CN113030139B - 一种新型晶体及紧凑型成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型晶体及紧凑型成像装置，所述晶体包括晶体水平段和晶体倾斜段，所述晶体水平段和晶体倾斜段相连接，二者分别对两种不同波长的光衍射分光。所述成像装置包括晶体、光源S及记录设备；所述晶体包括水平段和倾斜段，所述水平段和倾斜段分别对光源S发射的两种不同波长的入射光进行衍射，其中不同波长的入射光经过晶体反射后成像在记录设备的不同位置；所述记录设备记录面与晶体水平段上表面所在方向垂直、且布置于靠近晶体倾斜段末端侧的位置。本发明通过对晶体尺寸进行特殊设计以改变入射光轨迹，缩短了不同波长反射X光入射到记录面的相对距离，减少记录设备尺寸、节省诊断成本，具有广阔且重要的应用前景。

Description

一种新型晶体及紧凑型成像装置
技术领域
本发明属于X射线诊断领域，具体涉及一种新型晶体及紧凑型成像装置。
背景技术
在惯性约束聚变、高能量密度物理、天体物理等相关领域，激光与物质相互作用产生X光线谱发射。X光线谱发射包括电子与离子、电子与电子、离子与离子之间各自相互作用引发的激发、退激发、复合等各种物理过程。通过对等离子体发射、X光泵浦荧光、X光汤姆逊散射等物理过程的高能谱分辨测量，可获得相关线谱波长（能量）与其强度、特征线特性、线谱强度比、线谱展宽、线谱移动等之间的关系，进一步得到等离子体的电子温度、电子密度、离化度、离化分布等物质状态参数。X光线谱衍射诊断是以上相关实验研究中至关重要的环节。
现有的平面晶体X光线谱衍射诊断系统，存在着记录面上相邻特征谱线距离过远的不足，这会导致需要昂贵的较大的记录面，诊断设备研制成本巨大。
发明内容
为了克服现有诊断技术中的不足，本发明提供一种新型晶体及紧凑型成像装置。本发明通过晶体长度、厚度、水平位置、竖直高度、倾角等的特殊设计，改变入射X光轨迹，控制晶体反射X光入射到记录面的位置，实现紧凑型X射线衍射成像。
本发明的技术方案如下：
一种新型晶体，所述晶体包括晶体水平段和晶体倾斜段，所述晶体水平段和晶体倾斜段相连接，二者分别对两种不同波长的光衍射分光。
进一步，所述晶体水平段长度为
Figure 34464DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 373916DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 975798DEST_PATH_IMAGE001
单位为毫米；
Figure 357101DEST_PATH_IMAGE003
代表光源S到晶体倾斜段的起始端端面的距离，其中，晶体倾斜段的起始端端面指晶体水平段与晶体倾斜段之间的交界面；
Figure 728040DEST_PATH_IMAGE004
代表光源S到晶体水平段的上表面的距离；
Figure 739858DEST_PATH_IMAGE005
代表波长为
Figure 563458DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的布拉格衍射角；
Figure 951714DEST_PATH_IMAGE007
代表晶体水平段长度余量，其代表波长为
Figure 380421DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的反射点A1到晶体水平段前端面的距离。
进一步，所述晶体倾斜段的倾斜面长度为
Figure 64605DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 641080DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 833027DEST_PATH_IMAGE010
单位为毫米；
Figure 647399DEST_PATH_IMAGE011
代表晶体水平段厚度；
Figure 532179DEST_PATH_IMAGE012
代表晶体倾斜段的起始高度；
Figure 330370DEST_PATH_IMAGE013
代表晶体倾斜段的末端高度；
Figure 794850DEST_PATH_IMAGE014
代表晶体倾斜段的倾角。
本发明同时提供了一种紧凑型成像装置，所述成像装置包括晶体、光源S及记录设备；所述晶体包括晶体水平段和晶体倾斜段，所述晶体水平段和晶体倾斜段分别对光源S发射的两种不同波长的入射光进行衍射，其中不同波长的入射光经过晶体反射后成像在记录设备的不同位置；所述记录设备记录面与晶体水平段上表面所在方向垂直、且布置于靠近晶体倾斜段末端侧的位置。
进一步，其中两种不同波长的入射光经过晶体反射后成像在记录设备的两个不同位置成像点之间的距离为L，
Figure 198149DEST_PATH_IMAGE015
，其中
Figure 988251DEST_PATH_IMAGE016
为光源S到记录设备记录面之间的距离，
Figure 524273DEST_PATH_IMAGE005
代表波长为
Figure 58022DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的布拉格衍射角，
Figure 378145DEST_PATH_IMAGE017
代表波长为
Figure 73569DEST_PATH_IMAGE018
的光线Ⅱ在晶体倾斜段倾斜面的布拉格衍射角，
Figure 846353DEST_PATH_IMAGE019
为光源S到晶体倾斜段的起始端端面的距离，
Figure 918214DEST_PATH_IMAGE014
代表晶体倾斜段的倾角，
Figure 30526DEST_PATH_IMAGE004
为光源S到晶体水平段的上表面的距离，
Figure 162430DEST_PATH_IMAGE011
为晶体水平段厚度，
Figure 156931DEST_PATH_IMAGE020
为晶体倾斜段的起始高度，
Figure 533948DEST_PATH_IMAGE021
为波长
Figure 828663DEST_PATH_IMAGE018
的入射光在晶体倾斜段倾斜面的反射点A2到晶体水平段上表面之间的距离，其表达式为
Figure 865889DEST_PATH_IMAGE022
。
本发明有益效果是：成像装置无需昂贵的较大的记录面，减小诊断设备研制成本。
附图说明
图1为本发明紧凑型成像装置示意图；
图2为传统的平面晶体衍射示意图（侧向）；
图3为图2中不同波长的光线在记录面上的成像距离关系图；
图4为本发明的新型晶体各尺寸关系图（侧向）；
图5为本发明的新型晶体衍射示意图（侧向）；
图6为图5中不同波长的光线在记录面上的成像距离关系图；
图中，1.晶体；2.光源S；3.记录设备；
Figure 613266DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 26929DEST_PATH_IMAGE023
分别代表波长为
Figure 113834DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ、波长为
Figure 321962DEST_PATH_IMAGE024
的光线Ⅱ在晶体表面的布拉格衍射角；A1代表波长为
Figure 291055DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的反射点； A2代表波长为
Figure 508409DEST_PATH_IMAGE024
的光线Ⅱ在晶体倾斜段倾斜面的反射点；A3代表波长为
Figure 10673DEST_PATH_IMAGE018
的光线Ⅱ在传统平面晶体表面的反射点；B1、B2分别代表波长为
Figure 655280DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ、波长为
Figure 111670DEST_PATH_IMAGE018
的光线Ⅱ在记录设备记录面上的成像点；
Figure 70398DEST_PATH_IMAGE001
代表晶体水平段长度；
Figure 194212DEST_PATH_IMAGE010
代表晶体倾斜段的倾斜面长度；
Figure 9721DEST_PATH_IMAGE025
代表晶体倾斜段的倾角；
Figure 687827DEST_PATH_IMAGE004
代表光源S到晶体水平段的上表面的距离；
Figure 246985DEST_PATH_IMAGE011
代表晶体水平段厚度；
Figure 162988DEST_PATH_IMAGE012
代表晶体倾斜段的起始高度；
Figure 149399DEST_PATH_IMAGE013
代表晶体倾斜段的末端高度；
Figure 81845DEST_PATH_IMAGE021
代表波长为
Figure 444693DEST_PATH_IMAGE018
的光线Ⅱ在晶体倾斜段倾斜面的反射点A2到晶体水平段上表面的距离；O代表光源S在晶体水平段上表面所在平面上的垂足点；C代表晶体倾斜段的倾斜起点；E代表A2点在晶体水平段上表面所在平面上的垂足点；O’代表记录设备记录面所在平面与晶体水平段上表面所在平面的交点；
Figure 11941DEST_PATH_IMAGE019
代表光源S到晶体倾斜段的起始端端面的距离；
Figure 169253DEST_PATH_IMAGE007
代表晶体水平段长度余量；
Figure 25213DEST_PATH_IMAGE016
为光源S到记录设备记录面之间的距离；S’代表光线Ⅰ的反射点与成像点B1的连线、光线Ⅱ的反射点与成像点B2的连线的交点；O”代表点S’在B1B2连线上的垂足点；L代表两种不同波长的入射光经过晶体反射后成像在记录设备的两个不同位置成像点之间的距离。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1-6所示，本发明新型晶体1包括晶体水平段和晶体倾斜段，所述晶体水平段和晶体倾斜段相连接，二者分别对两种不同波长的光衍射分光，晶体水平段对某一特定波长的光进行衍射，晶体倾斜段对另一特定波长的光进行衍射。
进一步，所述的晶体水平段长度（即晶体水平段沿由水平段指向倾斜段方向的尺寸）为
Figure 926173DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 879085DEST_PATH_IMAGE001
单位为毫米；
Figure 207299DEST_PATH_IMAGE019
代表光源S到晶体倾斜段的起始端端面的距离，其中，晶体倾斜段的起始端端面指晶体水平段与晶体倾斜段之间的交界面，该交界面与晶体水平段上下表面垂直；
Figure 347293DEST_PATH_IMAGE004
代表光源S到晶体水平段的上表面的距离；
Figure 989627DEST_PATH_IMAGE005
代表波长为
Figure 35861DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体表面的布拉格衍射角；
Figure 534976DEST_PATH_IMAGE007
为晶体水平段长度余量，其代表波长为
Figure 490162DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的反射点A1到晶体水平段前端面的距离，
Figure 732925DEST_PATH_IMAGE007
的取值根据实际需要合理选取，如2-10毫米。此外，晶体水平段宽度根据实际需要合理选取。
进一步，所述的晶体倾斜段的倾斜面长度（即倾斜段的倾斜面在沿倾斜方向的尺寸）为
Figure 394850DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure 64866DEST_PATH_IMAGE008
单位为毫米；
Figure 117136DEST_PATH_IMAGE011
代表晶体水平段厚度，根据实际需要合理选取，如1-2毫米；另外，本发明中晶体水平段的宽度取值根据实际需要合理选取；
Figure 665054DEST_PATH_IMAGE020
代表晶体倾斜段的起始高度（即晶体水平段与倾斜段的交界处的高度）；
Figure 181486DEST_PATH_IMAGE013
代表晶体倾斜段的末端高度；
Figure 287982DEST_PATH_IMAGE025
代表晶体倾斜段的倾角；晶体倾斜段的宽度取值根据实际需要合理选取。
本发明同时提供了一种紧凑型成像装置，所述成像装置包括晶体、光源S及记录设备，该晶体采用本发明所述的新型晶体。所述晶体1包括晶体水平段和晶体倾斜段，所述晶体水平段和晶体倾斜段分别对光源S2发射的两种不同波长的入射光进行衍射，其中不同波长的入射光经过晶体1反射后成像在记录设备3的不同位置；所述记录设备3记录面与晶体水平段上表面所在方向垂直、且布置于靠近晶体倾斜段末端侧的位置。光源S发射的两种不同波长的入射光分别在晶体水平段和晶体倾斜段上进行衍射分光，经过晶体反射后成像到记录设备上。本发明通过水平段晶体的长度、宽度、厚度、晶体倾斜段的前端和后端竖直高度、倾角、长度、宽度等的特殊设计，可实现入射X光轨迹的改变，从而控制晶体反射X光入射到记录面的位置，实现紧凑型X射线衍射成像。
进一步，其中两种不同波长的入射光经过晶体1反射后成像在记录设备3的两个不同位置成像点之间的距离为L
Figure 624286DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 208851DEST_PATH_IMAGE016
为光源S到记录设备记录面之间的距离，
Figure 783051DEST_PATH_IMAGE005
代表波长为
Figure 794870DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体表面的布拉格衍射角，
Figure 884049DEST_PATH_IMAGE017
代表波长为
Figure 272305DEST_PATH_IMAGE018
的光线Ⅱ在晶体表面的布拉格衍射角，
Figure 261864DEST_PATH_IMAGE019
为光源S到晶体倾斜段的起始端端面的距离，
Figure 647846DEST_PATH_IMAGE025
代表晶体倾斜段的倾角，
Figure 958741DEST_PATH_IMAGE004
为光源S到晶体水平段的上表面的距离，
Figure 885109DEST_PATH_IMAGE011
为晶体水平段厚度，
Figure 496219DEST_PATH_IMAGE020
为晶体倾斜段的起始高度，
Figure 849840DEST_PATH_IMAGE021
为波长
Figure 648032DEST_PATH_IMAGE018
的入射光在晶体倾斜段倾斜面的反射点A2到晶体水平段上表面之间的距离，其表达式为
Figure 581353DEST_PATH_IMAGE029
。相比传统的平面晶体成像方式中两种光线之间距离
Figure 781390DEST_PATH_IMAGE030
。
本发明紧凑型成像装置中两种不同波长的入射光分别经过晶体水平段、晶体倾斜段反射后成像在记录设备上的两个不同位置的成像点之间的距离L远小于传统平面晶体成像系统中两种不同波长光线的成像点之间的距离。
本发明中，光源S发射不同波长的特征线光谱，分别入射到晶体平面段和晶体倾斜段进行衍射分光，经过晶体反射后成像到记录设备上。不同的特征线光谱成像在记录面不同位置。这里对两种不同波长的入射光经过本发明晶体1反射后成像在记录设备3的两个不同位置的成像点之间的距离L展开推导：
对于本发明新型晶体，光源S发出的波长为
Figure 305912DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的A1点进行反射，入射角为布拉格角
Figure 358444DEST_PATH_IMAGE005
，满足菲涅尔公式
Figure 892194DEST_PATH_IMAGE031
，再入射到记录面上的B1点；光源S发出的波长为
Figure 150000DEST_PATH_IMAGE024
的光线Ⅱ在晶体倾斜段的倾斜面上的A2点进行反射，入射角为布拉格角
Figure 845423DEST_PATH_IMAGE017
，满足菲涅尔公式
Figure 618207DEST_PATH_IMAGE032
，再入射到记录面上的B2点。其中，
Figure 690068DEST_PATH_IMAGE033
为晶体特征晶格常数，由晶体材料特性决定。晶体平面段和台阶倾斜面晶体为同一种晶体，具有同样的晶格常数
Figure 864698DEST_PATH_IMAGE033
。
波长为
Figure 996602DEST_PATH_IMAGE006
的光线Ⅰ在记录设备记录面上的成像点B1、到记录设备记录面所在平面与晶体水平段上表面所在平面的交点O’的距离：
Figure 194365DEST_PATH_IMAGE034
(1)
下面推导B2O’的距离。
CE两点之间距离的表达式为：
Figure 69917DEST_PATH_IMAGE035
(2)
其中，
Figure 326149DEST_PATH_IMAGE021
为光线Ⅱ在晶体倾斜段上的反射点A2到晶体水平段之间的垂直距离。因为OC两点之间的距离为
Figure 894534DEST_PATH_IMAGE019
，则EO’两点之间的距离为：
Figure 376331DEST_PATH_IMAGE036
(3)
则B2O’的距离为：
Figure 789995DEST_PATH_IMAGE037
(4)
得到B1B2之间的距离为：
Figure 876899DEST_PATH_IMAGE039
(5)
（9）式仅有
Figure 350606DEST_PATH_IMAGE021
为未知参数，其表达式推导过程如下：
OE两点之间的长度有如下关系式：
Figure 319699DEST_PATH_IMAGE040
(6)
由（10）式得到：
Figure 802633DEST_PATH_IMAGE041
(7)
将（7）式带入（5）式，即可计算得出，本发明两种不同波长的入射光经过晶体1反射后成像在记录设备3上的不同位置成像点之间的距离：
Figure 540782DEST_PATH_IMAGE015
。
实施例1
本实例情况的紧凑型X射线成像系统在激光打靶实验中取得了成功应用。在本实施例中，光源S为四束激光打击钛平面靶产生的X光源，激光能量为400J×4，焦斑大小500微米，钛平面靶大小为2000×2000微米，厚度为100微米，产生的钛类He和类H线谱分别为4.75keV和4.97keV，对应的线谱波长分别为
Figure 388652DEST_PATH_IMAGE042
纳米和为
Figure 346506DEST_PATH_IMAGE043
纳米，对应的布拉格角分别为
Figure 101973DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 225786DEST_PATH_IMAGE045
。晶体采用SiO2材料，其晶格常数2d=0.4246纳米；记录设备为IP板，像素点大小为25×25微米。本实施例中晶体水平段宽度10毫米，厚度
Figure 775716DEST_PATH_IMAGE011
为1毫米，长度
Figure 719402DEST_PATH_IMAGE001
为100毫米。晶体倾斜段宽度为10毫米，代表晶体倾斜段的起始高度
Figure 481821DEST_PATH_IMAGE012
为20毫米，倾斜角度
Figure 194562DEST_PATH_IMAGE025
为21.8°，倾斜面长度
Figure 180973DEST_PATH_IMAGE008
为50毫米。光源S到晶体水平段的上表面所在平面的距离
Figure 346375DEST_PATH_IMAGE046
毫米，光源S到记录面距离
Figure 942179DEST_PATH_IMAGE047
毫米，晶体倾斜段起始起点C到O点的距离
Figure 40585DEST_PATH_IMAGE048
毫米，类H线在晶体倾斜段倾斜面的反射点A2到晶体水平段上表面的距离
Figure 197897DEST_PATH_IMAGE049
毫米，将上述值带入公式
Figure 850595DEST_PATH_IMAGE015
，计算得到相邻成像点B1、B2之间的距离为
Figure 954818DEST_PATH_IMAGE050
毫米。
对于传统的平面晶体成像系统，如应用到上述实施例，根据图2-3容易得知，传统的平面晶体成像系统中不同成像点之间的距离
Figure 642151DEST_PATH_IMAGE051
，经计算，此时不同成像点之间的距离
Figure 235943DEST_PATH_IMAGE052
毫米。
可见，在本实施例中，利用了一种新型晶体及紧凑型成像系统，将传统的相邻成像点相距
Figure 375938DEST_PATH_IMAGE053
毫米成功减小为
Figure 815009DEST_PATH_IMAGE054
毫米，实现了紧凑型成像，极大地减小了对于昂贵记录系统的需求，控制了诊断设备研制成本。
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 (3)

1.一种新型晶体，其特征在于，所述晶体（1）包括晶体水平段和晶体倾斜段，所述晶体水平段和晶体倾斜段相连接，二者分别对两种不同波长的光衍射分光；所述晶体水平段长度为
Figure 740134DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 690773DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 245382DEST_PATH_IMAGE003
单位为毫米；
Figure 597866DEST_PATH_IMAGE004
代表光源S（2）到晶体倾斜段的起始端端面的距离，其中，晶体倾斜段的起始端端面指晶体水平段与晶体倾斜段之间的交界面；
Figure 540414DEST_PATH_IMAGE005
代表光源S（2）到晶体水平段的上表面的距离；
Figure 165299DEST_PATH_IMAGE006
代表波长为
Figure 585916DEST_PATH_IMAGE007
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的布拉格衍射角；
Figure 261748DEST_PATH_IMAGE008
代表晶体水平段长度余量，其代表波长为
Figure 375198DEST_PATH_IMAGE009
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的反射点A1到晶体水平段前端面的距离。
2.根据权利要求1所述的新型晶体，其特征在于，所述晶体倾斜段的倾斜面长度为
Figure 300428DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 947573DEST_PATH_IMAGE011
，其中，
Figure 9070DEST_PATH_IMAGE010
单位为毫米；
Figure 293420DEST_PATH_IMAGE012
代表晶体水平段厚度；
Figure 909210DEST_PATH_IMAGE013
代表晶体倾斜段的起始高度；
Figure 937208DEST_PATH_IMAGE014
代表晶体倾斜段的末端高度；
Figure 305742DEST_PATH_IMAGE015
代表晶体倾斜段的倾角。
3.一种紧凑型成像装置，其特征在于，所述成像装置包括晶体（1）、光源S（2）及记录设备（3）；所述晶体（1）包括晶体水平段和晶体倾斜段，所述晶体水平段和晶体倾斜段分别对光源S（2）发射的两种不同波长的入射光进行衍射，其中不同波长的入射光经过晶体（1）反射后成像在记录设备（3）的不同位置；所述记录设备（3）记录面与晶体水平段上表面所在方向垂直、且布置于靠近晶体倾斜段末端侧的位置；
其中两种不同波长的入射光经过晶体（1）反射后成像在记录设备（3）的两个不同位置，不同位置成像点之间的距离为L，
Figure 495415DEST_PATH_IMAGE016
，其中
Figure 67341DEST_PATH_IMAGE017
为光源S（2）到记录设备记录面之间的距离，
Figure 633452DEST_PATH_IMAGE006
代表波长为
Figure 886185DEST_PATH_IMAGE007
的光线Ⅰ在晶体水平段上表面的布拉格衍射角，
Figure 246760DEST_PATH_IMAGE018
代表波长为
Figure 633879DEST_PATH_IMAGE019
的光线Ⅱ在晶体倾斜段倾斜面的布拉格衍射角，
Figure 675784DEST_PATH_IMAGE020
为光源S（2）到晶体倾斜段的起始端端面的距离，
Figure 566379DEST_PATH_IMAGE021
代表晶体倾斜段的倾角，
Figure 815964DEST_PATH_IMAGE022
为光源S（2）到晶体水平段的上表面的距离，
Figure 424800DEST_PATH_IMAGE012
为晶体水平段厚度，
Figure 535975DEST_PATH_IMAGE013
为晶体倾斜段的起始高度，
Figure 546657DEST_PATH_IMAGE023
为波长
Figure 514613DEST_PATH_IMAGE019
的入射光在晶体倾斜段倾斜面的反射点A2到晶体水平段上表面之间的距离，
Figure 33581DEST_PATH_IMAGE024
的表达式为
Figure 745185DEST_PATH_IMAGE025
。
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