CN113009549A - 一种高集光效率区域分辨x射线辐射流测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，所述测量系统至少包括：黑腔、瞄准节、KB显微镜、开孔无机闪烁体、平响应X射线二极管探测器、衰减器、示波器、数据采集计算机；所述黑腔内产生的X射线经瞄准节、KB显微镜后穿过开孔无机闪烁体入射到平响应X射线二极管探测器的灵敏面，在平响应X射线二极管探测器内转化为光电子并被探测，形成的电流信号经衰减器进入示波器，并被数据采集计算机采集。本发明将KB显微镜与平响应X射线二极管探测器相结合，可实现对黑腔内部特定局部区域X射线辐射流的高空间分辨定量测量。

Description

一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统

技术领域

本发明属于间接驱动激光聚变领域，尤其涉及一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统。

背景技术

在高能量密度物理实验中，常采用黑腔将高功率激光能量转换为X射线能量，作为X射线驱动辐射源，研究靶丸内爆、材料状态方程、流体力学不稳定性与混合、辐射输运等现象和物理规律。激光辐照在黑腔壁产生X射线，X射线辐照腔壁其它区域(再发射区)形成再发射X射线，使得黑腔内部形成高强度、复杂辐射场。激光辐照光斑区与未受激光辐照的再发射区的X射线产生机理不同，X射线强度、时间演化均存在较大差异，因此，研究黑腔内部不同特征区域的X射线辐射流时间演化对于理解黑腔能量转化过程、黑腔辐射输运等过程具有重要意义。

目前，在大型高功率激光物理实验装置上，测量X射线辐射流强度的诊断设备主要包括多通道软X射线能谱仪(Dante谱仪)、平响应X射线探测器(FXRD)、X射线条纹相机和局域辐射流诊断系统(SRFD)。

多通道软X射线谱仪和平响应X射线探测器前端未配备空间分辨组件，对目标的观测视场非常大，不具备区域分辨能力，无法有效区分黑腔中激光光斑区、再发射区和注入口边缘等离子体发射的X射线，剩余基频光和二倍频激光作用在靶的外表面所产生的等离子体发光会到达探测器，形成背景干扰，影响测量的准确性，在实验使用中存在较大局限性。

X射线条纹相机与精密针孔成像组件相结合，可获得高时间分辨的辐射流。该方法中一般采用直径约为20μm的精密针孔(针孔尺寸过小会导致软X射线衍射，使得空间分辨下降)，在像面采用X射线条纹相机对软X射线辐射流进行测量，并使用平响应光阴极实现对软X射线的平响应特性。然而，由于针孔尺寸太小，针孔通光量小，系统的灵敏度较低，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，无法实现辐射流定量测量。

局域辐射流诊断系统(SRFD)将精密针孔成像和平响应X射线探测器相结合，采用100μm直径的针孔对黑腔辐射源进行成像，在像面放置直径约为2mm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。然而，由于针孔尺寸较大，导致系统空间分辨较差，约为100μm。此外，因采用针孔成像，系统收光效率较低，导致无法测量弱辐射源产生的信号。

针对黑腔辐射源对靶丸内爆过程的极端重要性，亟需建立新型高集光效率区域分辨辐射流测量系统，加强对黑腔辐射源不同区域辐射场特性的时空演化理解与认识。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，通过本发明公开的测量系统，将KB显微镜与平响应X射线探测器相结合，利用KB显微镜在子午和弧矢两个方向对目标进行聚焦成像，实现黑腔内部局域区域X射线辐射流定量测量。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，所述测量系统至少包括：黑腔、瞄准节、KB显微镜、开孔无机闪烁体、平响应X射线二极管探测器、衰减器、示波器、数据采集计算机；所述黑腔内产生的X射线经瞄准节、KB显微镜后穿过开孔无机闪烁体入射到平响应X射线二极管探测器的灵敏面，在平响应X射线二极管探测器内转化为光电子并被探测，形成的电流信号经衰减器进入示波器，并被数据采集计算机采集。

根据一个优选的实施方式，所述测量系统还包括CMOS相机，所述CMOS相机被配置为拍摄开孔无机闪烁体的表面的可见光图像。用于判断系统视场具体对应的黑腔内部特定区域。

根据一个优选的实施方式，所述KB显微镜包括相互垂直设置的子午镜和弧矢镜，所述子午镜和弧矢镜为面积相等、曲率半径不同的凹球面镜或椭球面镜或柱面镜。

根据一个优选的实施方式，所述子午镜和弧矢镜表面镀有膜层，所述膜层包括但不限于由碳和/或铝构成；所述子午镜和弧矢镜的膜层厚度为20nm～1μm，膜层表面粗糙度为0.2-1.0nm。

根据一个优选的实施方式，所述子午镜和弧矢镜的长度为10mm～30mm，宽度为10mm～30mm，X射线入射角度范围为0.3°-0.6°；所述子午镜和弧矢镜测量X射线的波长范围为0.41nm～12.42nm，空间分辨率范围为10μm～20μm。

根据一个优选的实施方式，所述子午镜和弧矢镜的物距为150mm～250mm，放大倍数为8～15倍。

根据一个优选的实施方式，所述子午镜的曲率半径为35000mm-37000mm，弧矢镜的曲率半径为40000mm-42000mm。

根据一个优选的实施方式，所述瞄准节焦距为500mm。可记录激光惯性约束聚变实验中腔靶的具体位置，便于在线精密瞄准。

根据一个优选的实施方式，所述开孔无机闪烁体被配置为能够进行二维调节，调节精度为20μm。

根据一个优选的实施方式，所述的平响应X射线二极管探测器采用金阴极。

本发明系统的基本原理是：

高功率激光辐照黑腔腔壁后，将产生持续时间约几纳秒、强度约1011W/sr的超短超强X射线辐射流，黑腔壁光斑区和再发射区分别受到激光烧蚀和X射线烧蚀，其形成的等离子体温度、密度等参数存在极大差异，产生的X射线辐射流强度和时间演化行为也存在很大差别。精密测量黑腔壁光斑区和再发射区等区域的X射线辐射流强度对于数值模拟程序校验及激光聚变物理过程的认识和理解具有重要意义。本发明将KB显微镜和平响应X射线二极管探测器相结合，KB显微镜可对黑腔腔壁100μm-200μm范围内的X射线进行区域分辨测量，平响应XRD探测器具有定量测量X射线辐射流的能力，因此可实现高集光效率、区域分辨的X射线辐射流测量。

具体而言，黑腔受激光辐照产生的X射线以掠入射方式照射到子午镜表面后，经镜面反射后以相同的掠入射角照射到弧矢镜表面，子午镜对入射X射线在子午面方向进行聚焦，经子午镜反射后的X射线再被弧矢镜在弧矢面聚焦，从而形成对X射线的二维聚焦成像，聚焦后的X射线辐射流穿过中心开孔的无机闪烁体，进而被平响应X射线二极管探测器测量，探测器输出的电流输入示波器后被记录。采用中心开孔无机闪烁体的目的是选取黑腔内部特定区域，特定区域外的X射线经KB显微镜聚焦后，将打在无机闪烁体中心圆孔周围，形成X射线强度分布，结合强度分布特征，可判断中心圆孔反演到黑腔内部特定区域的位置，进而获得黑腔内部特定区域的X射线辐射流时间演化数据。

系统采用瞄准节记录靶的位置，当瞄准区域发生变化时，可通过瞄准节上两套粗瞄镜头和两套精瞄镜头对系统光轴直接进行复位，提高了系统瞄准稳定性。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

通过将KB显微镜与平响应X射线二极管探测器相结合，相比于现有局域辐射流诊断系统，KB显微镜可对X射线辐射流进行子午面和弧矢面两个维度的二维聚焦，其收光效率是传统针孔收光效率的10倍以上，从而可将收光效率提升一个量级以上，形成高收光效率区域分辨辐射流测量系统；

利用KB显微镜对高能X射线响应较低的特点，相比于传统局域辐射流诊断系统，对高能X射线有明显的截止作用，有效避免了高能X射线对测量的干扰，其对黑腔内部碰撞等离子体产生的高能X射线和内爆靶丸中心热斑产生的高能X射线的抑制尤为明显，极大提高了系统的抗干扰能力；

利用子午镜和弧矢镜的二维聚焦能力，可有效提高系统的空间分辨，相比于传统局域辐射流诊断系统约100μm的空间分辨性能，本方案可提升至20μm左右，可极大降低现有局域辐射流诊断系统视场中半影区对辐射流测量的影响，提升区域辐射流测量精度。

本发明提供的高收光效率区域分辨X射线辐射流测量系统可实现对激光惯性约束聚变实验中黑腔内部不同区域X射线辐射流时间演化数据进行精密测量，具有十分广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明测量系统实施例1的原理结构示意图；

图2是本发明测量系统实施例1中空间分辨与视场范围的关系；

图3是本发明测量系统实施例2的原理结构示意图；

图中，1-黑腔，2-瞄准节，3-子午镜，4-弧矢镜，5-CMOS相机，6-开孔无机闪烁体，7-平响应X射线二极管探测器，8-衰减器，9-示波器，10-数据采集计算机，11-子午镜组，12-弧矢镜组。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中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。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1

参考图1所示，本发明公开了一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，所述测量系统至少包括：黑腔1、瞄准节2、KB显微镜、CMOS相机5、开孔无机闪烁体6、平响应X射线二极管探测器7、衰减器8、示波器9、数据采集计算机10。所述黑腔内产生的X射线经瞄准节、KB显微镜后穿过开孔无机闪烁体入射到平响应X射线二极管探测器的灵敏面，在平响应X射线二极管探测器内转化为光电子并被探测，形成的电流信号经衰减器进入示波器，并被数据采集计算机采集。

优选地，所述CMOS相机被配置为拍摄开孔无机闪烁体的表面的可见光图像。用于判断系统视场具体对应的黑腔内部特定区域。

优选地，所述KB显微镜包括相互垂直设置的子午镜3和弧矢镜4，所述子午镜3和弧矢镜4为面积相等、曲率半径不同的凹球面镜或椭球面镜或柱面镜。

更进一步地，高功率激光通过黑腔1的注入孔入射到黑腔1内壁，烧蚀腔壁高原子序数材料产生高温等离子体，等离子体内被激发到高能级的原子向下跃迁产生很强的X射线辐射。X射线以极小的角度掠入射到子午镜3表面，经子午镜反射，再次掠入射到弧矢镜4表面，反射后的X射线穿过开孔无机闪烁体6入射到平响应X射线二极管探测器7灵敏面，在平响应X射线二极管探测器7内转化为光电子并被探测，形成的电流信号经衰减器8进入示波器9，进而被数据采集计算机10采集。

优选地，所述子午镜3和弧矢镜4表面膜层材料包括但不限于碳C、铝Al。进一步地，所述的子午镜3和弧矢镜4表面膜层材料可以均为碳C。表面膜层用于实现X射线的反射。

优选地，所述子午镜3和弧矢镜4的膜层厚度为20nm-1μm，膜层表面粗糙度为0.2-1.0nm。所述子午镜3和弧矢镜4的长度为10mm-30mm，宽度为10mm-30mm，X射线入射角度范围为0.3°-0.6°。

进一步地，所述子午镜3和弧矢镜4的膜层厚度为20nm，膜层表面粗糙度为0.4nm。所述子午镜3和弧矢镜4的长度为30mm，宽度为30mm，X射线入射角度范围为0.573°。

优选地，所述子午镜3和弧矢镜4测量X射线的波长范围为0.41nm-12.42nm，空间分辨率范围为10μm-20μm。

优选地，所述子午镜3和显微镜4的物距为150mm-250mm，放大倍数为8-15倍。进一步地，所述子午镜3和弧矢镜4的物距为200mm，放大倍数为10倍。

优选地，所述子午镜3的曲率半径为35000mm-37000mm，弧矢镜4的曲率半径为40000mm-42000mm。进一步地，所述子午镜3的曲率半径为36362mm，弧矢镜4的曲率半径为41330mm。

优选地，所述瞄准节2焦距为500mm，可记录激光惯性约束聚变实验中腔靶的具体位置，便于在线精密瞄准。

优选地，所述开孔无机闪烁体6可进行二维调节，调节精度为20μm。

优选地，所述的平响应X射线二极管探测器7采用金阴极。

采用本实施例公开的测量系统进行测量时，其测得的空间分辨与视场范围的关系如图2所示，可见在视场尺寸为200μm时，系统空间分辨仍可达到20μm以内。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的子午镜3和弧矢镜4为面积相等的椭球面镜，而非实施例1中的球面镜。通过采用椭球面镜设计，可有效降低KB显微镜系统的球差，进而进一步提升系统空间分辨。

实施例3

在实施例1的基础上，参考图3所示。本实施例公开的测量系统与实施例1的结构基本相同，不同之处是，所述的子午镜3和弧矢镜4更换为子午镜组11和弧矢镜组12，每组显微镜由两块相互正交的球面镜组成。采用子午镜组11和弧矢镜组12可实现对黑腔1内部四个特定区域的X射线辐射流进行一次性测量，即可组成四通道区域分辨辐射流测量系统。

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 (10)

1.一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述测量系统至少包括：黑腔(1)、瞄准节(2)、KB显微镜、开孔无机闪烁体(6)、平响应X射线二极管探测器(7)、衰减器(8)、示波器(9)、数据采集计算机(10)；

所述黑腔(1)内产生的X射线经瞄准节(2)、KB显微镜后穿过开孔无机闪烁体(6)入射到平响应X射线二极管探测器(7)的灵敏面，在平响应X射线二极管探测器(7)内转化为光电子并被探测，形成的电流信号经衰减器(8)进入示波器(9)，并被数据采集计算机(10)采集。

2.如权利要求1所述的高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括CMOS相机(5)，所述CMOS相机(5)被配置为拍摄开孔无机闪烁体(6)的表面的可见光图像。

3.如权利要求1所述的高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述KB显微镜包括相互垂直设置的子午镜(3)和弧矢镜(4)，所述子午镜(3)和弧矢镜(4)为面积相等、曲率半径不同的凹球面镜或椭球面镜或柱面镜。

4.如权利要求3所述的一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述子午镜(3)和弧矢镜(4)表面镀有膜层，所述膜层包括但不限于由碳和/或铝构成；

所述子午镜(3)和弧矢镜(4)的膜层厚度为20nm～1μm，膜层表面粗糙度为0.2-1.0nm。

5.如权利要求4所述的一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述子午镜(3)和弧矢镜(4)的长度为10mm～30mm，宽度为10mm～30mm，X射线入射角度范围为0.3°-0.6°；

所述子午镜(3)和弧矢镜(4)测量X射线的波长范围为0.41nm～12.42nm，空间分辨率范围为10μm～20μm。

6.如权利要求5所述的一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述子午镜(3)和弧矢镜(4)的物距为150mm～250mm，放大倍数为8～15倍。

7.如权利要求3所述的一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述子午镜(3)的曲率半径为35000mm-37000mm，弧矢镜(4)的曲率半径为40000mm-42000mm。

8.如权利要求1所述的一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述瞄准节(2)焦距为500mm。

9.如权利要求1所述的一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述开孔无机闪烁体(6)被配置为能够进行二维调节，调节精度为20μm。

10.如权利要求7所述的一种高集光效率区域分辨X射线辐射流测量系统，其特征在于，所述的平响应X射线二极管探测器(7)采用金阴极。

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