 B和一种局部区域软X射线辐射流定量测量装置与测量方法CN 105204059 B）。
上述技术中，采用直径80~100μm的针孔对光源辐射的X射线成像，空间分辨与针孔的大小相当，其分辨率低，该技术所探测的是光源直径200μm特定区域总的辐射流，不能实现真正意义上的空间分辨辐射流测量；其次，受X射线二极管探测器性能限制，系统时间分辨一般在100ps左右。
还有另外一种技术，采用直径10~30μm大小的针孔成像，在像面使用X射线条纹相机对软X射线辐射流进行测量，条纹相机采用对软X射线具有平响应性能的透射式Au阴极也可实现时空分辨的辐射流测量，空间分辨可达到10μm左右，时间分辨可达10ps（一种时空分辨辐射流诊断系统，CN 106526654 A）。
在后一种技术中，受针孔大小的影响，空间分辨一般在10μm左右，通光量小，系统的灵敏度较低；其次，平响应光阴极前无滤片，易受紫外光的干扰；另外，X射线条纹相机光谱响应难以定量标定，且受像增强器增益不稳定的影响，辐射流强度定量测量困难。
在上述两种现有技术中，均在阴极前配有开孔（或开缝）成像板，该成像板除了起光阑作用外，还被用来测量被测X射线源的图像，进而判断观测的区域，实验完成后，需从测量系统中取出成像板，在离线情况下，完成X射线图像的读取和处理，无法在线快速甄别测量系统所观测的被测目标的哪一区域，实验效率较低。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统的技术方案，该方案采用用掠入射反射式X射线显微镜对X射线进行成像，X射线二极管探测器与X射线条纹相机结合，CMOS相机拍摄闪烁体显示的目标图像，能够克服针孔配平响应X射线二极管探测器实现区域分辨辐射流测量技术中，空间分辨和时间分辨率低、观测位置难以在线确定的不足；同时，弥补针孔成像结合X射线条纹相机实现时空分辨X射线辐射流测量技术中，强度定量难、灵敏度低，易受紫外光干扰和空间分辨率低的不足。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，包括有两个掠入射反射式X射线显微镜（2）、在线瞄准组件（3）、CMOS相机（4）、开缝或开孔闪烁体（5）、中性衰减片（6）、复合滤片（7）、X射线二极管探测器（8）、X射线条纹相机（9）；被测光源（1）置于掠入射反射式X射线显微镜（2）的前方，被测光源（1）辐射的X射线分两路以掠入射方式进入掠入射反射式X射线显微镜（2），经镜面反射后依次通过开缝或开孔闪烁体（5），中性衰减片（6）和复合滤片（7）后，分别成像于X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）的阴极，产生光电子，并被探测；掠入射反射式X射线显微镜（2）对被测光源发射的X射线进行高空间分辨成像；复合滤片（7）对X射线二极管探测器（8）和X射线条纹相机（9）的X射线光谱响应进行改造，使两种探测器对X射线的光谱响应平坦，使之适合宽谱范围内的X射线辐射能流测量；中性衰减片（6）用于调节进入X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）的X射线辐射流强度，防止探测器输出信号饱和所导致的测量结果不准确；开缝或开孔闪烁体（5）用于显示X射线显微镜（2）对被测光源（1）发射的X射线所成的光源图像；CMOS相机（4）位于开缝或开孔闪烁体（5）的前方，拍摄开缝或开孔闪烁体（5）显示的X射线光源图像，用于确定X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）所观测的区域；X射线条纹相机（9）与X射线二极管探测器（8）对比测量，使得X射线条纹相机（9）具有对X射线辐射流定量测量能力，提高了辐射流测量的时间分辨；在线瞄准组件（3）位于测量系统前端，与双通道掠入射反射式X射线显微镜（2）共视场，实现测量系统对被测光源（1）的高精度瞄准；两掠入射反射式X射线显微镜（2）共视场。
作为本方案的优选：两个掠入射反射式X射线显微镜（2）是Wolter型、KB型或KBA型，两通道是同种类型，或其中两种类型的组合；掠入射反射式X射线显微镜（2）表面采用磁控溅射方法镀金属Ir或金属Pt膜，膜层厚度100nm~2μm，表面粗糙度小于0.3nm；两掠入射反射式X射线显微镜（2）对0.1~5 keV能区范围内的X射线反射率在80%~95%。
作为本方案的优选：被测光源（1）发射的X射线以1~10°角掠入射进入两X射线显微镜（2）。
作为本方案的优选：位于X射线条纹相机（9）阴极前的所述复合滤片（7）为由厚度1~5μm，开孔面积比大于70%的Au筛网支撑的20nm厚Au滤片，筛孔直径大小为2~15μm，呈蜂窝状，均匀分布。
作为本方案的优选：X射线条纹相机（9）所用阴极为厚360nm，开孔面积比12.5%的Au筛网所支撑的Au薄膜，厚度为40nm，与前置复合滤片组合，使得条纹相机对0.1~5 keV能区范围内的X射线光谱响应非平整度小于10%，时间分辨5~50ps，空间分辨25~100μm。
作为本方案的优选：X射线二极管探测器（8）采用Au阴极，前置360nm厚，开孔面积比12.5%的Au筛网所支撑的Au箔，其厚度为60nm，使得复合滤片（7）与X射线二极管探测器（8）组合后对0.1~5 keV能区范围内的X射线光谱响应非平整度小于10%，时间分辨优于100ps。
作为本方案的优选：开缝或开孔闪烁体（5）为GAGG:Ce、CsI:Tl或ZnO闪烁体，厚度为50~100μm，后表面采用热蒸发或磁控溅射方法镀制0.1~10μm厚的金属Al、Cr、Au或Ag薄膜。
作为本方案的优选：CMOS相机（4）光谱响应范围为300nm~700nm。
作为本方案的优选：中性衰减片（6）为1~5μm厚的Au膜，用光刻方法或激光加工方法在Au膜上均匀制备蜂窝状阵列小孔，小孔直径为5~20μm的通孔，开孔面积比在10%~50%间可调。
作为本方案的优选：在线瞄准组件（3）为具有大、小两种视场的光学视觉系统，两种视场的光学视觉系统对目标的观测由带显微镜头的两台光学CCD相机完成，图像显示和图像处理由与以太网连接的远程控制计算机完成，光学视觉系统采用视线交汇法对目标进行定位，大视场视觉系统负责大范围内目标搜寻，小视场视觉系统负责目标的精确定位，小视场视觉系统与X射线显微镜共视场。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于本发明采用掠入射反射式X射线显微镜对X射线进行成像，增加了通光孔径，降低了衍射的影响，可使系统空间分辨能力达到3~5μm；同时还可使收光立体角提高一个量级以上，增加了诊断系统的灵敏度；具有定量测量能力的X射线二极管探测器与具有高时间分辨，且光谱响应平坦的X射线条纹相机结合，对两种探测器测量的信号波形进行面积归一化处理，然后由X射线二极管测量的辐射流强度对条纹相机测量的面积归一化时间波形进行赋值，使得条纹相机对X射线辐射流具有定量测量能力，可使辐射流测量时间分辨达到10ps，降低了强度测量的不确定度；采用闪烁体代替成像板对X射线图像进行显示，CMOS相机拍摄闪烁体显示的目标图像，实现了在线测量，提高了实验效率；条纹相机平响应光阴极前增加Au筛网支撑的20nm厚Au滤片，屏蔽紫外光干扰，提高了测量结果的准确性；采用光学视觉系统对目标进行精确瞄准，提高了瞄准精度和实验效率。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1为被测光源、2为掠入射反射式X射线显微镜、3为在线瞄准组件、4为CMOS相机、5为开缝或开孔闪烁体、6为中性衰减片、7为复合滤片、8为 X射线二极管探测器、9为X射线条纹相机。
具体实施方式
实施例1：
通过图1能够看出，本方案包括有两个掠入射反射式X射线显微镜（2）、在线瞄准组件（3）、CMOS相机（4）、开缝或开孔闪烁体（5）、中性衰减片（6）、复合滤片（7）、X射线二极管探测器（8）、X射线条纹相机（9）；被测光源（1）置于掠入射反射式X射线显微镜（2）的前方，被测光源（1）辐射的X射线分两路以掠入射方式进入掠入射反射式X射线显微镜（2），经镜面反射后依次通过开缝或开孔闪烁体（5），中性衰减片（6）和复合滤片（7）后，分别成像于X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）的阴极，产生光电子，并被探测；掠入射反射式X射线显微镜（2）对被测光源发射的X射线进行高空间分辨成像；复合滤片（7）对X射线二极管探测器（8）和X射线条纹相机（9）的X射线光谱响应进行改造，使两种探测器对X射线的光谱响应平坦，使之适合宽谱范围内的X射线辐射能流测量；中性衰减片（6）用于调节进入X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）的X射线辐射流强度，防止探测器输出信号饱和所导致的测量结果不准确；开缝或开孔闪烁体（5）用于显示X射线显微镜（2）对被测光源（1）发射的X射线所成的光源图像；CMOS相机（4）位于开缝或开孔闪烁体（5）的前方，拍摄开缝或开孔闪烁体（5）显示的X射线光源图像，用于确定X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）所观测的区域；X射线条纹相机（9）与X射线二极管探测器（8）对比测量，使得X射线条纹相机（9）具有对X射线辐射流定量测量能力，提高了辐射流测量的时间分辨；在线瞄准组件（3）位于测量系统前端，与双通道掠入射反射式X射线显微镜（2）共视场，实现测量系统对被测光源（1）的高精度瞄准；两掠入射反射式X射线显微镜（2）共视场。
两个掠入射反射式X射线显微镜（2）是Wolter型、KB型或KBA型，两通道是同种类型，或其中两种类型的组合；掠入射反射式X射线显微镜（2）表面采用磁控溅射方法镀金属Ir或金属Pt膜，膜层厚度100nm~2μm，表面粗糙度小于0.3nm；两掠入射反射式X射线显微镜（2）对0.1~5 keV能区范围内的X射线反射率在80%~95%。
被测光源（1）发射的X射线以1~10°角掠入射进入两X射线显微镜（2）。
位于X射线条纹相机（9）阴极前的所述复合滤片（7）为由厚度1~5μm，开孔面积比大于70%的Au筛网支撑的20nm厚Au滤片，筛孔直径大小为2~15μm，呈蜂窝状，均匀分布。
X射线条纹相机（9）所用阴极为厚360nm，开孔面积比12.5%的Au筛网所支撑的Au薄膜，厚度为40nm，与前置复合滤片组合，使得条纹相机对0.1~5 keV能区范围内的X射线光谱响应非平整度小于10%，时间分辨5~50ps，空间分辨25~100μm。
X射线二极管探测器（8）采用Au阴极，前置360nm厚，开孔面积比12.5%的Au筛网所支撑的Au箔，其厚度为60nm，使得复合滤片（7）与X射线二极管探测器（8）组合后对0.1~5keV能区范围内的X射线光谱响应非平整度小于10%，时间分辨优于100ps。
开缝或开孔闪烁体（5）为GAGG:Ce、CsI:Tl或ZnO闪烁体，厚度为50~100μm，后表面采用热蒸发或磁控溅射方法镀制0.1~10μm厚的金属Al、Cr、Au或Ag薄膜。
CMOS相机（4）光谱响应范围为300nm~700nm。
中性衰减片（6）为1~5μm厚的Au膜，用光刻方法或激光加工方法在Au膜上均匀制备蜂窝状阵列小孔，小孔直径为5~20μm的通孔，开孔面积比在10%~50%间可调。
在线瞄准组件（3）为具有大、小两种视场的光学视觉系统，两种视场的光学视觉系统对目标的观测由带显微镜头的两台光学CCD相机完成，图像显示和图像处理由与以太网连接的远程控制计算机完成，光学视觉系统采用视线交汇法对目标进行定位，大视场视觉系统负责大范围内目标搜寻，小视场视觉系统负责目标的精确定位，小视场视觉系统与X射线显微镜共视场。
本实施例中X射线条纹相机9为气室型，使用支持调节机构将所述的掠入射反射式X射线显微镜2、在线瞄准组件3、CMOS相机4、开缝或开孔闪烁体5、中性衰减片6、复合滤片7和X射线二极管探测器8组合成测量系统的前端，并安装于气室型X射线条纹相机前部，构成所述的高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统（简称诊断包）。
本实施例中高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统应用于高功率激光驱动的惯性约束核聚变物理实验中，实验装置配备有搭载诊断包的通用诊断搭载平台（DIM），在电机驱动下，该搭载平台可将诊断包送入真空靶室，并能调节诊断包观测视线的指向和离观测目标的距离，在诊断包所配在线瞄准组件3的引导下，使得诊断包精确瞄准被测目标。
本实施例在离线瞄准时，采用聚焦电子束辐照靶材发射的X射线对目标（Ni网）照明，两掠入射反射式显微镜2放置在可进行三维平动和两维转动调节的平移台上，在像面位置放置X射线CCD相机，调节显微镜2的指向和位置，直至在像面获得Ni网的清晰图像为止；然后，用可见光将目标照亮，调节与显微镜2一体的在线瞄准组件3，使得目标经显微镜头成像于在线瞄准组件3大小视场CCD相机靶面的中心位置，并记下该位置；最后，在X射线显微镜2支撑结构上安装小型半导体激光器，使用双光束交汇方法，指示X射线显微镜2所成目标像的中心位置。
本实施例在线瞄准时，系统搭载于物理实验装置所配备的DIM上，将其送入真空靶室，可见光适当照明位于靶室中心的被测目标，在线瞄准组件3大、小视场视觉系统对目标进行观测，在其引导下，DIM调节系统的指向和离目标的距离，使被测目标经显微镜头后清晰成像于在线瞄准组件3两小视场的中心，完成在线瞄准。
本实施例在线测量时，被测光源1辐射的X射线以掠入射方式进入X射线显微镜2，经镜面反射后通过开缝或开孔闪烁体5，并通过中性衰减片6和复合滤片7，分别成像于X射线条纹相机9和X射线二极管探测器8的阴极，产生光电子，并被探测；X射线辐射流强度由X射线二极管探测器8给出，时空分辨的X射线辐射流时间波形由平响应X射线条纹相机9获得。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处是：两个掠入射反射式X射线显微镜2是KB型，物距为250mm，像距为1250mm，放大倍率为5。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，其特征是：包括有两个掠入射反射式X射线显微镜（2）、在线瞄准组件（3）、CMOS相机（4）、开缝或开孔闪烁体（5）、中性衰减片（6）、复合滤片（7）、X射线二极管探测器（8）、X射线条纹相机（9）；被测光源（1）置于掠入射反射式X射线显微镜（2）的前方，被测光源（1）辐射的X射线分两路以掠入射方式进入掠入射反射式X射线显微镜（2），经镜面反射后依次通过开缝或开孔闪烁体（5），中性衰减片（6）和复合滤片（7）后，分别成像于X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）的阴极，产生光电子，并被探测；所述掠入射反射式X射线显微镜（2）对被测光源发射的X射线进行高空间分辨成像；所述复合滤片（7）对X射线二极管探测器（8）和X射线条纹相机（9）的X射线光谱响应进行改造，使两种探测器对X射线的光谱响应平坦，使之适合宽谱范围内的X射线辐射能流测量；所述中性衰减片（6）用于调节进入X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）的X射线辐射流强度，防止探测器输出信号饱和所导致的测量结果不准确；所述开缝或开孔闪烁体（5）用于显示X射线显微镜（2）对被测光源（1）发射的X射线所成的光源图像；所述CMOS相机（4）位于开缝或开孔闪烁体（5）的前方，拍摄开缝或开孔闪烁体（5）显示的X射线光源图像，用于确定X射线条纹相机（9）和X射线二极管探测器（8）所观测的区域；所述X射线条纹相机（9）与X射线二极管探测器（8）对比测量，使得X射线条纹相机（9）具有对X射线辐射流定量测量能力，提高了辐射流测量的时间分辨；所述在线瞄准组件（3）位于测量系统前端，与双通道掠入射反射式X射线显微镜（2）共视场，实现测量系统对被测光源（1）的高精度瞄准；所述两掠入射反射式X射线显微镜（2）共视场；
所述的两个掠入射反射式X射线显微镜（2）是Wolter型、KB型或KBA型，两通道是同种类型，或其中两种类型的组合；所述的掠入射反射式X射线显微镜（2）表面采用磁控溅射方法镀金属Ir或金属Pt膜，膜层厚度100nm~2μm，表面粗糙度小于0.3nm；所述两掠入射反射式X射线显微镜（2）对0.1~5 keV能区范围内的X射线反射率在80%~95%；
所述的被测光源（1）发射的X射线以1~10°角掠入射进入两X射线显微镜（2）；
位于X射线条纹相机（9）阴极前的所述复合滤片（7）为由厚度1~5μm，开孔面积比大于70%的Au筛网支撑的20nm厚Au滤片，筛孔直径大小为2~15μm，呈蜂窝状，均匀分布；
所述的X射线条纹相机（9）所用阴极为厚360nm，开孔面积比12.5%的Au筛网所支撑的Au薄膜，厚度为40nm，与前置复合滤片组合，使得条纹相机对0.1~5 keV能区范围内的X射线光谱响应非平整度小于10%，时间分辨5~50ps，空间分辨25~100μm。
2. 根据权利要求1所述的高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，其特征是：所述的X射线二极管探测器（8）采用Au阴极，前置360nm厚，开孔面积比12.5%的Au筛网所支撑的Au箔，其厚度为60nm，使得复合滤片（7）与X射线二极管探测器（8）组合后对0.1~5 keV能区范围内的X射线光谱响应非平整度小于10%，时间分辨优于100ps。
3.根据权利要求1所述的高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，其特征是：所述的开缝或开孔闪烁体（5）为GAGG:Ce、CsI:Tl或ZnO闪烁体，厚度为50~100μm，后表面采用热蒸发或磁控溅射方法镀制0.1~10μm厚的金属Al、Cr、Au或Ag薄膜。
4.根据权利要求1所述的高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，其特征是：所述的CMOS相机（4）光谱响应范围为300nm~700nm。
5.根据权利要求1所述的高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，其特征是：所述的中性衰减片（6）为1~5μm厚的Au膜，用光刻方法或激光加工方法在Au膜上均匀制备蜂窝状阵列小孔，小孔直径为5~20μm的通孔，开孔面积比在10%~50%间可调。
6.根据权利要求1所述的高时空分辨软X射线辐射流定量测量系统，其特征是：所述的在线瞄准组件（3）为具有大、小两种视场的光学视觉系统，两种视场的光学视觉系统对目标的观测由带显微镜头的两台光学CCD相机完成，图像显示和图像处理由与以太网连接的远程控制计算机完成，光学视觉系统采用视线交汇法对目标进行定位，大视场视觉系统负责大范围内目标搜寻，小视场视觉系统负责目标的精确定位，小视场视觉系统与X射线显微镜共视场。
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