CN114649106B - 一种球面高能透射晶体成像器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种球面高能透射晶体成像器及制造方法，该球面高能透射晶体成像器包括金属壳体和晶体薄片，金属壳体和晶体薄片均为球冠状，且晶体薄片的凸球面侧与金属壳体的凹球面侧相贴合，金属壳体上有多条中心对称分布的狭缝；该球面高能透射晶体成像器采用透射的方式，能够以较小的入射角度来获取高能X射线聚焦图像，多条中心对称分布的狭缝能对X射线实现全方位成像，通过调节狭缝的宽度，可以对不同尺寸的物体进行成像。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像领域，具体为一种球面高能透射晶体成像器及制造方法。
背景技术
惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)是把强激光(或粒子束)等指向性强的能量(驱动核聚变的能量，也称驱动器)均匀辐照氖氖等热核燃料组成的微型靶丸，在极短的时间内靶丸表面会发生电离和消融，形成包围靶心的高温等离子体。等离子体向外爆炸膨胀，根据动量守恒定理，将形成一个极大的向心的反作用压力，这个压力相当于地球上大气压力的十亿倍。在如此巨大的压力作用下，氘氚等离子体被压缩到极高的温度和极高的密度，引起氘氚燃料的核聚变反应。
在惯性约束核聚变反应过程中，X射线发射与中子是压缩的芯子条件的仅有的可观测的特征信号。目前X射线诊断是ICF诊断的主要手段，它相对于其他方法有两方面的优越性：一、采用等离子体自身的X射线发射作为诊断的依据，不会对被测等离子体产生干扰；二、X射线光谱的发射强度和等离子体的离化状态、能级分布等具有直接的关系。
目前，高温等离子体诊断方法主要有KB显微成像诊断技术和针孔相机成像诊断技术。其中，KB显微镜的分辨能力受到其反射面镜面形精度和反射镜调节精度的影响，反射面型加工精度已经是达到了目前加工的最高水平，要再有所突破非常困难，而且成本增加非常大。且KB显微镜一般应用于低于10keV的X射线成像。
而针孔相机对于较小的针孔直径、低于3keV～5keV的X射线，衍射限制分辨率。对于较高的光子能量必须使用较厚的挡板，大于针孔直径，在针孔相机的准直过程中产生明显的困难。使用针孔的物距是0～1cm，欲使一种结构如此靠近靶体，而不影响另一个诊断方向上的设备，在机械结构上是困难的。此外靶在高功率激光束辐照下，又在这么近的距离上，针孔很可能被低能X射线发射和等离子体碎片严重损伤而无法工作。
因此，在惯性约束聚变反应实验研究中，需要一种能够在高能X射线(可以应用于超过10keV的硬X射线)范围直接成像的器具，机械结构简单，无需高加工精度，操作简便，同时能够实现高能X射线的直接成像，能够实现记录和分析高能态的压缩靶丸等离子体光谱或图像信息，从而达到对压缩区域等离子体电子温度、电子密度、离化度、离化分布等物质状态参数的检测的目的。
发明内容
本发明公开了一种球面高能透射晶体成像器及制造方法，其目的在于在惯性约束聚变反应实验研究中，设置一种能够在高能X射线(硬X射线)范围直接成像的器具和方法，机械结构简单，操作步骤简便，同时能够实现高能X射线的直接成像，能够实现记录和分析高能态的压缩靶丸等离子体光谱或图像信息，从而对压缩区域等离子体电子温度、电子密度、离化度、离化分布等物质状态参数的检测。
同时本发明公开的一种球面高能透射晶体成像器及制造方法还适用于物体的成像，对物体内部的缺陷进行识别。
一种球面高能透射晶体成像器，包括金属壳体(2)和晶体薄片(4)，金属壳体(2)和晶体薄片(4)均为球冠状，且晶体薄片(4)的凸球面侧与金属壳体(2)的凹球面侧相贴合，金属壳体(2)上有多条中心对称分布的狭缝(3)。
优选的，金属壳体(2)的球冠面半径(R)与晶体薄片(4)的球冠面半径(R)相配合，球冠面半径(R)的取值范围是200～1000mm。
优选的，所述多条中心对称分布的狭缝(3)的内侧弧长N相等，狭缝(3)宽度(D)为5～20mm。
优选的，晶体薄片(4)的厚度为0.08～0.1mm。
优选的，晶体薄片(4)的材质为石英、云母、硅、锗等晶体的其中一种。
优选的，金属壳体(2)的材质为铝合金或不锈钢。
本发明还公开了一种球面高能透射晶体成像器的制造方法，制造如上所述的球面高能透射晶体成像器，包括以下步骤：
步骤1：制作球冠状的晶体薄片(4)；
步骤2：制作球冠状的金属壳体(2)，令金属壳体(2)的球冠面半径(R)与晶体薄片(4)的球冠面半径(R)相配合；
步骤3：在金属壳体(2)上设置多条中心对称分布的狭缝(3)，各狭缝(3)的内侧弧长(N)相等；
步骤4：将金属壳体(2)的凹球面与晶体薄片(4)的凸球面贴合固定在一起，并使其球冠面中心重叠。
优选的，晶体薄片(4)和金属壳体(2)的球冠面半径(R)范围是200～1000mm；晶体薄片(4)的厚度为0.08～0.1mm，材质为石英、云母、硅、锗等晶体的其中一种；金属壳体(2)的材质为铝合金或不锈钢。
优选的，狭缝(3)的宽度(D)取值范围为5～20mm。
优选的，金属壳体(2)的凹球面与晶体薄片(4)的凸球面的贴合固定方式为胶粘。
本发明具有以下有益效果：
1、球面高能透射晶体成像器采用透射的方式，能够以较小的入射角度来获取高能X射线聚焦图像；
2、本发明设置多条中心对称分布的狭缝3的目的在于，针对X射线不同的出射方向，球面高能透射晶体成像器1均可以有效成像，打破了X射线出射方向布设的局限性，实现了X射线的全方位成像；
3、本发明在应用于物体的X射线成像时，通过调节狭缝的加工宽度，可以对不同尺寸的物体进行成像。
4、本发明在应用于惯性约束聚变反应实验研究中，具有机械结构简单，无需高加工精度，操作步骤简便，同时能够实现高能X射线的直接成像的优点。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的球面高能透射晶体成像器凸球面侧结构示意图；
图2为本发明的球面高能透射晶体成像器凹球面侧结构示意图；
图3为本发明的球面高能透射晶体成像器正视图；
图4为本发明的球面高能透射晶体成像器A-A剖面示意图；
图5为本发明的应用于物体成像时的原理示意图；
图6为本发明的应用于惯性约束核聚变反应时成像的原理示意图；
附图标记说明：1、球面高能透射晶体成像器；2、金属壳体；3、狭缝；4、晶体薄片；5、X射线发射源；6、成像对象物体；7、像；8、球面圆心。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种球面高能透射晶体成像器及制造方法做进一步详细的描述。
本发明的目的为设置一种能够在高能X射线(可以应用于超过10keV的硬X射线)范围直接成像的器具和方法，机械结构简单，操作步骤简便，能够实现高能X射线的直接成像，能够实现记录和分析高能态的压缩靶丸等离子体光谱或图像信息，从而对压缩区域等离子体电子温度、电子密度、离化度、离化分布等物质状态参数的检测。
同时本发明公开的一种球面高能透射晶体成像器及制造方法还适用于物体的成像，具体为通过调节狭缝的加工宽度，可以对不同尺寸的物体进行成像，可用来对物体内部的缺陷进行识别。
基于以上要解决的技术问题，如图1至图4所示，本发明公开了一种球面高能透射晶体成像器，基于晶体布拉格衍射定理，采用透射的方式，以较小的入射角度来获取高能X射线聚焦图像，实现高能X射线的直接成像，其特征在于：
球面高能透射晶体成像器1包括金属壳体2和晶体薄片4，金属壳体2和晶体薄片4均为球冠状且球冠面半径R相配合，晶体薄片4的凸球面侧与金属壳体2的凹球面侧相贴合，其中，球冠面半径R的取值范围是200～1000mm；金属壳体2的材质为铝合金或不锈钢；晶体薄片4的厚度为0.08～0.1mm，材质为石英、云母、硅、锗等晶体的其中一种。
金属壳体2上有多条中心对称分布的狭缝3，各狭缝3的内侧弧长N相等，狭缝3的宽度D为5～20mm。
以上所述高能X射线(可以应用于超过10keV的硬X射线)的波长约介于0.01～1埃之间，优选钼的Kα谱线作为X射线发射源，其能量在17keV以上。
本发明还公开了一种球面高能透射晶体成像器的制造方法，具体有以下步骤：
步骤1：制作球冠状的晶体薄片4，晶体薄片4的球冠面半径范围是200～1000mm；晶体薄片4的厚度为0.08～0.1mm，材质为石英、云母、硅、锗等晶体的其中一种。
步骤2：制作球冠状的金属壳体2，令其球冠面半径与晶体薄片4的球冠面半径相配合，金属壳体2的球冠面半径范围是200～1000mm；
步骤3：在金属壳体2上设置多条中心对称分布的狭缝3，各狭缝3的内侧弧长N相等，根据被成像对象物体的大小调整狭缝3的宽度D，宽度D取值范围为5～20mm。
步骤4：将金属壳体2的凹球面与晶体薄片4的凸球面贴合固定在一起，并使其球冠面中心重叠，其中，贴合固定的方式为胶粘。
如图5所示，在针对具体的成像对象物体6进行衍射成像时，令X射线发射源5和成像对象物体6位于球面高能透射晶体成像器1的凸球面一侧，X射线发射源5发射X射线后照射于成像对象物体6上，穿透成像对象物体6后穿过金属壳体2上的狭缝3，投射入晶体薄片中进行高能衍射，在球面高能透射晶体成像器1的凹球面一侧聚焦形成像7，完成成像过程。
在此成像过程中各参数需要满足以下条件：
将狭缝3中心(即X射线入射点)点与球面圆心8进行连线，将X射线发射源5和狭缝3中心(即X射线入射点)进行连线，两连线相交形成的锐角即为θ角，θ角需要符合晶体布拉格衍射定理，计算公式如公式(1)所示：
2dsinθ＝mλ (1)；
其中，d是晶格常数，m是衍射级次，通常取m＝1，λ是X射线波长。
根据θ角的取值范围，调整X射线发射源5与球面高能透射晶体成像器1的相对位置。
根据上述所得的θ角计算焦距f，焦距f的计算公式如公式(2)所示；
其中，R是晶体薄片4的球冠面半径，cosθ是θ角的余弦函数。
同时，调整物距u和像距v的距离，使其满足如下公式(3)所示的成像公式：
其中，f为焦距，u为物距即成像对象物体6和狭缝3中心的距离，v为像距即像7和狭缝3中心的距离。
X射线的出射方向与球面高能透射晶体成像器1的中轴线的夹角α需满足公式(4)：
R×sin(θ-α)＝R×cosθ×sinα (4)；
其中，R是球面半径，θ是布拉格衍射角，α是X射线的出射方向与球面高能透射晶体成像器1的中轴线的夹角。
通过公式(4)可得出夹角α的数值，根据狭缝3剖面的中心线距离球面高能透射晶体成像器1剖面的中心线的垂直距离L的计算公式(5)可计算得出L的数值，公式(5)如下所示：
L＝R×sin(θ-α) (5)；
其中，R是球面半径，θ是布拉格衍射角，α是X射线的出射方向与球面高能透射晶体成像器1的中轴线的夹角。
基于以上条件，调整好各衍射参数后，即可实现高能X射线的直接成像。
采用本发明所公开的球面高能透射晶体成像器及制造方法具有如下技术效果：
1、球面高能透射晶体成像器采用透射的方式，能够以较小的入射角度来获取高能X射线聚焦图像；
2、本发明设置多条中心对称分布的狭缝3的目的在于，针对X射线不同的出射方向，球面高能透射晶体成像器1均可以有效成像，打破了X射线出射方向布设受限的局限性，实现了X射线的全方位成像；
3、本发明在应用于物体的X射线成像时，通过调节狭缝的加工宽度，可以对不同尺寸的物体进行成像；
4、本发明在应用于惯性约束聚变反应实验研究中，具有机械结构简单，无需高加工精度，操作步骤简便，同时能够实现高能X射线的直接成像的优点。
为了说明本发明球面高能透射晶体成像器的技术应用场景，下面结合实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
如图5所示，将球面高能透射晶体成像器1应用于不透明(相对于可见光而言不透明)成像对象物体6的X射线直接成像，令X射线发射源位于球面高能透射晶体成像器1的凸球面一侧，产生的高能X射线穿过不透明的成像对象物体6，穿过金属壳体2上的狭缝3，再投射入晶体薄片4中进行衍射，在球面高能透射晶体成像器1的凹球面一侧聚焦形成像7，在检测器面成像，可以观察到不透明的物体内部缺陷情况。
实施例2
如图6所示，将球面高能透射晶体成像器1应用于惯性约束聚变反应实验研究中的聚爆等离子体直接成像，令聚爆靶位于球面高能透射晶体成像器1的凸球面一侧，在聚爆靶被高功率激光点火后，可以产生聚爆等离子体，聚爆等离子体能够直接辐射高能X射线，将聚爆等离子体当成发光物体，其辐射的高程X射线穿过金属壳体2上的狭缝3，再投射入晶体薄片4中进行衍射，在球面高能透射晶体成像器1的凹球面一侧聚焦形成像7，由球面高能透射晶体成像器1直接成像，完成成像过程。由于球面高能透射晶体成像器1具有中心对称分布的4个狭缝3，则可以实现X射线的全方位成像。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种球面高能透射晶体成像器，其特征在于，球面高能透射晶体成像器(1)包括金属壳体(2)和晶体薄片(4)，金属壳体(2)和晶体薄片(4)均为球冠状，且晶体薄片(4)的凸球面侧与金属壳体(2)的凹球面侧相贴合，金属壳体(2)上有多条中心对称分布的狭缝(3)。
2.根据权利要求1所述的一种球面高能透射晶体成像器，其特征在于，金属壳体(2)的球冠面半径（R）与晶体薄片(4)的球冠面半径（R）相配合，球冠面半径（R）的取值范围是200~1000mm。
3.根据权利要求2所述的一种球面高能透射晶体成像器，其特征在于，所述多条中心对称分布的狭缝(3)的内侧弧长N相等，狭缝(3)宽度（D）为5~20mm。
4.根据权利要求3所述的一种球面高能透射晶体成像器，其特征在于，晶体薄片(4)的厚度为0.08~0.1mm。
5.根据权利要求4所述的一种球面高能透射晶体成像器，其特征在于，晶体薄片(4)的材质为石英、云母、硅、锗晶体的其中一种。
6.根据权利要求5所述的一种球面高能透射晶体成像器，其特征在于，金属壳体(2)的材质为铝合金或不锈钢。
7.一种球面高能透射晶体成像器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制作球冠状的晶体薄片(4)；
步骤2：制作球冠状的金属壳体(2)，令金属壳体(2)的球冠面半径(R)与晶体薄片(4)的球冠面半径(R)相配合；
步骤3：在金属壳体(2)上设置多条中心对称分布的狭缝(3)，各狭缝(3)的内侧弧长(N)相等；
步骤4：将金属壳体(2)的凹球面与晶体薄片(4)的凸球面贴合固定在一起，并使其球冠面中心重叠。
8.根据权利要求7所述的一种球面高能透射晶体成像器的制造方法，其特征在于，晶体薄片(4)和金属壳体(2)的球冠面半径(R)范围是200~1000mm；晶体薄片(4)的厚度为0.08~0.1mm，材质为石英、云母、硅、锗晶体的其中一种；金属壳体(2)的材质为铝合金或不锈钢。
9.根据权利要求7所述的一种球面高能透射晶体成像器的制造方法，其特征在于，狭缝(3)的宽度(D)取值范围为5~20mm。
10.根据权利要求7-9中任意一个权利要求所述的一种球面高能透射晶体成像器的制造方法，其特征在于，金属壳体(2)的凹球面与晶体薄片(4)的凸球面的贴合固定方式为胶粘。
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