CN111426705A - 一种同视扫描分幅诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种同视扫描分幅诊断装置，本发明利用X射线扫描相机和X射线分幅相机各自的优势特点，设计出一款同视扫描分幅超快诊断相机系统，本专利将多台独立的分幅相机、扫描相机组合成一个整体，实现了诊断相机系统轻质化；该同视扫描分幅诊断装置能实现对同一视场中目标的超快演化过程信息进行同时、多维度的采集，获得目标辐射特性的同视场、多维度、全过程的更准确有力的诊断仪器。
Description
技术领域
本发明属于X射线超快诊断领域，具体涉及一种同视扫描分幅诊断装置。
背景技术
在天体物理、惯性约束聚变研究中，X射线诊断对于物理现象分析和物理规律探索具有重要意义。尤其在激光聚变实验研究中，激光加载后X射线的产生和发展过程诊断是聚变点火的重要研究手段。针对激光聚变产生的X射线在时间、空间和能谱方面的特点，分别开发了具有高时间分辨、高空间分辨和高谱分辨性能的成像诊断设备。随着神光系列大型激光装置的建成和应用，我国ICF实验研究不断深入，X射线成像诊断设备的诊断能力得到了大幅度提升，出现了很多自主研发的新型诊断设备。
X射线扫描相机是一种基于扫描变像管的、具有高时间、空间和光强度分辨能力的超快诊断仪器，主要由狭缝输入光学模块、条纹变像管模块、超快扫描电路模块、电源控制模块以及后端图像读出记录模块组成，可同时提供超快过程的一维空间、一维强度和一维时间等超快信息，其空间分辨可达10lp/mm，极限时间分辨小于5ps。
X射线分幅相机是激光驱动惯性约束聚变实验的核心诊断工具，主要由成像针孔阵列及其调节装置、MCP行波选通分幅管、皮秒高压驱动电脉冲产生器、图像记录与处理系统以及程控相机系统组成。X射线分幅相机具有较高时间分辨和二维空间分辨能力，其空间分辨可达40lp/mm，极限时间分辨小于70ps左右。
目前在ICF的X射线超快分辨成像诊断中，主要采用X射线扫描相机和X射线分幅相机，依据各自原理不同及性能上的优势，各自独立发挥着作用。但在X射线扫描相机和X射线分幅相机独立应用的过程中，不同的装置安装于不同的角度和位置，因此诊断取得的数据隐含的信息也在一定程度相对独立，不同视场、时间、空间诊断取得数据严格意义上无法客观准确的给出其相互关联，基于X射线超快诊断分析的更深层次研究受到一定的制约。
综上，目前ICF装置X射线时空诊断存在无法在同视场、同时空对目标超快过程进行全面诊断研究的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种探测效率高、整机结构紧凑、轻质、低成本的同视扫描分幅诊断装置。
为达此目的，本发明采用如下技术方案：
一种同视扫描分幅诊断装置，其特点是，所述的诊断装置包括针孔板、X射线分幅相机、X射线扫描相机I、X射线扫描相机II、工控机、CCD I、CCD II、靶；其中，针孔板的输出端分别连接X射线分幅相机、X射线扫描相机I、X射线扫描相机II，X射线分幅相机的输出端连接CCDI，X射线扫描相机I、X射线扫描相机II的输出端连接至CCDII，CCD I、CCD II分别与工控机相连接。
针孔板实现对靶发射的X射线进行小孔阵列成像，以及狭缝成像，通过变换不同长度的锥筒实现成像放大倍率的变换；X射线扫描扫描相机、X射线分幅相机分别作为超高时间、空间分辨的相机，完成探测目标的记录；工控机实现对X射线分幅相机的高压脉冲电源、X射线扫描相机I和X射线扫描相机II的扫描脉冲模块以及CCD图像采集卡的控制，以控制X射线分幅相机、X射线扫描相机I、X射线扫描相机II、CCD I和CCD II的工作过程。
在一个优选的实施例中，所述的同视扫描分幅诊断装置还包括光学融合器，所述的光学融合器将X射线扫描相机I、X射线扫描相机II的输出端经连接至CCD II。
进一步，所述的光学融合器为两组弯曲型光纤锥，将两路光学图像融合为一路信号传输到CCD II的输入面。
进一步，所述的针孔板，上部为孔阵列，下部排列有一个竖直方向的狭缝I和一个水平方向的狭缝II。本专利针孔成像机构作为实现对X光靶小孔成像单元，除设计用于X射线分幅相机成像的孔阵列外，还设置X射线扫描相机成像所需的狭缝单元，狭缝的数量和方向根据X射线扫描相机扫描方位和数量来确定，狭缝的长度和宽度根据设计的放大倍率计算确定。
进一步，所述孔阵列的各小孔孔径为5μm～20μm，所述狭缝I、狭缝II的缝宽均为100μm～200μm。
进一步，所述的工控机采用基于PC104的工控系统进行构架。
进一步，所述的X射线扫描相机I和X射线扫描相机II的曝光时间为5～10ps，空间分辨率为10～20lp/mm；所述的X射线分幅相机的曝光时间为60～100ps，空间分辨率为20～40lp/mm。
进一步，所述的CCD I、CCD II的单像素大小为9μm。
进一步，所述的X射线扫描相机I和X射线扫描相机II可共用同一扫描模块，也可独立使用一套扫描模块。
进一步，所述的X射线扫描相机I、X射线扫描相机II和X射线分幅相机的所有电控单元全部采用法拉第笼罩屏蔽。
本发明利用X射线扫描相机和X射线分幅相机各自的优势特点，设计出一款同视扫描分幅超快诊断相机系统，本专利将多台独立的分幅相机、扫描相机组合成一个整体，部分部件合并，实现了诊断相机系统轻质化；该同视扫描分幅诊断装置能实现对同一视场中目标的超快演化过程信息进行同时、多维度的采集，获得目标辐射特性的同视场、多维度、全过程的更准确有力的诊断仪器。
附图说明
图1为本发明的同视扫描分幅诊断装置原理示意图；
图中，1.针孔板 2.X射线分幅相机 3.扫描相机I 4.扫描相机II 5.光学融合器 6.工控机 7.CCD I 8.CCD II 9.靶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，一种同视扫描分幅诊断装置，该同视扫描分幅诊断装置包括针孔板1、X射线分幅相机2、X射线扫描相机I3、X射线扫描相机II4、工控机6、CCD I 7、CCD II8、靶9；其中，针孔板1的输出端分别连接X射线分幅相机2、X射线扫描相机I3、X射线扫描相机II 4，其中，X射线分幅相机2的输出端连接CCD I 7，X射线扫描相机I 3、X射线扫描相机II 4的输出端连接至CCD II 8，CCD I 7、CCD II 8分别与工控机6相连接。
本专利的同视扫描分幅诊断装置中，针孔板1目标辐射的X射线经针孔板1上部的孔阵列成像到X射线分幅相机2，同时经针孔板1下部的竖直方向的狭缝I成像到X射线扫描相机I 3，经针孔板1下部的水平方向的狭缝II成像到X射线扫描相机II 4，X射线分幅相机2、X射线扫描相机I 3和X射线扫描相机II 4所成的图像经CCD I 7和CCD II 8完成光电转换后，传输至工控机6中，获得同视角下同一时刻的扫描分幅图像信息。
其中，所述的针孔板1对靶9发射的X光进行小孔成像，通过改变针孔板1与靶9之间的距离实现成像放大倍率的变换；
所述的X射线分幅相机2，将针孔板1上部孔阵列所成的针孔像依次选通成像到X射线分幅相机2的荧光屏上，由CCD I 7记录，并传输至工控机6；
所述的X射线扫描相机I 3，将针孔板1下部狭缝I所成的竖直狭缝像扫描成像到X射线扫描相机I 3的荧光屏上；
所述的X射线扫描相机II 4，将针孔板1下部狭缝II所成的水平狭缝像扫描成像到X射线扫描相机II4的荧光屏上；
所述的工控机6通过控制X射线分幅相机2的高压脉冲电源、X射线扫描相机I 3和X射线扫描相机II 4的扫描脉冲模块实现对X射线分幅相机2、X射线扫描相机I 3和X射线扫描相机II 4工作过程的控制，并通过CCD图像采集卡及图像采集程序实现对CCD I 7和CCD II 8的工作过程的控制。
在一个优选的实施例中，所述的同视扫描分幅诊断装置还包括光学融合器5，所述的光学融合器5将X射线扫描相机I 3、X射线扫描相机II 4的输出端经连接至CCD8。所述的光学融合器5将X射线扫描相机I 3的荧光屏的图像与X射线扫描相机II 4的荧光屏的图像进行光学融合后，由CCD II 8记录，并传输至工控机6。为便于诊断数据的处理，本专利通过增加光学融合器5，可以将不同方向排布的X射线扫描相机所成的一维图像融合在同一幅图像中；同时，通过采用光学融合器实现图像融合输出，可减少记录部件CCD的数量，减轻整个系统的重量，使系统结构更小巧紧凑。
进一步，所述的光学融合器5为两组弯曲型光纤锥，将两路光学图像融合为一路信号传输到CCD II 8的输入面。
进一步，所述的针孔板1，上部为孔阵列，下部排列有一个竖直方向的狭缝I和一个水平方向的狭缝II。
进一步，所述孔阵列的各小孔孔径为5μm～20μm，所述狭缝I、狭缝II的缝宽均为100μm～200μm。
进一步，所述的工控机6采用基于PC 104的工控系统进行构架。
进一步，所述的X射线扫描相机I 3和X射线扫描相机II 4的曝光时间为5～10ps，空间分辨率为10～20lp/mm；所述的X射线分幅相机2的曝光时间为60～100ps，空间分辨率为20～40lp/mm。
进一步，所述的CCD I 7、CCD II 8的单像素大小为9μm。
进一步，所述的X射线扫描相机I 3和X射线扫描相机II 4可共用同一扫描模块，也可独立使用一套扫描模块。也就是说，这两台相机的控制系统可单独控制，也可共用。
进一步，所述的X射线扫描相机I 3、X射线扫描相机II 4和X射线分幅相机2的所有电控单元全部采用法拉第笼罩屏蔽，以避免电磁干扰。
本专利技术特点在于：
1、本专利同视扫描分幅相机同时布置了X射线扫描相机和X射线分幅相机，X射线扫描相机和X射线分幅相机的数量根据系统设计和诊断要求进行调整，可设置2到4台扫描相机，1台X射线分幅相机；可在同一视场同时对目标信息进行全方位扫描分幅成像，利用同视场提供目标物同步同时信息。
2、本专利该同视扫描分幅相机中，X射线扫描相机可单独、也可共用扫描模块，而且所有的电控单元全部采用法拉第笼罩屏蔽，有效地避免电磁干扰。
3、本专利同视扫描分幅相机后端输出的图像根据方案设计及数据记录读出的需要，可设置为独立输出或图像融合输出，即，本装置可以使用光学融合器，也可以不使用光学融合器。独立输出指X射线分幅相机利用1台CCD记录读出X射线分幅相机图像，每台X射线扫描相机采用1台CCD记录读出X射线扫描相机图像；图像融合输出指将X射线分幅相机图像和X射线扫描相机图像利用光学融合器进行光学方法融合后统一输出。
本专利同视扫描分幅相机系统基于X射线扫描相机和X射线分幅相机各自的不足和优势，在前端采用一套针孔板的前提下，在后端设置多台X射线扫描相机、X射线分幅相机的组合，利用不同相机的优势特点，进行同视扫描分幅成像，在尽可能的同一视场中，多台相机同时工作，采集目标的多幅高时空分辨图像，经过数据反演，获得目标尽可能详细的信息。本方法可同时设置多台X射线扫描相机和X射线分幅相机，其中不同X射线扫描相机的空间一维扫描方向各异，互相垂直(或互补)，确保采集全方位信息，结构紧凑，以获得尽可能同一视角情况下的目标信息，为数据反演重建提供便利。与以往的单一视场超快信息诊断相比，同视扫描分幅相机系统可以同步获得聚变靶丸更丰富全面的信息，为研究聚变过程提供更有力的超快过程诊断手段。
本发明提供的同视扫描分幅相机，在ICF目标靶产生的X射线超快诊断过程中，集成了X射线扫描相机和X射线分幅相机的优势和特点，利用同一个针孔板对目标进行成像并投射到后端紧凑排列的X射线扫描相机和X射线分幅相机的光电阴极上，使得多台相机对目标信息的探测在同一视场、同一时间进行，为物理实验提供更全面准确的多维度诊断信息，是目前单独使用X射线扫描相机和X射线分幅相机所不能实现和比拟的全新诊断探测方法。该集成方法相比原来X射线扫描成像和X射线分幅相机，探测的效率更高，整机结构紧凑，重量轻，同样的探测诊断效率下可大幅降低成本。本发明还可拓展出多种类型的X射线超快诊断仪器，具有更宽的应用前景与更高的应用价值。
实施例1
本实施例展示了本发明的同视扫描分幅诊断装置的工作过程。如图1所示，其中的针孔板上部的针孔排列为3×3孔阵列，每个小孔直径为10μm，针孔板下部的狭缝I和狭缝II的狭缝宽度均为100μm。X射线扫描相机I和X射线扫描相机II的时间分辨均为10ps，空间分辨率均为15lp/mm。X射线分幅相机的曝光时间为100ps，空间分辨率为25lp/mm。CCD I和CCD II的像素大小均为9μm。
在激光间接驱动ICF实验中，激光照射到靶上，其能量转化为X射线。X射线经针孔板的孔阵列和狭缝I、狭缝II后分别到达后端布置的X射线分幅相机、X射线扫描相机I和X射线扫描相机II的光电阴极上。
对于X射线分幅相机，X射线经3×3孔阵列后分别在三条微带线光电阴极上形成9个光斑，被光电阴极转换为9幅光电子图像，在工控机所控制的高压脉冲电源作用下，按照特定的顺序依次选通并倍增后轰击X射线分幅相机的荧光屏，完成电光转换形成9幅时间离散的光学图像，每幅图像代表某个时刻靶的发光状态，串联起来即为该针孔板所对应方位的靶的时间离散的空间演化图像。然后由工控机控制的CCD I将9幅离散图像处理记录并传输至工控机。
对于X射线扫描相机I，X射线经过狭缝I照射到X射线扫描相机I的光电阴极上，X光光子与光电阴极材料相互作用产生光电子。光电子在工控机控制的扫描模块形成的加速电场作用下被全部聚焦，注入到偏转电场中，在偏转板上所加的推挽式斜坡电压使电子按一定的规律偏转并打在微通道板上，产生的光电子经微通道板放大后打到X射线扫描相机I的荧光屏上，在荧光屏上得到随时间变化的条纹图象，与入射X射线脉冲随时间变化的过程相对应。将此条纹图像记为条纹I。
对于X射线扫描相机II，X射线经过狭缝II照射到X射线扫描相机II的光电阴极上，其工作过程与对于X射线扫描相机I相同，将其条纹图像记为条纹II。
通过光学融合器的弯曲型光纤锥将条纹I和条纹II进行图像融合，形成一路信号传输到CCD II的输入面，然后由工控机控制的CCD II将融合后的图像处理记录并传输至工控机。
CCD I得到的是靶发射的X射线的离散演化图像，CCD II得到同一视场下，对应时间段的X射线在竖直方向和水平方向的连续演化过程，通过工控机将最终图像数据信息的重构处理，可还原出同一视场、同一时刻目标超快演化的高时空分辨的过程信息。
Claims (10)
1.一种同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的诊断装置包括针孔板(1)、X射线分幅相机(2)、X射线扫描相机I(3)、X射线扫描相机II(4)、工控机(6)、CCD I(7)、CCD II(8)、靶(9)；其中，针孔板(1)的输出端分别连接X射线分幅相机(2)、X射线扫描相机I(3)、X射线扫描相机II(4)，X射线分幅相机(2)的输出端连接CCD I(7)，X射线扫描相机I(3)、X射线扫描相机II(4)的输出端连接至CCD II(8)，CCD I(7)、CCD II(8)分别与工控机(6)相连接。
2.根据权利要求1所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的同视扫描分幅诊断装置还包括光学融合器(5)，所述的光学融合器(5)将X射线扫描相机I(3)、X射线扫描相机II(4)的输出端经连接至CCD II(8)。
3.根据权利要求2所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的光学融合器(5)为两组弯曲型光纤锥，将两路光学图像融合为一路信号传输到CCD II(8)的输入面。
4.根据权利要求1所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的针孔板(1)，上部为孔阵列，下部排列有一个竖直方向的狭缝I和一个水平方向的狭缝II。
5.根据权利要求4所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述孔阵列的各小孔孔径为5μm～20μm，所述狭缝I、狭缝II的缝宽均为100μm～200μm。
6.根据权利要求1所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的工控机(6)采用基于PCI04的工控系统进行构架。
7.根据权利要求1所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的X射线扫描相机I(3)和X射线扫描相机II(4)的曝光时间为5～10ps，空间分辨率为10～20lp/mm；所述的X射线分幅相机(2)的曝光时间为60～100ps，空间分辨率为20～40lp/mm。
8.根据权利要求1所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的CCD I(7)、CCDII(8)的单像素大小为9μm。
9.根据权利要求1所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的X射线扫描相机I(3)和X射线扫描相机II(4)可共用同一扫描模块，也可独立使用一套扫描模块。
10.根据权利要求1所述的同视扫描分幅诊断装置，其特征在于，所述的X射线扫描相机I(3)、X射线扫描相机II(4)和X射线分幅相机(2)的所有电控单元全部采用法拉第笼罩屏蔽。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200717 |