CN114724735B - 一种icf中x射线图像信息准在线读取系统和读取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种ICF中X射线图像信息准在线读取系统和读取方法，采用了原子级图像存储原理实现了X射线图像亚微米级记录；并且由于记录信号无衰减，不受可见光、紫外光、强电磁脉冲、高中子产额干扰，标定可控简便，实现了定量化记录，达到辐射剂量测定标准；所采用的准在线读取方式使数据采集效率高仅需10mins以内，另外记录器件可大面积（50mm～200mm）制备与使用。因此本发明具有广阔且重要的应用前景。

Description

一种ICF中X射线图像信息准在线读取系统和读取方法
技术领域
本发明涉及激光惯性约束聚变ICF中X射线诊断领域，更具体地，涉及一种ICF中X射线图像信息准在线读取系统和读取方法。
背景技术
在激光惯性约束聚变（简称ICF）利用激光入射在纯金腔体内壁上产生X射线，利用X射线压缩位于金腔中心的氘氚靶丸，从而引发受控核聚变。对这些X射线进行亚微米分辨并且定量化的记录是深入研究ICF黑腔以及内爆物理过程的关键诊断技术，因为它是描述这些物理过程原理（亚微米尺度）的“明亮眼睛”和“量化标尺”。
目前国际上，ICF中X射线记录器件主要有第三种，一种是X射线成像板；一种是X射线CCD；一种是X射线胶片。
现有X射线图像信息记录器件存在以下不足：
Figure 408335DEST_PATH_IMAGE001
X射线成像板的空间分辨率较低，仅为60~100 μm，所记录X射线图像信息易随时间衰减，因而难以对记录信息进行定量分析，此外离线读取的方式显著影响数据采集效率；
Figure 685864DEST_PATH_IMAGE002
尽管X射线CCD的空间分辨率可达十几μm，不过其电子元器件易受ICF打靶环境强电磁脉冲以及高中子产额干扰，因此，同样难以实现定量分析。另外受限的二维探测灵敏面及大体积电子学系统也难以适应大面积与小空间探测需求；
Figure 26847DEST_PATH_IMAGE003
虽然X射线胶片具有几个μm级空间分辨率，然而其非线性响应以及定量标定的不可控带来记录信息难以定量分析，并且所采用的离线读取方式对数据采集效率依然影响显著。
现有技术中公开一种ICF内爆靶丸内爆过程的X光成像装置，沿预置光路依次设置有X光光源、单色晶体、分析晶体、编码板、条纹相机和图像成像模块；所述单色晶体和所述分析晶体之间设有待检测的内爆靶丸；所述X光光源用于发出X射线后，经过所述单色晶体射入所述待检测的内爆靶丸内；所述分析晶体用于接收由所述待检测的内爆靶丸内出射的所述X射线，所述分析晶体的接收面相对于入射的所述X射线所在的平面以预设的摆放角度进行设置，从而仅接收与所述待检测的内爆靶丸发生折射效应的所述X射线；所述编码板用于接收所述分析晶体出射的所述X射线后，对所述X射线进行编码；所述条纹相机设有入口狭缝部和狭缝驱动器，所述入口狭缝部的狭缝尺寸与所述图像成像模块的图像接收窗口的窗口尺寸相匹配，所述条纹相机用于通过所述入口狭缝部接收经所述编码板编码后的所述X射线，所述狭缝驱动器用于驱动所述入口狭缝部以预设的位移速度沿竖直方向进行运动；所述图像成像模块用于接收所述条纹相机输出的所述X射线，还用于根据所述X射线重构所述待检测的内爆靶丸的内爆过程的图像。该方案依然无法实现在线读取。
发明内容
本发明提供一种ICF中X射线图像信息准在线读取系统和读取方法，解决了现有技术中因固有的记录读取原理所导致的影响数据高空间分辨定量化采集以及采集效率的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种ICF中X射线图像信息准在线读取系统，包括ICF诊断通用搭载平台DIM、真空-大气转接插头、记录器件、激光器、一维平移台与旋转电机、电动控制器、示波器、透镜、物镜、二向色镜、滤光片与陷波片、限孔、上位机、影像增强器以及用于连接各器件的光纤，其中：
所述ICF诊断通用搭载平台DIM提供真空环境；
所述记录器件在X射线照射下形成电子-空穴对，所述记录器件记录有由X射线成像器件所成的像；
所述记录器件、一维平移台与旋转电机、透镜、物镜、二向色镜、滤光片与陷波片和限孔均设置于所述ICF诊断通用搭载平台DIM上；
所述激光器发射的X射线通过光纤和所述真空-大气转接插头进入所述ICF诊断通用搭载平台DIM上；所述激光器发射的X射线从光纤发射后，依次经所述透镜透射、二向色镜折射和物镜后成为入射光，所述入射光垂直照射于所述记录器件上；所述记录器件因辐射光致发光原理发射可见激发光，所述可见激发光依次经所述物镜、二向色镜透射、滤光片与陷波片、影像增强器、限孔后进入光纤，再通过所述真空-大气转接插头输入至所述示波器中；
所述一维平移台与旋转电机包括一维平移台和旋转电机，旋转电机设置在所述一维平移台上，所述记录器件设置于所述旋转电机上，所述电动控制器控制一维平移台和旋转电机，使得所述一维平移台在垂直于所述入射光的方向移动，同时所述旋转电机受所述电动控制器控制，使得记录器件在记录器件所属的平面中高速旋转；
所述上位机与所述示波器连接，所述上位机将所述示波器的输出拼接。
上述方案中，一维平移台与旋转电机使得所述记录器件在记录器件所属的平面中高速旋转，每旋转一圈，示波器记录一条信号，之后，通过电控一维平移台控制平移0.5μm（商用平移台平移精度可达1nm）步长，继续扫描一圈，依次类推，扫描完成后，通过拼接程序完成X射线图像信号的拼接还原，控制总读取时间在10分钟以下。另外，旋转扫描以及平移控制均通过程序精密协调，确保X射线图像信息亚微米分辨定量化准确还原。
优选地，所述记录器件为银离子掺杂的磷酸盐玻璃。
优选地，所述磷酸盐玻璃为Al(PO3)3、NaPO3或Mg(PO3)2等中的一种或几种的任意组合。
优选地，所述记录器件记录由X射线成像器件所成的像，具体为：
将所述记录器件放置于X射线成像器件的相面位置，当ICF中X射线射线源发射X射线，经过X射线成像器件，即可由所述记录器件记录由X射线成像器件所成的像。
优选地，所述X射线成像器件为Kirkpatrick–Baez镜、针孔、弯晶、光谱仪中的一种。
优选地，所述一维平移台与旋转电机受所述电动控制器控制使得所述记录器件在记录器件所属的平面中高速旋转的转速在4000转/分钟以上。
优选地，所述物镜的放大倍数在100倍以上。
优选地，所述限孔小于光纤通光口径。
优选地，所述ICF诊断通用搭载平台上保持小于10-2Pa的真空度。
一种ICF中X射线图像信息准在线读取方法，所述准在线读取方法应用与上述所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，所述准在线读取方法包括以下步骤：
S1：所述记录器件记录X射线；
S2：所述一维平移台与旋转电机开始转动，使记录器件在记录器件所属的平面中高速旋转；
S3：激光器发射的可见单色激光依次经真空-大气转接插头、透镜、二向色镜和物镜后照射于所述记录器件；
S4：所述记录器件发出的可见激发光依次经物镜、二向色镜透射、滤光片与陷波片、影像增强器、限孔和真空-大气转接插头输入至示波器中；
S5：所述记录器件每旋转一周，示波器记录一条信号，同时所述一维平移台与旋转电机在垂直于所述入射光的方向移动一个步长，重复步骤S3至S4，直至移动距离大于记录器件的半径；
S6：将每一个步长中，示波器记录的信号输入上位机中，上位机对信号进行拼接后，得到X射线图像信息。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明采用了原子级图像存储原理实现了X射线图像亚微米级记录；并且由于记录信号无衰减，不受可见光、紫外光、强电磁脉冲、高中子产额干扰，标定可控简便，实现了定量化记录，达到辐射剂量测定标准；所采用的准在线读取方式使数据采集效率高仅需10mins以内，另外记录器件可大面积（50mm～200mm）制备与使用。因此本发明具有广阔且重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2为实施例提供的Ag掺杂磷酸玻璃Ag-PG辐射光致发光原理示意图。
图3为实施例提供的X射线成像器件成像示意图。
图4为本发明的方法流程示意图。
图中，1为ICF诊断通用搭载平台DIM，2为真空-大气转接插头，3为记录器件，4为激光器，5为一维平移台与旋转电机，6为电动控制器，7为示波器，8为透镜，9为物镜，10为二向色镜，11为滤光片与陷波片，12为限孔，13为上位机，14为影像增强器，15为X射线成像器件。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种ICF中X射线图像信息准在线读取系统，如图1所示，包括ICF诊断通用搭载平台DIM1、真空-大气转接插头2、记录器件3、激光器4、一维平移台与旋转电机5、电动控制器6、示波器7、透镜8、物镜9、二向色镜10、滤光片与陷波片11、限孔12、上位机13、影像增强器14以及用于连接各器件的光纤，其中：
所述ICF诊断通用搭载平台DIM1提供真空环境；
所述记录器件3在X射线照射下形成电子-空穴对，所述记录器件3记录有由X射线成像器件15所成的像；
所述记录器件3、一维平移台与旋转电机5、透镜8、物镜9、二向色镜10、滤光片与陷波片11和限孔12均设置于所述ICF诊断通用搭载平台DIM1上；
所述激光器4发射的X射线通过光纤和所述真空-大气转接插头2进入所述ICF诊断通用搭载平台DIM1上；所述激光器4发射的X射线从光纤发射后，依次经所述透镜8透射、二向色镜10折射和物镜9后成为入射光，所述入射光垂直照射于所述记录器件3上；所述记录器件3因辐射光致发光原理发射可见激发光，所述可见激发光依次经所述物镜9、二向色镜10透射、滤光片与陷波片11、影像增强器14、限孔12后进入光纤，再通过所述真空-大气转接插头2输入至所述示波器7中，图1中限孔12后的圆圈为限孔与光纤的剖面放大示意；
所述一维平移台与旋转电机5包括一维平移台和旋转电机，旋转电机设置在所述一维平移台上，所述记录器件3设置于所述旋转电机上，所述电动控制器6控制一维平移台和旋转电机，使得所述一维平移台在垂直于所述入射光的方向移动，同时所述旋转电机受所述电动控制器6控制，使得记录器件3在记录器件3所属的平面中高速旋转；
所述上位机13与所述示波器7连接，所述上位机13将所述示波器7的输出拼接。
本实施例采用了原子级图像存储原理实现了X射线图像亚微米级记录，如图2所示，某些少数的特殊材料（包含晶体、玻璃、陶瓷等）在X射线照射下会形成电子-空穴对，而这些材料中的掺杂（如Ag1+、Sm3+、Eu3+等）或非掺杂离子将与电子或空穴结合，形成色心（Color Center，简称CS，如Ag0/ Ag2+、Sm2+、Eu2+等），从而记录X射线图像，由于色心是单个原子形成的，因而理论上确保了X射线图像分辨率可达原子级。而辐射光致发光输出原理指的是当这些材料被X射线照射，形成色心后，利用某种波长的可见激发光照射，色心将会发射另外一种波长的可见光输出，这些可见光的强度与吸收X射线的强度成正比，从而实现X射线图像信息的定量读取。以Ag掺杂磷酸玻璃（Ag-doped phosphate glass，简称Ag-PG）为例：
采用Ag掺杂磷酸玻璃Ag-PG作为记录介质，利用AgCl，NaPO3，Al(PO3)3经熔融淬冷法制备而成，实现直径50～80mm，厚度1mm样品制备。依据X射线照射Ag-PG时在其中产生电子-空穴
Figure 302101DEST_PATH_IMAGE004
对，而此时Ag-PG中：
Figure 462955DEST_PATH_IMAGE005
(1)
Figure 996705DEST_PATH_IMAGE006
(2)
Ag0和Ag2+色心将X射线图像在理论上以原子级分辨记录存储。重要的是，除非记录介质被加热到400℃，Ag0和Ag2+色心不会返回Ag+状态，这就确保了准在线延时读取的可能、优良的抗干扰能力及定量化能力。另外当用355nm紫外激光照射此时的Ag-PG，Ag0和Ag2+色心由于电子能级轨道跃迁会分别发射蓝色和橙色可见光，因此X射线图像即可转换为可见光图像并易于读取。
利用Ag-PG的辐射光致发光原理以及色心记录图像不衰减的特点，在ICF打靶结束之后10mins以内的时间，采用音轨-光碟式高速旋转扫描，限孔选区，光纤导光，示波器7记录，输出拼接等方式，实现大面积（50～80mm）亚微米分辨X射线图像信息在ICF诊断通用搭载平台DIM1上的高速读取。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，继续公开下述内容：
所述记录器件3为银离子掺杂的磷酸盐玻璃。
所述磷酸盐玻璃为Al(PO3)3、NaPO3或Mg(PO3)2等中的一种或几种的任意组合。
所述记录器件3记录由X射线成像器件15所成的像，如图3所示，具体为：
将所述记录器件3放置于X射线成像器件15的相面位置，当ICF中X射线射线源发射X射线，经过X射线成像器件15，即可由所述记录器件3记录由X射线成像器件15所成的像。
所述X射线成像器件15为Kirkpatrick–Baez镜、针孔、弯晶、光谱仪中的一种。
所述一维平移台与旋转电机5受所述电动控制器6控制使得所述记录器件3在记录器件3所属的平面中高速旋转的转速在4000转/分钟以上，本实施例中转速为9800转/分钟左右（商用真空无刷电机转速可达120000转/分钟）。
所述物镜9的放大倍数在100倍以上，本实施例中采用200倍显微物镜9将0.5μm尺度放大至100μm。
所述限孔12小于光纤通光口径，本实施例中陷波片12为100μm尺度，实现精确选区，大口径（例如200~500μm）光纤收光（460nm和563nm发射光）并输入示波器7。
所述ICF诊断通用搭载平台上保持小于10-2Pa的真空度。
所述示波器7为8GHZ示波器7（时间分辨45ps），记录器件3上每0.5μm间隔，355nm紫外光最短照射时间是12ns左右，而Ag-PG色心RPL发光响应时间几乎是0ns(zero delay)，完全足够常用8GHZ示波器7（时间分辨45ps）采集数据。
还包括影像增强器14，可见激发光依次经所述物镜9、二向色镜10透射、滤光片与陷波片11、影像增强器14、限孔12后进入光纤。
实施例3
本实施例在实施例2的基础上，公开一种ICF中X射线图像信息准在线读取方法，如图4所示，所述准在线读取方法应用与实施例1和实施例2所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，所述准在线读取方法包括以下步骤：
S1：所述记录器件3记录X射线；
S2：所述一维平移台与旋转电机5开始转动，使记录器件3在记录器件3所属的平面中高速旋转；
S3：激光器4发射的可见单色激光依次经真空-大气转接插头2、透镜8、二向色镜10和物镜9后照射于所述记录器件3；
S4：所述记录器件3发出的可见激发光依次经物镜9、二向色镜10透射、滤光片与陷波片11、影像增强器14、限孔12和真空-大气转接插头2输入至示波器7中；
S5：所述记录器件3每旋转一周，示波器7记录一条信号，同时所述一维平移台与旋转电机5在垂直于所述入射光的方向移动一个步长，重复步骤S3至S4，直至移动距离大于记录器件3的半径；
S6：将每一个步长中，示波器7记录的信号输入上位机13中，上位机13对信号进行拼接后，得到X射线图像信息。
本实施例中的一维平移台与旋转电机5使得所述记录器件3在记录器件3所属的平面中高速旋转，每旋转一圈，示波器7记录一条信号，之后，通过电控一维平移台控制平移0.5μm（商用平移台平移精度可达1nm）步长，继续扫描一圈，依次类推，平移总距离按最大半径40mm计，时间控制在1分钟内。而旋转扫描用时共计约8分钟，示波器7信号输入电脑，通过拼接程序完成X射线图像信号的拼接还原，总读取时间可控制在10分钟以下。另外，旋转扫描以及平移控制均通过程序精密协调，确保X射线图像信息亚微米分辨（0.5μm）定量化准确还原。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，包括ICF诊断通用搭载平台DIM（1）、真空-大气转接插头（2）、记录器件（3）、激光器（4）、一维平移台与旋转电机（5）、电动控制器（6）、示波器（7）、透镜（8）、物镜（9）、二向色镜（10）、滤光片与陷波片（11）、限孔（12）、上位机（13）、影像增强器（14）以及用于连接各器件的光纤，其中：
所述ICF诊断通用搭载平台DIM（1）提供真空环境；
所述记录器件（3）在X射线照射下形成电子-空穴对，所述记录器件（3）记录有由X射线成像器件（15）所成的像；
所述记录器件（3）、一维平移台与旋转电机（5）、透镜（8）、物镜（9）、二向色镜（10）、滤光片与陷波片（11）和限孔（12）均设置于所述ICF诊断通用搭载平台DIM（1）上；
所述激光器（4）发射的可见单色激光通过光纤和所述真空-大气转接插头（2）进入所述ICF诊断通用搭载平台DIM（1）上；所述激光器（4）发射的可见单色激光从光纤发射后，依次经所述透镜（8）透射、二向色镜（10）折射和物镜（9）后成为入射光，所述入射光垂直照射于所述记录器件（3）上；所述记录器件（3）因辐射光致发光原理发射可见激发光，所述可见激发光依次经所述物镜（9）、二向色镜（10）透射、滤光片与陷波片（11）、影像增强器（14）、限孔（12）后进入光纤，再通过所述真空-大气转接插头（2）输入至所述示波器（7）中；
所述一维平移台与旋转电机（5）包括一维平移台和旋转电机，旋转电机设置在所述一维平移台上，所述记录器件（3）设置于所述旋转电机上，所述电动控制器（6）控制一维平移台和旋转电机，使得所述一维平移台在垂直于所述入射光的方向移动，同时所述旋转电机受所述电动控制器（6）控制，使得记录器件（3）在记录器件（3）所属的平面中高速旋转；
所述上位机（13）与所述示波器（7）连接，所述上位机（13）将所述示波器（7）的输出拼接；
所述记录器件（3）记录由X射线成像器件（15）所成的像，具体为：
将所述记录器件（3）放置于X射线成像器件（15）的相面位置，当ICF中X射线射线源发射X射线，经过X射线成像器件（15），即可由所述记录器件（3）记录由X射线成像器件（15）所成的像。
2.根据权利要求1所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，所述记录器件（3）为银离子掺杂的磷酸盐玻璃。
3.根据权利要求2所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，所述磷酸盐玻璃为Al(PO3)3、NaPO3或Mg(PO3)2等中的一种或几种的任意组合。
4.根据权利要求1所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，所述X射线成像器件（15）为Kirkpatrick–Baez镜、针孔、弯晶、光谱仪中的一种。
5.根据权利要求1所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，所述一维平移台与旋转电机（5）受所述电动控制器（6）控制使得所述记录器件（3）在记录器件（3）所属的平面中高速旋转的转速在4000转/分钟以上。
6.根据权利要求1所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，所述物镜（9）的放大倍数在100倍以上。
7.根据权利要求1所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，所述限孔（12）小于光纤通光口径。
8.根据权利要求1所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，其特征在于，所述ICF诊断通用搭载平台上保持小于10-2Pa的真空度。
9.一种ICF中X射线图像信息准在线读取方法，其特征在于，所述准在线读取方法应用于权利要求1至8任一项所述的ICF中X射线图像信息准在线读取系统，所述准在线读取方法包括以下步骤：
S1：所述记录器件（3）记录X射线；
S2：所述一维平移台与旋转电机（5）开始转动，使记录器件（3）在记录器件（3）所属的平面中高速旋转；
S3：激光器（4）发射的可见单色激光依次经真空-大气转接插头（2）、透镜（8）、二向色镜（10）和物镜（9）后照射于所述记录器件（3）；
S4：所述记录器件（3）发出的可见激发光依次经物镜（9）、二向色镜（10）透射、滤光片与陷波片（11）、影像增强器（14）、限孔（12）和真空-大气转接插头（2）输入至示波器（7）中；
S5：所述记录器件（3）每旋转一周，示波器（7）记录一条信号，同时所述一维平移台与旋转电机（5）在垂直于所述入射光的方向移动一个步长，重复步骤S3至S4，直至移动距离大于记录器件（3）的半径；
S6：将每一个步长中，示波器（7）记录的信号输入上位机（13）中，上位机（13）对信号进行拼接后，得到X射线图像信息。
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