CN112798625A - 一种超高时空分辨x射线成像诊断装置 - Google Patents

一种超高时空分辨x射线成像诊断装置 Download PDF

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张兴
江少恩
董建军
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董云松
杨志文
杨品
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晏骥
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蒋炜
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Abstract

本发明公开了一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,包括高时间分辨率记录设备以及至少一组与高时间分辨率记录设备相适配的高空间分辨率成像镜组,所述高空间分辨率成像镜组包括朝着远离成像物点P方向依次排列的竖直面双曲面镜、水平面双曲面镜、水平面椭圆面镜和竖直面椭圆面镜。采用以上技术方案,形成一种超高时间分辨率和空间分辨率的X射线成像装置,适用于激光惯性约束聚变的瞬态时间尺度和微小空间尺度的物体成像,不仅能够实现多个时刻的高分率成像,而且能够实现对X射线成像像差的降低,提高X射线成像的空间分辨。

Description

一种超高时空分辨X射线成像诊断装置
技术领域
本发明涉及X射线成像诊断技术领域,具体涉及一种超高时空分辨X射线成像诊断装置。
背景技术
在一些瞬态脉冲场条件下,需要对一些极高速演化的微观物体进行极高时间分辨和极高空间分辨的X射线成像测量。例如,在激光驱动惯性约束核聚变实验中,激光直接或间接驱动聚变燃料压缩后形成的高温高密度等离子体热斑区,通常尺寸约50μm,维持时间约100ps,并且由于驱动对称性和流体力学不稳定性非线性增长等复杂物理因素的影响,热斑界面和内部会出现μm级尺度的多种形状结构,需要针对8-10keV的X射线成像能区,建立同时具有1-3μm空间分辨能力和10ps分辨能力的超高时空分辨X射线成像装置,才能实现对激光聚变热斑形状的高速摄影。
对于激光聚变热斑图像测量的高时空分辨成像,传统方法是多针孔阵列与行波扫描X射线分幅相机组合的方法,即利用4×4个周期排布的10-20μm直径针孔板对激光聚变热斑进行针孔成像,将16个针孔成像的热斑图像有序排列在行波扫描X射线分幅相机的4条MCP微带阴极上,通过微带上多个时序的行波高压脉冲,实现热斑发射X射线图像的多个时刻成像测量,该方法的成像空间分辨仅20μm、时间分辨约80ps,相比于热斑自身的50μm尺寸和100ps维持时间,该测量方法的空间分辨能力和时间分辨能力都难以满足热斑图像测量需求。近年来,美国NIF装置和OMEGA装置等激光聚变装置,发展了将多通道KB显微成像镜头与行波扫描X射线分幅相机组合的成像装置,法国LMJ装置发展了将多通道超环面显微成像镜头与行波扫描X射线分幅相机组合的成像装置,实现将X射线成像的空间分辨能力提升到5-10μm水平,但时间分辨能力仍保持在约80ps水平。另外,目前美国ICF实验中的Wolter显微成像镜头空间分辨仅100μm水平,距离实际应用还存在较大距离。
总体来说,目前急需设计一种针对激光聚变实验热斑图像测量的超高时空分辨成像测量装置,其空间分辨能力小于3μm、时间分辨能力达到10ps水平,以满足热斑图像测量需求。
发明内容
为解决以上的技术问题,本发明提供了一种超高时空分辨X射线成像诊断装置。
其技术方案如下:
一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其要点在于,包括高时间分辨率记录设备以及至少一组与高时间分辨率记录设备相适配的高空间分辨率成像镜组,所述高空间分辨率成像镜组包括朝着远离成像物点P方向依次排列的竖直面双曲面镜、水平面双曲面镜、水平面椭圆面镜和竖直面椭圆面镜,所述水平面双曲面镜与水平面椭圆面镜均为水平布置,所述竖直面双曲面镜与竖直面椭圆面镜均为竖直布置;
所述竖直面双曲面镜的双曲线右焦点与水平面双曲面镜的双曲线右焦点重合,并构成成像物点P,所述水平面椭圆面镜的椭圆面右焦点与竖直面椭圆面镜的椭圆面右焦点重合,并构成成像像点Q,所述竖直面双曲面镜的双曲线左焦点与竖直面椭圆面镜的椭圆面左焦点重合,并构成竖直面虚焦点FV,所述水平面双曲面镜的双曲线左焦点与水平面椭圆面镜的椭圆面左焦点重合,并构成水平面虚焦点FH,所述竖直面虚焦点FV位于成像物点P远离成像像点Q的一侧,所述竖直面虚焦点FV位于水平面虚焦点FH远离成像物点P的一侧;
所述高时间分辨率记录设备包括磁漂移管和分幅相机,所述成像像点Q位于磁漂移管的前端,所述分幅相机位于磁漂移管的后端。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
1、每组高空间分辨率成像镜组通过竖直面双曲面镜和竖直面椭圆面镜的配合以及水平面双曲面镜和水平面椭圆面镜的配合,在水平和竖直两个围堵上均能够实现对每个成像维度的轴上光学像差和离轴光学像差的校正,并且两个维度的成像放大倍率保持一致,从而实现2μm级的超高时空分辨率成像;通过磁漂移管和分幅相机的配合,能够实现时间分辨为10ps的超高时间分辨率成像;高空间分辨率成像镜组与高时间分辨率记录设备组合,形成一种超高时间分辨率和空间分辨率的X射线成像装置,适用于激光惯性约束聚变的瞬态时间尺度和微小空间尺度的物体成像;
2、能够设计多组高空间分辨率成像镜组,配合设计磁漂移管的口径,不仅能够实现多个时刻的高分率成像,而且能够实现对X射线成像像差的降低,提高X射线成像的空间分辨。
附图说明
图1为单通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置的俯视图;
图2为单通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置的侧视图;
图3为双通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置的俯视图;
图4为双通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置的侧视图;
图5为四通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置的俯视图;
图6为四通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置的侧视图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1-图6所示,一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,适用于8-9keV的X射线能区,该超高时空分辨X射线成像诊断装置主要包括高时间分辨率记录设备以及至少一组与高时间分辨率记录设备相适配的高空间分辨率成像镜组。其中,高空间分辨率成像镜组能够实现超高空间分辨率成像,高时间分辨率记录设备能够实现超高时间分辨率成像。
高空间分辨率成像镜组包括朝着远离成像物点P方向依次排列的竖直面双曲面镜1、水平面双曲面镜2、水平面椭圆面镜3和竖直面椭圆面镜4。水平面双曲面镜2与水平面椭圆面镜3平行,且水平面双曲面镜2与水平面椭圆面镜3均为水平布置。竖直面双曲面镜1与竖直面椭圆面镜4平行,且竖直面双曲面镜1与竖直面椭圆面镜4均为竖直布置,同时,竖直面双曲面镜1与竖直面椭圆面镜4分别位于水平面双曲面镜2与水平面椭圆面镜3的两侧。
竖直面双曲面镜1的双曲线右焦点与水平面双曲面镜2的双曲线右焦点重合,并构成成像物点P,水平面椭圆面镜3的椭圆面右焦点与竖直面椭圆面镜4的椭圆面右焦点重合,并构成成像像点Q,竖直面双曲面镜1的双曲线左焦点与竖直面椭圆面镜4的椭圆面左焦点重合,并构成竖直面虚焦点FV,水平面双曲面镜2的双曲线左焦点与水平面椭圆面镜3的椭圆面左焦点重合,并构成水平面虚焦点FH,竖直面虚焦点FV位于成像物点P远离成像像点Q的一侧,竖直面虚焦点FV位于水平面虚焦点FH远离成像物点P的一侧。需要指出的是,成像物点P发出的光,经过竖直面双曲面镜1后可等效为竖直面虚焦点FV发出的光;成像物点P发出的光,经过水平面双曲面镜2后可等效为水平面虚焦点FH发出的光。
总的来说,成像物点P发出的光,部分依次经过竖直面双曲面镜1与竖直面椭圆面镜4在竖直面椭圆面镜4的椭圆面右焦点处聚焦,实现竖直面的聚焦成像,部分依次经过水平面双曲面镜2与水平面椭圆面镜3在水平面椭圆面镜3的椭圆面右焦点处聚焦,实现水平面的聚焦成像,从而实现水平和竖直两个围堵均在成像像点Q聚焦成像,即实现二维超高空间分辨率成像。并且,由于两个维度的放大倍率分别由水平面椭圆面镜3和竖直面椭圆面镜4决定,因此将水平面椭圆面镜3的水平面虚焦点FH设置在竖直面椭圆面镜4竖直面虚焦点FV远离成像物点P的一侧,能够实现水平和竖直两个维度的物距相同,从而能够实现两个维度几乎一致的放大倍率。
高空间分辨率成像镜组的X射线光学模拟评估结果显示为400μm视场内空间分辨小于1μm,实际研制过程中受装校精度和反射镜面型误差等方面的影响,在400μm视场范围内空间分辨达到2μm。
高时间分辨率记录设备包括磁漂移管5和分幅相机6,成像像点Q位于磁漂移管5的前端,分幅相机6位于磁漂移管5的后端。具体地说,磁漂移管5的前端设置有分别与各高空间分辨率成像镜组的成像像点Q一一对应的磁漂移管微带5a,分幅相机6的前端设置有分别与各磁漂移管微带5a一一对应的分幅相机微带6a,自磁漂移管微带5a一侧向分幅相机微带6a一侧依次形成有电场E和磁场B。X射线作用磁漂移管微带5a产生电子,由于发出电子能量较低,电子先进入电场E进行预加速,再进入磁场B加大展宽,增加时间宽度,最后作用在分幅相机微带6a上,由分幅相机6记录,实现时间分辨率为10ps的超高时间分辨率X射线成像测量。
当X射线照射在磁漂移管微带5a表面时,会产生后表面发射的二次电子。当磁漂移管微带5a上存在一个斜波脉冲的电压脉冲经过时,电压脉冲会将表面发射的电子引出材料,进入空间中形成一个电子束团,该束团电子数空间分布与磁漂移管微带5a表面的X射线图像强度空间分布相关,每个空间点的电子能量也存在一定分布;当这些速度存在差异的电子进入磁场后,将绕着磁力线做回旋运动,电子运动的行程将远远大于磁场B宽度,因此当电子运动到磁场B末端时,由于运行距离非常远,每个空间点上,不同速度的电子将出现显著的时间差,相当于形成了一个时间上展宽得非常大的电子束团。这些电子束团轰击到分幅相机微带6a时,会产生二次电子发射信号,当分幅相机微带6a上加一个时间宽度比较窄的电压脉冲时,只有电压脉冲时间宽度内到达分幅相机微带6a的电子才能形成图像信号,而展宽的电子束团中不处于分幅相机微带6a电压脉冲内的电子将无法引起信号,相对于分幅相机6只探测了漂移后电子束团中一段较短时间窗口内的电子束,以ΔT2表示。考虑到磁漂移管5对电子束团的时间展宽倍率M,相当于分幅相机6只记录了X射线入射到磁漂移管5前端面一个非常短时间窗口内的信号,以ΔT1表示,ΔT1=ΔT2/M。磁漂移管5的放大倍率一般可以做到50,甚至100。
具体地说,电场E在加速电极7的作用下形成,加速电极7位于磁漂移管微带5a的后侧,加速电极7的结构为栅网,结构简单可靠,既能够产生电场E,实现对电子的预加速,又不会干扰电子的运动。磁场B在设置在加速电极7和分幅相机微带6a之间的若干螺线管8的作用下形成,各螺线管8分别与各分幅相机微带6a一一对应,能够稳定可靠地产生磁场B,拉长电子行走路径,加大展宽,增加时间宽度。
进一步地,磁漂移管微带5a的材质为CsI,主要有两个原因:a、CsI对中高能X射线的灵敏度更高,量子效率较高比Au高出了1-2个数量级;b、磁漂移管5的时间展宽功能,需要降低阴极(即磁漂移管微带5a)材料后表面发射电子束的初始平均能量,否则会影响展宽后的空间分辨能力。因此,CsI材料作为磁漂移管微带5a,不仅可以实现较高量子效率的X射线图像探测,还可以实现磁漂移后图像的高空间分辨。
由于分幅相机6是对漂移展宽后的电子束探测,因而分幅相机微带6a的材质为Au,Au的探测效率足够,并且Au材料化学性质稳定,比较方便实现镀膜制作在分幅相机的MCP表面。
并且,磁漂移管5的前端设置有金属滤片9,该金属滤片9位于磁漂移管微带5a靠近高空间分辨率成像镜组的一侧,金属滤片9的设置具有两个作用:一是用于密封磁漂移管5,形成光学密封结构,阻挡空间散射的光学信号和紫外光信号进行像面,降低背景噪声,因此,金属滤片9的大小与成像记录面口径一致,通过机械支撑结构固定在像面前端,与磁漂移管5整体固定在一起,实现像面的光学密封;二是用于阻挡低能X射线对成像能点选择的影响,因此,金属滤片9由一层100μm厚度的Be和一层25或50μm厚度的Al叠加形成。
以下以单通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置、双通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置和四通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置举例:
请参见图1和图2,单通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置中,高空间分辨率成像镜组共有一组,磁漂移管微带5a位于磁漂移管5前端的中心位置,并且,磁漂移管微带5a沿水平或竖直方向延伸,高空间分辨率成像镜组的成像像点Q位于磁漂移管微带5a的中间位置,以提高数据处理效率。
请参见图3和图4,双通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置中,高空间分辨率成像镜组共有两组,两组高空间分辨率成像镜组在空间上对称分布,两条磁漂移管微带5a平行地对称设置在磁漂移管5前端中心位置的两侧,并且,磁漂移管微带5a均沿水平或竖直方向延伸,各高空间分辨率成像镜组的成像像点Q分别位于对应磁漂移管微带5a的中间位置,同时,两组高空间分辨率成像镜组的成像像点Q的连线与磁漂移管微带5a的延伸方向垂直,以提高数据处理效率。
请参见图5和图6,四通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置中,高空间分辨率成像镜组共有四组,四组高空间分辨率成像镜组在空间上呈矩形排布,即四个成像像点Q必须分布在一个矩形的四个顶点上,若不旋转四条磁漂移管微带5a的方向,则只能两个成像像点Q落在一条磁漂移管微带5a上,另外两个成像像点Q落在另一条磁漂移管微带5a上,导致无法获得四个独立时刻的图像。
因此,本实施例旋转像面,即四条磁漂移管微带5a平行地设置在磁漂移管5的前端,四组高空间分辨率成像镜组的成像像点Q呈矩形分布在四条磁漂移管微带5a上,磁漂移管微带5a的延伸方向与相邻成像像点Q的连线之间形成大于0°、且小于90°的夹角。相对于单通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置和双通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置,四通道形式超高时空分辨X射线成像诊断装置不仅将四条磁漂移管微带5a进行旋转,使四个成像像点Q分别位于不同的磁漂移管微带5a的中心线上,四条磁漂移管微带5a分别独立设置门控时间延时,实现四个独立时刻点的10ps曝光时间、2μm空间分辨的X射线成像;而且采用大口径的磁漂移管5,即磁漂移管5的磁漂移管5前端口径更大,每个通道的磁漂移管微带5a宽度设计为12mm,四条磁漂移管微带5a的间距为3mm,最外侧两条磁漂移管微带5a到边缘的距离4mm,则记录面的最大宽度为65mm,磁漂移管5的均匀磁场有效口径设计为65mm,均匀磁场强度大于6000高斯。
进一步地,磁漂移管微带5a的延伸方向与相邻成像像点Q的连线之间的夹角优选为45°,能够相对减小磁漂移管5的口径,使整体结构更加紧凑。
最后需要说明的是,上述描述仅仅为本发明的优选实施例,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下,可以做出多种类似的表示,这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:包括高时间分辨率记录设备以及至少一组与高时间分辨率记录设备相适配的高空间分辨率成像镜组,所述高空间分辨率成像镜组包括朝着远离成像物点P方向依次排列的竖直面双曲面镜(1)、水平面双曲面镜(2)、水平面椭圆面镜(3)和竖直面椭圆面镜(4),所述水平面双曲面镜(2)与水平面椭圆面镜(3)均为水平布置,所述竖直面双曲面镜(1)与竖直面椭圆面镜(4)均为竖直布置;
所述竖直面双曲面镜(1)的双曲线右焦点与水平面双曲面镜(2)的双曲线右焦点重合,并构成成像物点P,所述水平面椭圆面镜(3)的椭圆面右焦点与竖直面椭圆面镜(4)的椭圆面右焦点重合,并构成成像像点Q,所述竖直面双曲面镜(1)的双曲线左焦点与竖直面椭圆面镜(4)的椭圆面左焦点重合,并构成竖直面虚焦点FV,所述水平面双曲面镜(2)的双曲线左焦点与水平面椭圆面镜(3)的椭圆面左焦点重合,并构成水平面虚焦点FH,所述竖直面虚焦点FV位于成像物点P远离成像像点Q的一侧,所述竖直面虚焦点FV位于水平面虚焦点FH远离成像物点P的一侧;
所述高时间分辨率记录设备包括磁漂移管(5)和分幅相机(6),所述成像像点Q位于磁漂移管(5)的前端,所述分幅相机(6)位于磁漂移管(5)的后端。
2.根据权利要求1所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述磁漂移管(5)的前端设置有分别与各高空间分辨率成像镜组的成像像点Q一一对应的磁漂移管微带(5a),所述分幅相机(6)的前端设置有分别与各磁漂移管微带(5a)一一对应的分幅相机微带(6a),自磁漂移管微带(5a)一侧向分幅相机微带(6a)一侧依次形成有电场E和磁场B。
3.根据权利要求2所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述磁漂移管(5)的前端设置有用于阻挡低能X射线对成像能点选择影响和屏蔽环境杂散可见光及紫外光噪声的金属滤片(9),该金属滤片(9)位于磁漂移管微带(5a)靠近高空间分辨率成像镜组的一侧,并密封所述磁漂移管(5)。
4.根据权利要求2所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述电场E在加速电极(7)的作用下形成,所述磁场B在设置在加速电极(7)和分幅相机微带(6a)之间的若干螺线管(8)的作用下形成,各螺线管(8)分别与各分幅相机微带(6a)一一对应。
5.根据权利要求2所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述磁漂移管微带(5a)的材质为CsI,所述分幅相机微带(6a)的材质为Au。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述高空间分辨率成像镜组共有一组,所述磁漂移管微带(5a)位于磁漂移管(5)前端的中心位置。
7.根据权利要求2-5中任一项所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述高空间分辨率成像镜组共有两组,两组高空间分辨率成像镜组在空间上对称分布,两条磁漂移管微带(5a)平行地对称设置在磁漂移管(5)前端中心位置的两侧。
8.根据权利要求7所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:两组所述高空间分辨率成像镜组的成像像点Q的连线与磁漂移管微带(5a)的延伸方向垂直。
9.根据权利要求2-5中任一项所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述高空间分辨率成像镜组共有四组,四组高空间分辨率成像镜组在空间上呈矩形排布,四条磁漂移管微带(5a)平行地设置在磁漂移管(5)的前端,四组所述高空间分辨率成像镜组的成像像点Q呈矩形分布在四条磁漂移管微带(5a)上,所述磁漂移管微带(5a)的延伸方向与相邻成像像点Q的连线之间形成大于0°、且小于90°的夹角。
10.根据权利要求9所述的一种超高时空分辨X射线成像诊断装置,其特征在于:所述磁漂移管微带(5a)的延伸方向与相邻成像像点Q的连线之间的夹角为45°。
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