CN113514484B - 适用于x射线成像的全光分幅系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于X射线成像的全光分幅系统，包括短脉冲激光器、光束扩束透镜对、台阶反射镜、前置楔形透镜阵列、X射线发射源、X射线成像器件、超快X射线响应芯片、后置楔形透镜阵列、成像物镜和记录相机。采用以上技术方案的适用于X射线成像的全光分幅系统，整个系统大部分使用的全光器件，可有效避免强电磁环境对测量器件的电磁干扰，能在强电磁辐射环境中使用；而且通过对关键单元器件的快速调整替换，可以较为方便的改变分幅图像之间的幅间隔；同时不同幅图像之间对于X射线源像视差较小。
Description
技术领域
本发明涉及光分幅技术领域，具体涉及一种适用于X射线成像的全光分幅系统。
背景技术
在激光惯性约束聚变领域，对内爆聚变核反应区图像的时空高分辨测量是一个难题。核反应持续时间仅为数百皮秒，其中变化过程相当剧烈，而其所反映的物理图像对于控制激光打靶参数、评估内爆性能均有重要作用。内爆核反应会因产生处大量的X射线，对于这些X射线图像的含时测量可以反演出实际的核反应区实时变化图像，因此，需要使用分幅测量的方法对不同时刻的X射线图像进行记录，从而通过获得序列的X射线图像来表征内爆核反应区的变化情况。
传统的X射线分幅技术采用的是电扫描微带技术，将X射线源利用阵列成像器件(真空阵列等)成像至金属微带，利用电流通过金属微带的时间差来记录X射线图像。这种技术存在几个问题，一是采用的是电子器件和扫描电路，在强电磁环境中易受干扰，造成测量失准的问题；二是为了获得足够多的分幅图像，需要采用较多的阵列成像器件，而每个成像器件由于空间位置的差异，对于X射线源的成像是存在较大的视差的；三是单幅记录时间和幅间隔时间是固定的，无法调节。
解决以上问题成为当务之急。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种适用于X射线成像的全光分幅系统。
其技术方案如下：
一种适用于X射线成像的全光分幅系统，其要点在于，包括短脉冲激光器、光束扩束透镜对、台阶反射镜、前置楔形透镜阵列、X射线发射源、X射线成像器件、超快X射线响应芯片、后置楔形透镜阵列、成像物镜和记录相机；
所述台阶反射镜靠近前置楔形透镜阵列的一侧表面凸出形成有若干相互平行的台阶反射面，各台阶反射面的凸出高度呈等差数列关系；
所述前置楔形透镜阵列由分别与各台阶反射面一一对应的前置楔形透镜组成，所述后置楔形透镜阵列由与前置楔形透镜数量相同的后置楔形透镜组成，各前置楔形透镜与各后置楔形透镜镜像对称地设置在超快X射线响应芯片的法线两侧；
X射线发射源发射的X射线经X射线成像器件成像至超快X射线响应芯片上，并在超快X射线响应芯片上形成X射线源像，同时，短脉冲激光器发射的探针光经光束扩束透镜对扩束后由台阶反射镜上的各台阶反射面分割为时间间隔呈等差数列关系的若干个子光束，各子光束分别经对应的前置楔形透镜先后依次聚焦在超快X射线响应芯片上的子光束叠加像区域，并携带X射线源像信息从超快X射线响应芯片反射至对应的后置楔形透镜，各子光束分别由对应的后置楔形透镜准直为相互平行的平行光，各平行光均经成像物镜成像至记录相机的记录面上，其中X射线源像位于子光束叠加像区域中，X射线源像的面积小于子光束叠加像区域的面积。
作为优选：所述光束扩束透镜对包括依次设置在短脉冲激光器和台阶反射镜之间的短焦透镜组、可调光阑和长焦透镜组，所述可调光阑的小孔大小可调，并位于短焦透镜组和长焦透镜组焦点重合的位置。
采用以上结构，能够稳定可靠地对探针光进行扩束和整形，其中短焦透镜组和长焦透镜组的焦距之比即为扩束倍数，能够适应性地进行调整，并且能够根据激光输出模式的异常，调节光阑的小孔大小，方便地对激光光束进行整形。
作为优选：所述超快X射线响应芯片包括半导体响应介质以及镀在半导体响应介质远离X射线成像器件一侧的探针光反射膜，X射线发射源出射的X射线经X射线成像器件射向半导体响应介质，并在半导体响应介质中形成载流子区，该载流子区为所述X射线源像，所述探针光反射膜用于反射射入半导体响应介质的各子光束。
采用以上结构，X射线首先在半导体响应介质中产生载流子，X射线空间分布不均匀将引起载流子浓度在空间上分布也不均匀，同时，各子光束先后依次射入半导体响应介质中，载流子对各子光束会产生明显的吸收，载流子浓度高的区域吸收大，因此，经探针光反射膜反射出半导体响应介质的各子光束均会携带对应时刻的X射线源像。
作为优选：所述半导体响应介质采用CdSe或InGaAsP材料制作而成。
采用以上材质，半导体响应介质能够做得非常薄，同时，载流子寿命短，有利于超快过程探测。
作为优选：所述X射线成像器件或为针孔成像器件，或为针孔成像器件和平面镜。
采用以上结构，X射线强度较弱时，X射线成像器件为针孔成像器件即可，X射线强度较强时，X射线成像器件为针孔成像器件和平面镜，可以将接近单能点的X射线成像至超快X射线响应芯片。
作为优选：所述光束扩束透镜对和台阶反射镜之间设置有第一转折光路反射镜和第二转折光路反射镜，经光束扩束透镜对扩束后的探针光依次经第一转折光路反射镜和第二转折光路反射镜反射后射向台阶反射镜。
采用以上结构，能够可靠地改变探针光的传播路径，使系统的整体结构更加紧凑。
作为优选：所述后置楔形透镜阵列和成像物镜之间设置有第三转折光路反射镜，各前置楔形透镜出射的子光束均由第三转折光路反射镜反射后射向成像物镜。
采用以上结构，能够可靠地改变探针光的传播路径，使系统的整体结构更加紧凑。
作为优选：所述记录相机为面阵相机。
采用以上结构，对探针光波长响应效率较高。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的适用于X射线成像的全光分幅系统，整个系统大部分使用的全光器件，可有效避免强电磁环境对测量器件的电磁干扰，能在强电磁辐射环境中使用；而且通过对关键单元器件的快速调整替换，可以较为方便的改变分幅图像之间的幅间隔；同时不同幅图像之间对于X射线源像视差较小。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为图1中A处的放大图；
图3为超快X射线响应芯片的示意图。
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-图3所示，一种适用于X射线成像的全光分幅系统，其主要包括短脉冲激光器1、光束扩束透镜对、台阶反射镜7、前置楔形透镜阵列8、X射线发射源11、X射线成像器件10、超快X射线响应芯片9、后置楔形透镜阵列12、成像物镜14和记录相机15。
短脉冲激光器1提供单横模、脉冲宽度小于百ps的激光作为探针光，探针光的波长与超快X射线响应芯片9相适应，同时接近半超快X射线响应芯片9的导体响应介质91的禁带宽度，便于获得较高的吸收特性。
光束扩束透镜对包括依次设置在短脉冲激光器1和台阶反射镜7之间的短焦透镜组2、可调光阑3和长焦透镜组4，短焦透镜组2和长焦透镜组4的焦点重合，可调光阑3位于短焦透镜组2和长焦透镜组4焦点重合的位置，可调光阑3的小孔大小可调，根据激光输出模式的异常，调节可调光阑3的小孔大小，便于对激光光束进行整形。短焦透镜组2和长焦透镜组4的焦距之比即为扩束倍数，必要时可以更换透镜组，获得不同的扩束倍数。
光束扩束透镜对和台阶反射镜7之间设置有第一转折光路反射镜5和第二转折光路反射镜6，经光束扩束透镜对扩束后的探针光依次经第一转折光路反射镜5和第二转折光路反射镜6反射后射向台阶反射镜7。第一转折光路反射镜5和第二转折光路反射镜6的镀膜针对探针光高反，口径满足扩束后探针光光束的截面大小需求。
请参见图1和图2，台阶反射镜7靠近前置楔形透镜阵列8的一侧表面凸出形成有若干台阶反射面7a，各台阶反射面7a相互平行，且各台阶反射面7a的凸出高度呈等差数列关系。探针光通过多个台阶反射面7a的反射，可将探针光分割为若干个子光束；假设最先反射探针光的台阶反射面7a反射的子光束，其垂直截面位置时间为t，那么其他台阶反射面7a反射的子光束在相同位置的时间应分别为t+Δt、t+2Δt、t+3Δt、……t+nΔt(n为台阶反射面7a的个数)，Δt是相邻台阶反射面7a高度差引入的光程时间差(高度差一般为10mm以下)。依据通常分幅的应用需求，n可以为3、4、9或者16(或者其他所需的幅数)，表示共有3、4、9或者16个反射子光束，亦即共有3、4、9或者16个分幅通道。当需要改变分幅图像的幅间隔时，可以通过快速插拔方式来更换新的台阶反射镜7，使其台阶反射面7a的高度差发生改变，从而改变子光束间的时间间隔。
前置楔形透镜阵列8由分别与各台阶反射面7a一一对应的前置楔形透镜8a组成，各前置楔形透镜8a组成二维透镜阵列，前置楔形透镜8a是平凸透镜和楔形棱镜的组合，可使平行光束其朝前置楔形透镜8a厚边方向偏折并会聚。各前置楔形透镜8a的排布对应台阶反射镜7的各台阶反射面7a排布，每个前置楔形透镜8a的焦距相同，但楔形角都不相同，分别针对对应的台阶反射面7a进行偏折角度的设计，使得台阶反射镜7每个台阶反射面7a反射的子光束都朝同一个会聚位置偏折，在成像关系上，各前置楔形透镜8a将对应台阶反射面7a成像至后续的超快X射线响应芯片9的同一空间位置。
请参见图1，X射线成像器件10或为针孔成像器件，或为针孔成像器件和平面镜。X射线强度较弱时，X射线成像器件10仅采用针孔成像器件即可，X射线强度较强时，X射线成像器件为针孔成像器件和平面镜，可以将接近单能点的X射线成像至超快X射线响应芯片9。
请参见图1和图3，超快X射线响应芯片9包括半导体响应介质91以及镀在半导体响应介质91远离X射线成像器件10一侧的探针光反射膜92，其中，半导体响应介质91采用CdSe或InGaAsP材料制作而成，半导体响应介质91的尺寸10mm×10mm，厚度不超过1mm，响应时间约3ps，半导体响应介质91非常薄，同时，载流子寿命短，有利于超快过程探测。探针光反射膜92用于反射射入半导体响应介质91的各子光束，探针光反射膜92为Au等材质，能够高效反射探针光。X射线发射源11出射的X射线经X射线成像器件10射向半导体响应介质91，并在半导体响应介质91中形成二维分布的载流子区，即载流子区构成了X射线源像93。各子光束穿过这个载流子区时会被大量吸收，而载流子区外的子光束则仅会被材料本身所吸收，透过率相对较高。探针光反射膜92反射子光束，子光束第二次经过载流子区，进一步增强材料对其的吸收，形成包含有特定X射线源像的子光束。由于半导体响应介质91厚度很薄，不同角度的探针光子光束穿过材料时，通过的载流子区厚度几乎一致，因此X射线源像93对不同子光束的空间吸收区域也几乎一致，因此各幅图像之间的视场是很小的，可以忽略不计。其中，X射线源像93位于子光束叠加像区域94中，X射线源像93的面积小于子光束叠加像区域94的面积。
请参见图1，后置楔形透镜阵列12由与前置楔形透镜8a数量相同的后置楔形透镜12a组成，各前置楔形透镜8a与各后置楔形透镜12a镜像对称地设置在超快X射线响应芯片9的法线两侧，具体地说，各后置楔形透镜12a在光路关系和偏折角度上与各前置楔形透镜8a完全镜像对称，经过各后置楔形透镜12a的成像及光路转折后，各子光束重新准直为平行光，每束平行的子光束中均携带有X射线二维图像信息。
后置楔形透镜阵列12和成像物镜14之间设置有第三转折光路反射镜13，各前置楔形透镜8a出射的子光束均由第三转折光路反射镜13反射后射向成像物镜14。第三转折光路反射镜13的镀膜针对探针激光高反，口径满足扩束后激光光束的截面大小需求。
成像物镜14的口径大于光束截面，其焦距与后置楔形透镜12a的焦距进行匹配，放大倍数即为成像物镜14的焦距与后置楔形透镜12a的焦距之比，具体可根据记录相机15的记录面的大小来进行选择。
记录相机15为对探针光波长响应效率较高的面阵相机，将含有X射线源像调制的光束进行记录，其图像是多个具有一定时间间隔的分幅图像的组合。
X射线发射源11发射的X射线经X射线成像器件10成像至超快X射线响应芯片9上，并在超快X射线响应芯片9上形成X射线源像93，同时，短脉冲激光器1发射的探针光依次经短焦透镜组2、可调光阑3和长焦透镜组4扩束和整形后，再依次经第一转折光路反射镜5和第二转折光路反射镜6反射到台阶反射镜7，由台阶反射镜7上的各台阶反射面7a分割为时间间隔呈等差数列关系的若干个子光束，各子光束分别经对应的前置楔形透镜8a先后依次聚焦在超快X射线响应芯片9上的子光束叠加像区域94，并携带X射线源像93信息从超快X射线响应芯片9反射至对应的后置楔形透镜12a，各子光束分别由对应的后置楔形透镜12a准直为相互平行的平行光，各平行光均依次经第三转折光路反射镜13和成像物镜14成像至记录相机15的记录面上，各各台阶反射面7a反射的探针光子光束的图像存在一定光学间隔且空间分离，形成了携带有X射线源空间信息的分幅图像组合，实现了以全光分幅的诊断方法对X射线成像结果的记录。
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 (8)
1.一种适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：包括短脉冲激光器(1)、光束扩束透镜对、台阶反射镜(7)、前置楔形透镜阵列(8)、X射线发射源(11)、X射线成像器件(10)、超快X射线响应芯片(9)、后置楔形透镜阵列(12)、成像物镜(14)和记录相机(15)；
所述台阶反射镜(7)靠近前置楔形透镜阵列(8)的一侧表面凸出形成有若干相互平行的台阶反射面(7a)，各台阶反射面(7a)的凸出高度呈等差数列关系；
所述前置楔形透镜阵列(8)由分别与各台阶反射面(7a)一一对应的前置楔形透镜(8a)组成，所述后置楔形透镜阵列(12)由与前置楔形透镜(8a)数量相同的后置楔形透镜(12a)组成，各前置楔形透镜(8a)与各后置楔形透镜(12a)镜像对称地设置在超快X射线响应芯片(9)的法线两侧；
X射线发射源(11)发射的X射线经X射线成像器件(10)成像至超快X射线响应芯片(9)上，并在超快X射线响应芯片(9)上形成X射线源像(93)，同时，短脉冲激光器(1)发射的探针光经光束扩束透镜对扩束后由台阶反射镜(7)上的各台阶反射面(7a)分割为时间间隔呈等差数列关系的若干个子光束，各子光束分别经对应的前置楔形透镜(8a)先后依次聚焦在超快X射线响应芯片(9)上的子光束叠加像区域(94)，并携带X射线源像(93)信息从超快X射线响应芯片(9)反射至对应的后置楔形透镜(12a)，各子光束分别由对应的后置楔形透镜(12a)准直为相互平行的平行光，各平行光均经成像物镜(14)成像至记录相机(15)的记录面上，其中X射线源像(93)位于子光束叠加像区域(94)中，X射线源像(93)的面积小于子光束叠加像区域(94)的面积。
2.根据权利要求1所述的适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：所述光束扩束透镜对包括依次设置在短脉冲激光器(1)和台阶反射镜(7)之间的短焦透镜组(2)、可调光阑(3)和长焦透镜组(4)，所述可调光阑(3)的小孔大小可调，并位于短焦透镜组(2)和长焦透镜组(4)焦点重合的位置。
3.根据权利要求1所述的适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：所述超快X射线响应芯片(9)包括半导体响应介质(91)以及镀在半导体响应介质(91)远离X射线成像器件(10)一侧的探针光反射膜(92)，X射线发射源(11)出射的X射线经X射线成像器件(10)射向半导体响应介质(91)，并在半导体响应介质(91)中形成载流子区，该载流子区为所述X射线源像(93)，所述探针光反射膜(92)用于反射射入半导体响应介质(91)的各子光束。
4.根据权利要求3所述的适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：所述半导体响应介质(91)采用CdSe或InGaAsP材料制作而成。
5.根据权利要求1所述的适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：所述X射线成像器件(10)或为针孔成像器件，或为针孔成像器件和平面镜。
6.根据权利要求1所述的适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：所述光束扩束透镜对和台阶反射镜(7)之间设置有第一转折光路反射镜(5)和第二转折光路反射镜(6)，经光束扩束透镜对扩束后的探针光依次经第一转折光路反射镜(5)和第二转折光路反射镜(6)反射后射向台阶反射镜(7)。
7.根据权利要求1所述的适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：所述后置楔形透镜阵列(12)和成像物镜(14)之间设置有第三转折光路反射镜(13)，各前置楔形透镜(8a)出射的子光束均由第三转折光路反射镜(13)反射后射向成像物镜(14)。
8.根据权利要求1所述的适用于X射线成像的全光分幅系统，其特征在于：所述记录相机(15)为面阵相机。
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