CN111562608A - 高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的x射线测试系统 - Google Patents

高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的x射线测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，该系统具有时间分辨率高、可测谱段多、电磁兼容强、信噪比高以及全光纤高带宽的远程传输优势。其具体结构包括光强调制组件、可调谐光纤激光器、第一单模光纤、光纤环形器、第二单模光纤、第三单模光纤、光电探测器以及示波器；光强调制组件包括套筒、设置在套筒内的滤波片以及法布里‑波罗腔干涉型半导体；可调谐光纤激光器出射的连续激光通过第一单模光纤、光纤环形器、第二单模光纤入射至法布里‑波罗腔干涉型半导体内；经法布里‑波罗腔干涉型半导体进行光强调整后的激光光束传输至光电探测器进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器接收。

Description

高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统
技术领域
本发明涉及超快诊断技术领域，具体涉及一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，用于超短X射线的多通道、多谱段波形探测。
背景技术
目前，基于电真空X射线二极管(XRD)的多通道X射线时间分辨谱仪仍是惯性约束聚变等大型脉冲功率装置中短脉冲X射线流强的主要探测系统。受制于光电信号收集、电子渡越时间及高带宽电子学信号传递限制，目前XRD的时间分辨只能做到～100ps左右，且在硬X射线能区探测灵敏度较低，另外，XRD在使用时需要配置高压电源系统，并通过长距离的微波电缆将超快电信号传送到信号采集系统，信号探测、信号传输部分易被内爆产生的电磁辐射场干扰导致信号发生畸变。
惯性约束聚变研究的关键内爆物理过程属于瞬态过程，其持续时间仅为数百个皮秒，产生X射线谱段可到硬X射线范畴，且伴随强烈的复杂核电磁脉冲干扰，对其进行精密诊断时测试仪器需具备时间分辨皮秒量级，可测谱段覆盖硬X射线，且抗强核电磁干扰能力。因此现有的基于XRD的X射线时间分辨谱仪，由于存在时间分辨低、响应光谱范围窄、数据采集系统复杂、以及电磁兼容性低等问题已无法适用。
发明内容
为了解决背景技术中提出的现有基于XRD的X射线时间分辨谱仪，存在时间分辨低、响应光谱范围窄、数据采集系统复杂以及电磁兼容性低等问题，本发明提供了一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，包括光强调制组件、可调谐光纤激光器、第一单模光纤、光纤环形器、第二单模光纤、第三单模光纤、光电探测器以及示波器；
光强调制组件包括套筒、沿着待测X射线光传播方向依次设置在套筒内的滤波片以及法布里-波罗腔干涉型半导体；待测X射线放射源的放射的光束经由滤波片入射至法布里-波罗腔干涉型半导体，使得法布里-波罗腔干涉型半导体产生瞬时折射率变化；
可调谐光纤激光器出射的连续激光通过第一单模光纤、光纤环形器的第一端口、光纤环形器的第二端口、第二单模光纤入射至法布里-波罗腔干涉型半导体内；
经法布里-波罗腔干涉型半导体进行光强调整后的激光光束通过第二单模光纤、光纤环形器的第二端口、光纤环形器的第三端口、第三单模光纤传输至光电探测器进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器接收。
进一步地，上述法布里-波罗腔干涉型半导体选用低温生长的砷化镓制作，时间分辨为皮秒量级，其上设有反射率为65％的反射膜。
进一步地，上述可调谐光纤激光器的中心波长1550nm且波长范围可调；光纤环形器采用1550nm适用的低损耗光纤环形器。
进一步地，上述光电探测器选用InGaP空间探测器，示波器采用40GHz的高速示波器。
为了提高了工作效率，实现了不同X射线谱段同时测试，本发明还提供了一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统的另一种结构形式，其包括光强调制组件、可调谐光纤激光器、第一单模光纤、光纤分束器、N条激光传输通道、光纤集束器、光电探测器以及示波器；
光强调制组件数量为N个；每个光强调制组件均包括套筒、沿着待测X射线光传播方向依次设置在套筒内的滤波片以及法布里-波罗腔干涉型半导体；每个光强调制组件中滤波片材质根据不同待测X射线谱段来确定；待测X射线放射源的放射的光束经由滤波片入射至法布里-波罗腔干涉型半导体，使得法布里-波罗腔干涉型半导体产生瞬时折射率变化；
可调谐光纤激光器出射的连续激光通过第一单模光纤输入至光纤分束器，光纤分束器将连续激光分成与N条激光传输通道一一对应的N束出射光；
每条激光传输通道包括依次连接的第四单模光纤、光纤环形器、第二单模光纤以及第三单模光纤；
每条激光传输通道中通过的光束具有延时；
每条出射光依次通过第四单模光纤、光纤环形器第一端口、光纤环形器第二端口、第二单模光纤入射至法布里-波罗腔干涉型半导体内，经法布里-波罗腔干涉型半导体进行光强调整后的光束通过第二单模光纤、光纤环形器的第二端口、光纤环形器的第三端口、第三单模光纤传输至光纤集束器；
N条经光强调整后的光束均输入至光纤集束器，并合束后被光电探测器接收进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器接收；N≥2。
进一步地，上述N条激光传输通道中第三单模光纤长度依次相差20.4米。
进一步地，上述法布里-波罗腔干涉型半导体选用低温生长的砷化镓制作，时间分辨为皮秒量级，其上设有反射率为65％的反射膜。
进一步地，上述可调谐光纤激光器的中心波长1550nm且波长范围可调；光纤环形器采用1550nm适用的低损耗光纤环形器。
进一步地，上述光电探测器选用InGaP空间探测器，示波器采用40GHz的高速示波器。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用以法布里-波罗腔干涉型半导体为核心器件的光强调制组件作为转化中继，将X射线脉冲信号转化为探测光光强信息，提高了器件时间分辨及响应灵敏度特性，并通过光纤作为传输介质，结合高带宽光电探测器、高速示波器实现X射线脉冲的超快诊断，相较于传统基于电真空二极管(XRD)的多通道X射线时间分辨谱仪，本发明具有时间分辨率高、可测谱段多、电磁兼容强、信噪比高以及全光纤高带宽的远程传输优势。
2、本发明采用了光纤分束器将出射激光进行分束，在通过N条激光传输通道传输至N个光强调整组件，由于光强调整组件中滤波片的材质不同，从而实现了不同X射线谱段同时测试，大大提高了工作效率。
3.本发明的测试系统集成化程度高、并且具有多通道探测能力，可在一台示波器上实现多通道、多谱段的超短X射线波形探测，具有成本低、集成化程度高特点，且装配调节简单，可靠性高，极大提高实际使用的便捷性。
附图说明
图1为实施例1所提供的测试系统原理结构图。
图2为实施例2所提供的测试系统原理结构图。
附图标记如下：
1-光强调制组件、2-可调谐光纤激光器、3-第一单模光纤、4-光纤环形器、5-第二单模光纤、6-第三单模光纤、7-光电探测器、8-示波器、9-套筒、10-滤波片、11-法布里-波罗腔干涉型半导体、12-光纤分束器、13-光纤集束器、14-第四单模光纤。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统的具体实施结构，包括光强调制组件1、可调谐光纤激光器2、第一单模光纤3、光纤环形器4、第二单模光纤5、第三单模光纤6、光电探测器7以及示波器8；
光强调制组件1包括套筒9、沿着待测X射线光传播方向依次设置在套筒9内的滤波片10以及法布里-波罗腔干涉型半导体11；待测X射线放射源的放射的光束经由滤波片10入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11，使得法布里-波罗腔干涉型半导体11产生瞬时折射率变化；
其中，法布里-波罗腔干涉型半导体11的材料选用低温生长的砷化镓LT-GaAs，材料的载流子寿命可以通过工艺控制在皮秒量级。在双面抛光、厚度为300微米的GaAs晶体表面，针对1550nm探测光制备反射率R＝65％的反射膜，法布里-波罗腔干涉型半导体11的精细常数F为20，从而使得该半导体具有较高的探测灵敏度。
可调谐光纤激光器2出射的连续激光通过第一单模光纤3、光纤环形器4的第一端口(图中A)、光纤环形器的第二端口(图中B)、第二单模光纤5入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11内；可调谐光纤激光器1采用中心波长1550nm且波长范围可精细调节的光纤激光器，用于精确调节系统的最佳工作点。光传输过程均采用单模光纤，保证系统的高时间分辨及低损耗。
经法布里-波罗腔干涉型半导体11进行光强调整后的激光光束通过第二单模光纤5、光纤环形器4的第二端口(图中B)、光纤环形器4的第三端口(图中C)、第三单模光纤6传输至光电探测器7进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器8接收(本实施例中光电探测器选用高速InGaP空间探测器，示波器采用40GHz的高速示波器)。
在ICF内爆过程的诊断时，首先根据待测X射线谱段，将适应该谱段的滤波片10安装到套筒9内，将光强调制组件1沿着光轴对准X射线辐射源，待测X射线放射源的放射的光束经由滤波片10入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11，使得法布里-波罗腔干涉型半导体11产生瞬时折射率变化；此时可调谐光纤激光器1出射激光经过第一单模光纤3、光纤环形器4的第一端口(图中A)、光纤环形器的第二端口(图中B)、第二单模光纤5入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11内使得该激光光束的光强发生了变化，变化后的激光光束再通过第二单模光纤5、光纤环形器的第二端口(图中B)、光纤环形器的第三端口(图中C)、第三单模光纤6传输至光电探测器7进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器8接收。针对X射线的不同谱段可更换不同滤波片进行测试。
实施例2
为了提高单位时间的测试效率，本发明还提供了另外一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统的实施结构，如图2所示，包括光强调制组件1、可调谐光纤激光器2、第一单模光纤3、光纤分束器12、3条激光传输通道、光纤集束器13、光电探测器7以及示波器8；(本实施例中N＝3)。
光强调制组件1数量为N个；每个光强调制组件1均包括套筒9、沿着待测X射线光传播方向依次设置在套筒9内的滤波片10以及法布里-波罗腔干涉型半导体11；每个光强调制组件1中滤波片10材质根据不同待测X射线谱段来确定，如针对软X射线(<5keV)采用铍片作为滤波片，如针对大于1.7keV的X射线，设计不同厚度的铝片作为滤波片，针对大于4.7keV的X射线，设计对应厚度的钛窗作为滤波片，针对大于8.7keV的X射线，采用金属铜窗作为滤波片，针对X射线带通情况，可通过不同厚度的多滤波片组合实现；待测X射线放射源的放射的光束经由滤波片10入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11，使得法布里-波罗腔干涉型半导体11产生瞬时折射率变化；
其中，法布里-波罗腔干涉型半导体11的材料选用低温生长的砷化镓LT-GaAs，材料的载流子寿命可以通过工艺控制在皮秒量级。在双面抛光、厚度为300微米的GaAs晶体表面，针对1550nm探测光制备反射率R＝65％的反射膜，法布里-波罗腔干涉型半导体的精细常数F为20，从而使得该半导体具有较高的探测灵敏度。
可调谐光纤激光器2出射的连续激光通过第一单模光纤5输入至光纤分束器12，光纤分束器12将连续激光分成与3条激光传输通道一一对应的3束出射光；
每条激光传输通道包括依次连接的第四单模光纤14、光纤环形器5、第二单模光纤5以及第三单模光纤6；
每条出射光依次通过第四单模光纤14、光纤环形器4第一端口(图中A)、光纤环形器4第二端口(图中B)、第二单模光纤5入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11内，经法布里-波罗腔干涉型半导体11进行光强调整后的光束通过第二单模光纤5、光纤环形器的第二端口(图中B)、光纤环形器的第三端口(图中C)、第三单模光纤6传输至光纤集束器13；可调谐光纤激光器2采用中心波长1550nm且波长范围可精细调节的光纤激光器，用于精确调节系统的最佳工作点。光传输过程均采用单模光纤，保证系统的高时间分辨及低损耗；每条激光传输通道中通过的光束具有延时，本实施例中每个激光传输通道的第三单模光纤6长度依次相差20.4米(即图中D通道、E通道、F通道之间依次相差20.4米)，即每个激光传输通道13延时为100纳秒；
N条经光强调整后的光束均输入至光纤集束器13，并合束后被光电探测器7接收进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器8接收(本实施例中光电探测器选用高速InGaP空间探测器，示波器采用40GHz的高速示波器)。
在ICF内爆过程的诊断时，首先根据待测X射线谱段，将适应不同X射线谱段的滤波片10分别安装到每一个光强调制组件1的套筒9内，将所有光强调制组件1沿着光轴对准X射线辐射源，待测X射线放射源的放射的光束进入每个光强调制组件1的套筒9内，经由滤波片10入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11，使得法布里-波罗腔干涉型半导体11产生瞬时折射率变化；此时可调谐光纤激光器2出射激光经过第一单模光纤3、进入光纤分束器12，被分为多束出射光后，每条出射光分别经由其对应的激光传输通道进行传输，最终被示波器8接收。具体是的传输过程为：出射光依次经由第四单模光纤14、光纤环形器4的第一端口(图中A)、光纤环形器4第二端口(图中B)、第二单模光纤5入射至法布里-波罗腔干涉型半导体11内使得该束激光光束的光强发生了变化，变化后的激光光束再通过第二单模光纤5、光纤环形器的第二端口(图中B)、光纤环形器的第三端口(图中C)、第三单模光纤6进入光纤集束器13，之后传输至光电探测器7进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器8接收。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：包括光强调制组件、可调谐光纤激光器、第一单模光纤、光纤环形器、第二单模光纤、第三单模光纤、光电探测器以及示波器；
光强调制组件包括套筒、沿着待测X射线光传播方向依次设置在套筒内的滤波片以及法布里-波罗腔干涉型半导体；待测X射线放射源的放射的光束经由滤波片入射至法布里-波罗腔干涉型半导体，使得法布里-波罗腔干涉型半导体产生瞬时折射率变化；
可调谐光纤激光器出射的连续激光通过第一单模光纤、光纤环形器的第一端口、光纤环形器的第二端口、第二单模光纤入射至法布里-波罗腔干涉型半导体内；
经法布里-波罗腔干涉型半导体进行光强调整后的激光光束通过第二单模光纤、光纤环形器的第二端口、光纤环形器的第三端口、第三单模光纤传输至光电探测器进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器接收。
2.根据权利要求1所述的高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：所述法布里-波罗腔干涉型半导体选用低温生长的砷化镓制作，时间分辨为皮秒量级，其上设有反射率为65％的反射膜。
3.根据权利要求1或2所述的高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：所述可调谐光纤激光器的中心波长1550nm且波长范围可调；光纤环形器采用1550nm适用的低损耗光纤环形器。
4.根据权利要求3所述的高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：光电探测器选用InGaP空间探测器，示波器采用40GHz的高速示波器。
5.一种高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：包括光强调制组件、可调谐光纤激光器、第一单模光纤、光纤分束器、N条激光传输通道、光纤集束器、光电探测器以及示波器；
光强调制组件数量为N个；每个光强调制组件均包括套筒、沿着待测X射线光传播方向依次设置在套筒内的滤波片以及法布里-波罗腔干涉型半导体；每个光强调制组件中滤波片材质根据不同待测X射线谱段来确定；待测X射线放射源的放射的光束经由滤波片入射至法布里-波罗腔干涉型半导体，使得法布里-波罗腔干涉型半导体产生瞬时折射率变化；
可调谐光纤激光器出射的连续激光通过第一单模光纤输入至光纤分束器，光纤分束器将连续激光分成与N条激光传输通道一一对应的N束出射光；
每条激光传输通道包括依次连接的第四单模光纤、光纤环形器、第二单模光纤以及第三单模光纤；
每条激光传输通道中通过的光束具有延时；
每条出射光依次通过第四单模光纤、光纤环形器第一端口、光纤环形器第二端口、第二单模光纤入射至法布里-波罗腔干涉型半导体内，经法布里-波罗腔干涉型半导体进行光强调整后的光束通过第二单模光纤、光纤环形器的第二端口、光纤环形器的第三端口、第三单模光纤传输至光纤集束器；
N条经光强调整后的光束均输入至光纤集束器，并合束后被光电探测器接收进行光电信号转换，最终产生的电信号被示波器接收；N≥2。
6.根据权利要求5所述的高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：N条激光传输通道中第三单模光纤长度依次相差20.4米。
7.根据权利要求6所述的高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：所述法布里-波罗腔干涉型半导体选用低温生长的砷化镓制作，时间分辨为皮秒量级，其上设有反射率为65％的反射膜。
8.根据权利要求5或6或7所述的高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：所述可调谐光纤激光器的中心波长1550nm且波长范围可调；光纤环形器采用1550nm适用的低损耗光纤环形器。
9.根据权利要求8所述的高时间分辨、高灵敏度、多谱段响应的X射线测试系统，其特征在于：光电探测器选用InGaP空间探测器，示波器采用40GHz的高速示波器。
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