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一种基于布拉格菲涅耳波带片的icf热斑三维编码成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，按照以下步骤进行：S1、热斑的多个空间位置向布拉格菲涅耳波带片发射X射线；S2、由布拉格菲涅耳波带片反射的X射线入射到成像记录面上；S3、反演编码图像，重建出热斑区发光目标的三维空间分布。采用以上技术方法，布拉格菲涅耳波带片结合了多层膜和波带片的各自特点，不仅适用于中高能X射线，而且通过反射式成像，避免了直穿X射线的本底干扰问题，并且，由于布拉格非涅耳波带片的工作模式为离轴模式，即仅使用一半波带片进行反射式编码成像，从而使多焦点造成的非聚焦赝像干扰被极大的抑制，大幅提高了编码成像的质量，为编码像重建的精度奠定了可靠的基础。

Description

一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法
技术领域
本发明涉及波带片编码成像技术领域，具体涉及一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法。
背景技术
在激光惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，简称ICF)研究中，热斑的X射线自发射具有复杂空间分布。热斑的三维结构对点火物理的深入理解和计算模拟程序的校核至关重要。为了测量热斑的自发射强度三维分布情况，人们采用了类似CT成像的方式从多个角度对热斑进行成像，然后通过CT的重建算法获得热斑的三维分布。但是，由于实验环境的限制，对于热斑自发射的多角度测量一般仅能满足2-3个方位角度的测量，这对重建热斑的三维分布的精度造成很大的影响。
而波带片编码是有别于CT成像的一种具有全息思想的成像方式，即经波带片编码的热斑图像记录了热斑深度信息。一般波带片均采用透射式编码成像方式，即热斑发射的X射线透过编码波带片进行图像的记录。但是，现有的波带片编码成像技术主要利用菲涅耳波带片编码成像，即热斑发射的X射线穿透菲涅耳波带片记录热斑的编码图像，这种透射成像的方式存在直穿光干扰以及产生非聚焦赝像的干扰，极大的影响了波带片编码全息图的重建精度以及可靠性。而且，波带片制作的一个重要的指标是高宽比，即波带片厚度和最外环宽度比值。为了适应中高能X射线(4-10keV)的编码成像，需要波带片的厚度增大，导致高宽比增大，这会极大的增加波带片的制作难度和成本，甚至对一些特定能量的X射线存在无法研制的问题。因此传统的菲涅耳波带片编码成像在拓展到中高能X射线时遇到了巨大的障碍，而热斑X射线自发射却主要针对就是中高能X射线进行成像，故传统的菲涅耳波带片编码成像技术并不适用热斑自发射的三维成像。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法。
其技术方案如下：
一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其要点在于，按照以下步骤进行：
S1、热斑的多个空间位置向布拉格菲涅耳波带片发射X射线；
S2、由布拉格菲涅耳波带片反射的X射线入射到成像记录面上，并由成像记录面记录编码图像；
S3、反演编码图像，重建出热斑区发光目标的三维空间分布；
其中，所述热斑和成像记录面分别位于布拉格菲涅耳波带片的两侧，所述布拉格菲涅耳波带片由多层交替贴合在一起的第一膜片和第二膜片组成，所述第一膜片和第二膜片上均刻蚀有若干沿径向分布的刻蚀环带，各刻蚀环带均为半圆环结构，并分别集中分布在对应第一膜片或第二膜片的同一半区域上，位于第一膜片和第二膜片上的各刻蚀环带一一对应。
作为优选：所述第一膜片和第二膜片的材质分别为Mo和Si，形成多层膜结构，以配合获得效果最佳的布拉格菲涅耳波带片。
传统透射式波带片由于制作工艺的要求，厚度在亚微米量级，器件机械强度较差，在实际使用中很容易破碎，对应用的拓展有较大的限制。对此，作为优选：所述第一膜片和第二膜片交替镀于玻璃衬底上。采用以上方法，大幅提高了机械强度，从而在实际使用中不易破碎，解除了对应用拓展的限制。
作为优选：所述第一膜片和第二膜片均为圆形片状结构，所述玻璃衬底为与第一膜片和第二膜片相适配的圆盘结构。采用圆形结构，能够更好地与波带片环状配合，同时圆形结构也可充当部分入射光阑的作用，即只有入射到圆形区域的光反射后才构成编码像。
作为优选：所述布拉格菲涅耳波带片和成像记录面之间设置有光阑，由布拉格菲涅耳波带片反射的X射线通过光阑入射到成像记录面上。采用以上方法，能够将非波带片区域反射的X射线屏蔽，以保证成像记录面获得的编码图不受此干扰，从而形成干净的编码图像，为编码像重建的精度进一步奠定可靠的基础。
作为优选：同一第一膜片或第二膜片上的各所述刻蚀环带的宽度从内向外逐渐减小，且相邻刻蚀环带的间距从内向外逐渐减小。波带片的这种由里及外环距或者环宽逐渐变小的结构可以视为变间距光栅，具有聚焦的功能，利用波带片的投影成像性能，从而使波带结构组成编码图实现成像目标的编码成像过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，布拉格菲涅耳波带片结合了多层膜和波带片的各自特点，不仅适用于中高能X射线，而且通过反射式成像，避免了直穿X射线的本底干扰问题，并且，由于布拉格非涅耳波带片的工作模式为离轴模式，即仅使用一半波带片进行反射式编码成像，从而使多焦点造成的非聚焦赝像干扰被极大的抑制，大幅提高了编码成像的质量，为编码像重建的精度奠定了可靠的基础。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为布拉格菲涅耳波带片与玻璃衬底的配合关系示意图；
图3为成像记录面上编码图像的示意图。
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和图2所示，一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其主要采用了布拉格菲涅耳波带片2、玻璃衬底3、光阑4和成像记录面5，其中，布拉格菲涅耳波带片2设置在玻璃衬底3上，并位于热斑1和光阑4之间，成像记录面5位于光阑4远离布拉格菲涅耳波带片2的一侧。
需要指出的是，设置光阑4的目的是阻挡未经拉格菲涅耳波带片2反射的X射线，避免这些X射线干扰真正需要的X射线，保证成像记录面获得的编码图不受此干扰，从而形成干净的编码图像，为编码像重建的精度进一步奠定可靠的基础；而将布拉格菲涅耳波带片2设置在玻璃衬底3上的目的是提高布拉格菲涅耳波带片2的机械强度，从而在实际使用中不易破碎，解除了对应用拓展的限制。
进一步地，光阑4需要根据入射角度，即热斑1中心发射的X射线与布拉格菲涅耳波带片2的中心区域的连线与波带片平面的夹角θ来确定其确切位置。
请参见图2，布拉格菲涅耳波带片2由多层交替贴合在一起的第一膜片2a和第二膜片2b组成，即第一膜片2a和第二膜片2b交替镀于玻璃衬底3上。具体地说，第一膜片2a和第二膜片2b均为圆形片状结构，玻璃衬底3为与第一膜片2a和第二膜片2b相适配的圆盘结构，第一膜片2a和第二膜片2b上均刻蚀有若干沿径向分布的刻蚀环带2c，各刻蚀环带2c均为半圆环结构，并分别集中分布在对应第一膜片2a或第二膜片2b的同一半区域上，位于第一膜片2a和第二膜片2b上的各刻蚀环带2c一一对应。本实施例中，第一膜片2a和第二膜片2b的材质优选为其中一种膜片采用Mo，另外一种膜片采用Si。
刻蚀环带2c为镂空的半圆形环，波带片2c的各半圆形环半径的规律如下所示：
Figure BDA0003060372940000041
式(1)中，r1是最内环的半径，N是环的序号，即代表从里到外环的序号，rN代表第N环的半径。各半圆形环由式(1)确定，因此，通过相邻两半圆形环的半径之差就可以确定刻蚀环宽。
波带片2c的这种由里及外环距或者环宽逐渐变小的结构可以视为变间距光栅，具有聚焦的功能，一般变间距光栅的环是平直的，但波带片2c的环呈圆弧结构，这种结构就能够实现入射光线的二维汇聚，即使得波带片2c具有聚焦功能。本发明主要利用的是波带片2c的投影成像性能，即波带结构组成编码图实现成像目标的编码成像过程。
进一步地，第一膜片2a和第二膜片2b的层数以及刻蚀环带2c的环数需要根据ICF热斑的具体实验情况设定，主要参数包括热斑自发射X射线的中心能点E0、入射角度θ以及热斑空间尺度的范围等。
需要指出的是，布拉格菲涅耳波带片2是将多层膜技术和波带片结构相结合而实现的一种具有色散和聚焦功能的X射线成像元件。首先在抛光的玻璃衬底3上按照多层膜制作工艺镀好设计好的多层膜系；其次，再按照波带片2c的制作工艺在镀好的多层膜系上刻蚀波带片形状，最终形成X射线布拉格菲涅耳波带片2。这样制作的布拉格菲涅耳波带片2同时具有多层膜对特定能点X射线的反射以及波带片的汇聚特性；同时也能够实现本发明提出的利用波带片反射特性进行编码成像的功能。
请参见图1-图3，本实施例中，基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，按照以下步骤进行：
S1、选取热斑1区域的三个点A、B、C，A点、B点、C点的三个空间位置分别为1a、1b、1c，热斑1的A点、B点、C点对应的三个空间位置1a、1b、1c向布拉格菲涅耳波带片2发射X射线。
S2、三组X射线入射到布拉格菲涅耳波带片2上，并经表面反射后通过光阑4入射到成像记录面5上，并由成像记录面5记录编码图像，即成像记录面5对应于热斑1的三个不同空间位置1a、1b、1c形成了三幅编码图像5a、5b、5c，这三幅编码图像叠加于成像记录面5上。
S3、通过反演三幅编码图像5a、5b、5c，重建出热斑区发光目标的三维空间分布。
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 (6)

1.一种基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
S1、热斑(1)的多个空间位置向布拉格菲涅耳波带片(2)发射X射线；
S2、由布拉格菲涅耳波带片(2)反射的X射线入射到成像记录面(5)上，并由成像记录面(5)记录编码图像；
S3、反演编码图像，重建出热斑区发光目标的三维空间分布；
其中，所述热斑(1)和成像记录面(5)分别位于布拉格菲涅耳波带片(2)的两侧，所述布拉格菲涅耳波带片(2)由多层交替贴合在一起的第一膜片(2a)和第二膜片(2b)组成，所述第一膜片(2a)和第二膜片(2b)上均刻蚀有若干沿径向分布的刻蚀环带(2c)，各刻蚀环带(2c)均为半圆环结构，并分别集中分布在对应第一膜片(2a)或第二膜片(2b)的同一半区域上，位于第一膜片(2a)和第二膜片(2b)上的各刻蚀环带(2c)一一对应。
2.根据权利要求1所述的基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其特征在于：所述第一膜片(2a)和第二膜片(2b)的材质分别为Mo和Si。
3.根据权利要求1所述的基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其特征在于：所述第一膜片(2a)和第二膜片(2b)交替镀于玻璃衬底(3)上。
4.根据权利要求3所述的基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其特征在于：所述第一膜片(2a)和第二膜片(2b)均为圆形片状结构，所述玻璃衬底(3)为与第一膜片(2a)和第二膜片(2b)相适配的圆盘结构。
5.根据权利要求1所述的基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其特征在于：所述布拉格菲涅耳波带片(2)和成像记录面(5)之间设置有光阑(4)，由布拉格菲涅耳波带片(2)反射的X射线通过光阑(4)入射到成像记录面(5)上。
6.根据权利要求1所述的基于布拉格菲涅耳波带片的ICF热斑三维编码成像方法，其特征在于：同一第一膜片(2a)或第二膜片(2b)上的各所述刻蚀环带(2c)的宽度从内向外逐渐减小，且相邻刻蚀环带(2c)的间距从内向外逐渐减小。
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