CN115980103B - 一种动态飞片透视照相方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态飞片透视照相方法及系统，涉及动态飞片成像领域，方法包括：基于超短脉冲激光驱动高时空分辨X射线成像技术，构建初始X射线源、初始炮筒结构及初始探测器进行实验，利用初始X射线源产生初始X射线，对初始炮筒结构中初始电爆炸箔爆炸产生的初始动态飞片进行照射，同时利用初始探测器进行探测，得到原始探测数据，进一步地，获取关于初始X射线源、初始炮筒结构、初始探测器的原始设计参数，根据原始探测数据、原始设计参数进行仿真模拟，构建成像仿真模型，通过成像仿真模型进行模拟优化，得到优化后的设计参数，根据设计参数构建X射线源、炮筒结构及探测器并进行探测，可实现对炮筒结构中动态飞片的姿态观测及研究。

Description

一种动态飞片透视照相方法及系统

技术领域

本发明涉及动态飞片成像领域，特别是涉一种动态飞片透视照相方法及系统。

背景技术

电爆炸箔等起爆器是新型高安全性起爆类火工品，在起爆器作用过程中，除飞片速度外，飞片撞击炸药的形态对炸药冲击起爆也有着重要影响。飞片倾斜、弯曲、破孔和边缘烧蚀等现象均会减小有效起爆面积，增大起爆能量。因飞片的尺寸小、运动速度快，且处于飞行腔内，姿态观测非常困难。美国利用先进光源高级光子源(AdvancedPhotonSource，APS)的X光成像技术，获得了电爆炸驱动无炮筒约束条件下清晰的飞片形态照片，但尚未开展炮筒腔内飞片姿态实验研究。

针对冲击片雷管工程应用中，飞片实际在炮筒约束条件下飞行，炮筒腔内飞片姿态是起爆器有效性的关键状态参量，是当前亟需解决的关键问题，但缺乏有效的诊断手段。由于炮筒对X射线具有高吸收性，飞片X射线吸收极弱难以有效成像，致使拍摄炮筒约束条件下的飞片姿态成为难点，目前国际上还没有成功捕捉到炮筒腔内飞片姿态的相关报道。国内目前主要利用可见光成像获取飞片在飞行过程的姿态信息，但无法诊断内部结构信息。高时空分辨X射线成像方面的工作开展的比较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态飞片透视照相方法及系统，可以获得炮筒腔内的动态飞片图像，实现对炮筒腔中动态飞片的运动状态和姿态演变的研究。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种动态飞片透视照相方法，包括：

基于超短脉冲激光驱动高时空分辨X射线成像技术，构建初始X射线源，得到初始X射线；

模拟炮筒腔建立初始炮筒结构，并在所述初始炮筒结构中设置初始电爆炸箔；

利用所述初始X射线，照射所述初始炮筒结构中所述初始电爆炸箔爆炸产生的初始动态飞片；

通过初始探测器，探测所述初始动态飞片的运动速度，及采集照射所述动态飞片后的X射线，得到原始探测数据；

获取关于所述初始X射线源、初始炮筒结构、初始探测器的原始设计参数；

根据所述原始探测数据、原始设计参数，利用蒙特卡罗模拟方法，构建成像仿真模型；

根据所述成像仿真模型，得到设计参数；所述设计参数包括：X射线源参数、炮筒参数、成像参数；

根据所述X射线源参数，构建X射线源，得到X射线；

根据所述炮筒参数，建立炮筒结构；

根据所述成像参数设立探测器，并对所述X射线源、炮筒结构、探测器的位置进行相应设置，以及在所述炮筒结构内部安置电爆炸箔；

利用磁场发生器使所述X射线源中产生的高能电子发生偏转，偏离所述X射线的成像方向；

控制所述X射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述X射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射；

通过所述探测器，探测不同时刻下所述动态飞片的飞行速度，得到速度数据，并采集不同时刻下照射所述动态飞片后的X射线，得到动态飞片图像数据；

根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片在所述炮筒结构中的运动状态和姿态演变进行分析。

进一步地，所述X射线源参数包括所述X射线源的源尺寸≤10μm，脉宽≤100ps，能段为10～100keV，能点≥20keV。

进一步地，所述根据所述X射线源参数构建X射线源，得到X射线，具体包括：

通过激光发射器得到皮秒激光；

通过丝靶与所述皮秒激光作用，形成X射线源，得到X射线。

进一步地，所述皮秒激光的能量≥100J，脉冲宽度≥1ps，聚焦焦斑≤50μm，功率密度≥1×10¹⁸W/cm²。

进一步地，所述丝靶由金属丝构成，且端面经过角度切割，所述金属丝的直径≤10μm，材料为钼或金或铜。

进一步地，所述炮筒参数包括炮筒形状、筒壁厚度、炮筒材料和炮筒大小。

进一步地，所述炮筒结构为柱形中空结构，且内壁开设有一对平行对应的X形凹槽。

进一步地，所述成像参数包括：物距≥30mm，像距≥450mm，放大倍率为15倍，探测区域≥90mm×120mm，探测区域像素点≤25μm，成像诊断视场≥6mm×8mm，空间分辨≤10μm、时间分辨≤100ps。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种动态飞片透视照相系统，所述照相系统包括：

激光发射器，用于发射皮秒激光；

丝靶，端面经过角度切割，与所述激光发射器对应设置，用于在所述皮秒激光的作用下形成X射线源，得到X射线；

炮筒结构，柱形中空且内壁开设有一对平行对应的X形凹槽，设置在所述X射线的传输光路上，用于使所述X射线贯穿通过；

电爆炸箔，设置在所述炮筒结构内部；

中控单元，与所述激光发射器、电爆炸箔连接，用于控制所述X射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述X射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射；

探测器，与所述炮筒结构对应设置，并与所述中控单元连接；用于探测不同时刻下所述动态飞片的飞行速度，得到速度数据，并采集不同时刻下照射所述动态飞片后的X射线，得到动态飞片图像数据；所述中控单元根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片在所述炮筒结构中的运动状态和姿态演变进行分析。

可选地，所述照相系统包括：

磁场发生器，设置在所述炮筒结构与所述探测器之间，用于使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述X射线的成像方向。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明动态飞片透视照相方法，基于超短脉冲激光驱动高时空分辨X射线成像技术，构建初始X射线源、初始炮筒结构及初始探测器进行实验，进而获得原始探测数据、原始设计参数，进一步地，基于超短脉冲激光驱动微焦点X射线源的点投影成像设计，利用蒙特卡罗模拟方法建立成像仿真模型，通过成像仿真模型进行模拟优化，获得最终的设计参数，解决了动态飞片照相的参数设计难题，根据设计参数构建X射线源、炮筒结构及探测器，进而探测获得炮筒结构中动态飞片的速度数据及动态飞片图像数据，对速度数据及动态飞片图像数据进行分析，从而可实现对炮筒结构中动态飞片的姿态观测及研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明动态飞片透视照相方法的流程示意图图一；

图2为本发明动态飞片透视照相方法的流程示意图图二；

图3为炮筒结构模拟优化示意图；

图4为切割后的丝靶示意图；

图5为本发明动态飞片透视照相系统的结构示意图。

图中虚线代表光信号。

符号说明：

激光发射器-1、丝靶-2、炮筒结构-3、电爆炸箔-4、中控单元-5、探测器-6、磁场发生器-7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是通过提供一种动态飞片透视照相方法及系统，获得炮筒腔内的动态飞片图像，实现对炮筒腔内动态飞片的姿态观测及研究。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1和图2为本发明动态飞片透视照相方法的流程示意图。本发明动态飞片透视照相方法具体包括：

步骤S01：基于超短脉冲激光驱动高时空分辨X射线成像技术，构建初始X射线源，得到初始X射线。

步骤S02：模拟炮筒腔建立初始炮筒结构，并在所述初始炮筒结构中设置初始电爆炸箔。

步骤S03：利用所述初始X射线，照射所述初始炮筒结构中所述初始电爆炸箔爆炸产生的初始动态飞片。

步骤S04：通过初始探测器，探测所述初始动态飞片的运动速度，及采集照射所述动态飞片后的X射线，得到原始探测数据。

步骤S05：获取关于所述初始X射线源、初始炮筒结构、初始探测器的原始设计参数。

步骤S06：根据所述原始探测数据、原始设计参数，利用蒙特卡罗模拟方法，构建成像仿真模型。

步骤S07：根据所述成像仿真模型，得到设计参数；所述设计参数包括：X射线源参数、炮筒参数、成像参数。

步骤S08：根据所述X射线源参数，构建X射线源，得到X射线。

步骤S09：根据所述炮筒参数，建立炮筒结构。

步骤S10：根据所述成像参数设立探测器，并对所述X射线源、炮筒结构、探测器的位置进行相应设置，以及在所述炮筒结构内部安置电爆炸箔。

步骤S11：利用磁场发生器使所述X射线源中产生的高能电子发生偏转，偏离所述X射线的成像方向。

步骤S12：控制所述X射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述X射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射。

步骤S13：通过所述探测器，探测不同时刻下所述动态飞片的飞行速度，得到速度数据，并采集不同时刻下照射所述动态飞片后的X射线，得到动态飞片图像数据。

步骤S14：根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片在所述炮筒结构中的运动状态和姿态演变进行分析。

本发明所提供的动态飞片透视照相方法，通过利用超短脉冲激光驱动高时空分辨X射线成像技术，对炮筒腔内的动态飞片进行拍摄；利用高功率短脉冲激光驱动产生的X射线源，具有高能点、微米级焦斑、皮秒级脉宽的特点，同时通过点投影成像设计，实现了对炮筒腔内动态飞片的高清透视照相。本发明所提供的动态飞片透视照相方法，能够实现高时空分辨、动态透视照相，相比于美国APS装置同类技术更加小型化和经济化。

如图3所示，本发明所提供的动态飞片透视照相方法，利用耦合标量衍射算法的蒙特卡罗模拟方法，建立了炮筒腔内动态飞片成像仿真模型，有效解决了动态飞片照相的参数设计难题。

利用动态飞片成像仿真模型，针对不同的炮筒材料如Al、Fe等，优化X射线能点与炮筒厚度，降低了炮筒与飞片的吸收度差异。进一步优化设计炮筒工装，令炮筒结构为柱形中空结构，且内壁开设有一对平行对应的X形凹槽，以降低X射线穿透距离，进而有效降低了X射线能量需求，并保证了X射线穿透性。

此外，利用动态飞片对X射线波段的高相位敏感性，计算了飞片在微焦点X射线源照射后的复振幅演化，获得其在像平面的X射线光强分布，分析了飞片轮廓增强的主要影响因素；并根据成像仿真结果，得到了所述设计参数。所述设计参数包括：X射线源参数、炮筒参数、成像参数。

具体地，所述X射线源参数包括：所述X射线源的源尺寸≤10μm，脉宽≤100ps，能段为10～100keV，能点≥20keV。

所述炮筒参数包括：炮筒形状、筒壁厚度、炮筒材料和炮筒大小。

所述成像参数包括：物距≥30mm，像距≥450mm，放大倍率为15倍，探测区域≥90mm×120mm，探测区域像素点≤25μm，成像诊断视场≥6mm×8mm，空间分辨≤10μm、时间分辨≤100ps。

其中，在步骤S08中，根据所述X射线源参数，构建X射线源，得到X射线，具体包括：

步骤S081：通过激光发射器得到皮秒激光。

步骤S082：通过丝靶与所述皮秒激光作用，形成X射线源，得到X射线。

此外，能够通过调控所述皮秒激光的功率密度，改变所述X射线的转换效率及源亮度。

具体地，所述皮秒激光的能量≥100J，脉冲宽度≥1ps，聚焦焦斑≤50μm，功率密度≥1×10¹⁸W/cm²。

进一步地，所述丝靶由金属丝构成，且端面经过角度切割，所述金属丝的直径≤10μm，材料为钼或金或铜。

其中，在步骤S09中，根据所述炮筒参数，建立了炮筒结构。

进一步地，所述炮筒结构为柱形中空结构，且内壁开设有一对平行对应的X形凹槽。

在步骤S11中，利用高能电子在磁场中偏转的特性，通过所述磁场发生器使高能电子避开所述X射线的成像方向，解决了高能电子对成像干扰的问题。

而针对高能质子难以被磁场偏转的难题，如图4所示，利用激光加速质子法线方向发射的特性，使用高能质子端面调控技术，对所述丝靶的端面进行了角度切割，使得所述X射线源中产生的高能质子，避开所述X射线的成像方向；由此，大幅提升了成像信噪比，可令成像信噪比≥20。

其中，在步骤S12中，控制所述X射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述X射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射。

具体地，通过在所述X射线发射前，向所述电爆炸箔输入外触发的TTL信号进行触发，使所述皮秒激光发射与所述电爆炸箔启动的时间同步。由外触发的TTL信号对电爆炸箔进行触发，在数百纳秒后，电爆炸形成等离子体驱动飞片，爆发点作为飞片起始运动的零点。飞片加速、飞行过程可利用所述探测器进行监测。通过电流曲线及速度结果，分析动态飞片的运动状态及位置，并确定诊断时刻。通过调整动态时刻，并结合动态飞片图像，对炮筒腔内的动态飞片进行分析。

如图5所示，本发明还提供了一种动态飞片透视照相系统，所述照相系统包括：激光发射器1、丝靶2、炮筒结构3、电爆炸箔4、中控单元5、探测器6。

所述激光发射器1用于发射皮秒激光。

所述丝靶2端面经过角度切割，与所述激光发射器1对应设置。所述丝靶2用于在所述皮秒激光的作用下形成X射线源，得到X射线。

所述炮筒结构3柱形中空且内壁开设有一对平行对应的X形凹槽，设置在所述X射线的传输光路上。所述炮筒结构3用于使所述X射线贯穿通过。

所述电爆炸箔4设置在所述炮筒结构3内部。

所述中控单元5与所述激光发射器、电爆炸箔4连接，用于控制所述X射线发射与所述电爆炸箔4触发同步进行，使所述X射线对所述电爆炸箔4触发后产生的动态飞片进行照射。

所述探测器6与所述炮筒结构3对应设置，并与所述中控单元5连接。所述探测器6用于探测不同时刻下所述动态飞片的飞行速度，得到速度数据，并采集不同时刻下照射所述动态飞片后的X射线，得到动态飞片图像数据。所述中控单元5根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片在所述炮筒结构中的运动状态和姿态演变进行分析。

进一步地，所述照相系统还包括：磁场发生器7。

所述磁场发生器7设置在所述炮筒结构3与所述探测器6之间，用于使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述X射线的成像方向。

可选地，所述磁场发生器7为磁铁或电磁结构。

通过利用本发明所提供的动态飞片透视照相系统，可以对炮筒腔内的动态飞片进行照相，进而实现对炮筒腔中动态飞片的运动状态和姿态演变的研究。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述照相方法包括：

基于超短脉冲激光驱动高时空分辨X射线成像技术，构建初始X射线源，得到初始X射线；

模拟炮筒腔建立初始炮筒结构，并在所述初始炮筒结构中设置初始电爆炸箔；

利用所述初始X射线，照射所述初始炮筒结构中所述初始电爆炸箔爆炸产生的初始动态飞片；

通过初始探测器，探测所述初始动态飞片的运动速度，及采集照射所述动态飞片后的X射线，得到原始探测数据；

获取关于所述初始X射线源、初始炮筒结构、初始探测器的原始设计参数；

根据所述原始探测数据、原始设计参数，利用蒙特卡罗模拟方法，构建成像仿真模型；

根据所述成像仿真模型，得到设计参数；所述设计参数包括：X射线源参数、炮筒参数、成像参数；

根据所述X射线源参数，构建X射线源，得到X射线；

根据所述炮筒参数，建立炮筒结构；

根据所述成像参数设立探测器，并对所述X射线源、炮筒结构、探测器的位置进行相应设置，以及在所述炮筒结构内部安置电爆炸箔；

利用磁场发生器使所述X射线源中产生的高能电子发生偏转，偏离所述X射线的成像方向；

控制所述X射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述X射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射；

通过所述探测器，探测不同时刻下所述动态飞片的飞行速度，得到速度数据，并采集不同时刻下照射所述动态飞片后的X射线，得到动态飞片图像数据；

根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片在所述炮筒结构中的运动状态和姿态演变进行分析。

2.根据权利要求1所述的动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述X射线源参数包括所述X射线源的源尺寸≤10μm，脉宽≤100ps，能段为10～100keV，能点≥20keV。

3.根据权利要求1所述的动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述根据所述X射线源参数构建X射线源，得到X射线，具体包括：

通过激光发射器得到皮秒激光；

通过丝靶与所述皮秒激光作用，形成X射线源，得到X射线。

4.根据权利要求3所述的动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述皮秒激光的能量≥100J，脉冲宽度≥1ps，聚焦焦斑≤50μm，功率密度≥1×10¹⁸W/cm²。

5.根据权利要求3所述的动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述丝靶由金属丝构成，且端面经过角度切割，所述金属丝的直径≤10μm，材料为钼或金或铜。

6.根据权利要求1所述的动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述炮筒参数包括炮筒形状、筒壁厚度、炮筒材料和炮筒大小。

7.根据权利要求1所述的动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述炮筒结构为柱形中空结构，且内壁开设有一对平行对应的X形凹槽。

8.根据权利要求1所述的动态飞片透视照相方法，其特征在于，所述成像参数包括：物距≥30mm，像距≥450mm，放大倍率为15倍，探测区域≥90mm×120mm，探测区域像素点≤25μm，成像诊断视场≥6mm×8mm，空间分辨≤10μm、时间分辨≤100ps。

9.一种动态飞片透视照相系统，其特征在于，所述照相系统包括：

激光发射器，用于发射皮秒激光；

丝靶，端面经过角度切割，与所述激光发射器对应设置，用于在所述皮秒激光的作用下形成X射线源，得到X射线；

炮筒结构，柱形中空且内壁开设有一对平行对应的X形凹槽，设置在所述X射线的传输光路上，用于使所述X射线贯穿通过；

电爆炸箔，设置在所述炮筒结构内部；

中控单元，与所述激光发射器、电爆炸箔连接，用于控制所述X射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述X射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射；

探测器，与所述炮筒结构对应设置，并与所述中控单元连接；用于探测不同时刻下所述动态飞片的飞行速度，得到速度数据，并采集不同时刻下照射所述动态飞片后的X射线，得到动态飞片图像数据；所述中控单元根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片在所述炮筒结构中的运动状态和姿态演变进行分析；

磁场发生器，设置在所述炮筒结构与所述探测器之间，用于使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述X射线的成像方向。