CN116008584B - 一种飞片姿态的测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞片姿态的测试方法及系统，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、初始探测器，对大气环境中初始电爆炸箔爆炸产生的初始动态飞片进行透视照相，得到原始探测数据，进一步获取关于初始X射线源、初始探测器的原始设计参数，根据原始探测数据及原始设计参数构建成像仿真模型，进而得到模拟优化后的设计参数，根据设计参数构建X射线源、探测器并进行探测；本发明利用重频飞秒激光得到X射线源并产生BetatronX射线进行探测，与利用皮秒激光相比，样品更换及测试速度加快，提高了测试效率。
Description
技术领域
本发明涉及动态飞片成像领域，特别是涉及一种飞片姿态的测试方法及系统。
背景技术
电爆炸箔起爆器利用小尺寸高速飞片起爆炸药，飞片直径约0.5mm，速度约3km/s，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。获取飞片姿态动态演变的规律性认识，有助于形成起爆器的高可靠物理参数设计的能力。因飞片的尺寸小、运动速度快，姿态观测非常困难，当前缺乏有效的检测手段。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，但国内尚无同类实验条件。
针对小尺寸高速飞片姿态检测的难题，发展利用超短脉冲激光驱动X射线成像技术，能够对小尺寸飞片姿态进行有效拍摄。近年来，基于皮秒拍瓦激光的高分辨X射线背光照相技术由于具有高亮度、高时空分辨的特点，在惯性约束聚变内爆过程和冲击加载材料微过程研究方面已经取得了重要应用。借助这种高时空分辨的透视成像技术，可以实时捕捉到小尺寸飞片的飞行姿态。然而这种大能量皮秒激光重复频率较低，通常1个小时1发，严重限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞片姿态的测试方法及系统，可以利用重频飞秒激光驱动X射线脉冲，对大气环境中的动态飞片进行成像测试，与利用皮秒激光相比，提高了测试效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种飞片姿态的测试方法，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BetatronX射线；
利用初始电爆炸箔爆炸得到初始动态飞片；
利用所述初始BetatronX射线照射所述初始动态飞片，并通过初始探测器，探测所述初始动态飞片的运动速度，及采集照射所述初始动态飞片后的BetatronX射线，得到原始探测数据；
获取关于所述初始X射线源和初始探测器的原始设计参数；
根据所述原始探测数据和原始设计参数，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X射线源参数和成像参数；
根据所述X射线源参数构建X射线源，得到BetatronX射线；
根据所述成像参数设立探测器，并对所述X射线源、探测器的位置进行相应设置，以及放置电爆炸箔；
控制所述BetatronX射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述BetatronX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BetatronX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，对所述动态飞片的运动状态和姿态演变进行分析。
进一步地，所述根据所述X射线源参数构建X射线源，得到BetatronX射线，具体包括：
通过真空箱得到真空环境，并在所述真空箱内设置激光发射器、气体靶发生器、离轴抛物镜；
通过所述激光发射器，得到重频飞秒激光；
通过所述气体靶发生器，产生气体靶；
通过所述离轴抛物镜对所述重频飞秒激光进行聚焦，得到聚焦光束；
利用所述聚焦光束与所述气体靶作用，形成X射线源，得到BetatronX射线，且所述BetatronX射线通过所述真空箱的窗口进入大气环境。
进一步地，所述测试方法包括：
通过电子能谱监控器，产生磁场使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述BetatronX射线的成像方向，并实时监测所述BetatronX射线的能谱得到能谱数据；
根据所述能谱数据对所述激光发射器进行调控。
进一步地，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≤100fs，能段为1～50keV。
进一步地，所述离轴抛物镜的F数为20；所述聚焦光束的功率密度≥1×1018W/cm2。
进一步地，所述BetatronX射线的焦斑≤5μm，产额≥107/发，能量为1～50keV，脉宽≤100fs，发散角<100mrad。
进一步地，所述成像仿真模型的成像参数包括：物距≥200mm，像距≥1000mm，放大倍率≥5，探测区域≥20mm×20mm，探测区域像素点≤25μm，成像诊断视场≥4mm×4mm，空间分辨≤8μm，时间分辨≤100fs。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种飞片姿态的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：
真空箱；
激光发射器，设置所述真空箱内部，用于发射重频飞秒激光；
离轴抛物镜，设置在所述真空箱内部，且位于所述重频飞秒激光的传输光路上，用于对所述重频飞秒激光进行聚焦，得到聚焦光束；
气体靶发生器，设置在所述真空箱内部，与所述离轴抛物镜对应设置，用于产生气体靶；所述聚焦光束传输至所述气体靶，并发生作用形成X射线源，得到BetatronX射线，所述BetatronX射线通过所述真空箱的窗口进入大气环境；
电爆炸箔，与所述窗口对应设置，位于所述BetatronX射线的传输光路上；
中控单元，与所述激光发射器、电爆炸箔、气体靶发生器连接，用于控制所述BetatronX射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述BetatronX射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射，并控制所述气体靶发生器产生所述气体靶；
探测器，与所述电爆炸箔对应设置，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BetatronX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，对所述动态飞片的运动状态和姿态演变进行分析。
可选地，所述测试系统包括：
气体密度监测器，位于所述真空箱内部，与所述气体靶发生器对应设置，并与所述中控单元连接，用于实时监测所述气体靶的密度得到密度数据，并传输至所述中控单元；所述中控单元根据所述密度数据，对所述气体靶发生器进行调控。
可选地，所述测试系统包括：
电子能谱监测器，设置在所述气体靶发生器与窗口之间，位于所述BetatronX射线的传输光路上，并与所述中控单元连接，用于产生磁场使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述BetatronX射线的成像方向，并实时监测所述BetatronX射线的能谱得到能谱数据，传输至所述中控单元；所述中控单元根据所述能谱数据，对所述激光发射器进行调控。
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：
本发明飞片姿态的测试方法，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、初始探测器，进而获得原始探测数据及原始设计参数，根据原始探测数据及原始设计参数构建成像仿真模型，得到模拟优化后的设计参数，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、探测器并进行探测，从而实现对大气环境中动态飞片的姿态观测及研究；本发明利用重频飞秒激光得到X射线源并产生BetatronX射线进行探测，与利用皮秒激光相比，样品更换及测试速度加快，提高了测试效率。
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为本发明飞片姿态的测试方法的流程示意图；
图2为光电共振示意图；
图3为本发明飞片姿态的测试系统的结构示意图。
图中虚线表示光信号。
符号说明：
激光发射器-1、丝靶-2、磁场发生器-3、炮筒结构-4、电爆炸箔-5、中控单元-6、探测器-7、气体密度监测器-8、电子能谱监测器-9。
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飞片姿态的测试方法及系统，利用飞秒激光得到X射线源产生BetatronX射线，对动态飞片进行成像测试，与利用皮秒激光相比，提高了测试效率。
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为本发明飞片姿态的测试方法的流程示意图。本发明飞片姿态的测试方法具体包括：
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BetatronX射线。
步骤S02：利用初始电爆炸箔爆炸得到初始动态飞片。
步骤S03：利用所述BetatronX射线照射所述初始动态飞片，并通过初始探测器，探测所述初始动态飞片的运动速度，及采集照射所述初始动态飞片后的BetatronX射线，得到原始探测数据。
步骤S04：获取关于所述初始X射线源和初始探测器的原始设计参数。
步骤S05：根据所述原始探测数据和原始设计参数，利用蒙特卡罗模拟方法，构建成像仿真模型。
步骤S06：根据所述成像仿真模型，得到X射线源参数和成像参数。
步骤S07：根据所述X射线源参数构建X射线源，得到BetatronX射线。
步骤S08：根据所述成像参数设立探测器，并对所述X射线源、探测器的位置进行相应设置，以及放置电爆炸箔。
步骤S09：控制所述BetatronX射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述BetatronX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S10：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BetatronX射线，得到动态飞片图像数据。
步骤S11：根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片的运动状态和姿态演变进行分析。
本发明所提供的飞片姿态的测试方法，通过利用超短脉冲激光驱动X射线成像技术，对动态飞片进行拍摄。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、飞秒级脉宽的特点。本发明所提供的测试方法，建立了高时空分辨成像技术，用于检测飞片姿态，体积小且运行频次高，可实现台面化高效检测。
步骤S041：通过真空箱得到真空环境，并在所述真空箱内设置激光发射器、气体靶发生器、离轴抛物镜。
步骤S042：通过所述激光发射器，得到重频飞秒激光。
步骤S043：通过所述气体靶发生器，产生气体靶。
步骤S044：通过所述离轴抛物镜对所述重频飞秒激光进行聚焦，得到聚焦光束。
步骤S045：利用所述聚焦光束与所述气体靶作用，形成X射线源，得到BetatronX射线，且所述BetatronX射线通过所述真空箱的窗口进入大气环境。
步骤S046：通过电子能谱监控器，产生磁场使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述BetatronX射线的成像方向，并实时监测所述BetatronX射线的能谱得到能谱数据。
步骤S047：根据所述能谱数据对所述激光发射器进行调控。
本发明所提供的飞片姿态的测试方法，基于大能量飞秒激光装置，利用相对论强度(>108W/cm2)的飞秒激光与气体靶相互作用，驱动产生一种短脉宽、微焦点、高亮度的X射线源，并利用点投影X射线成像原理，建立了大气环境下高时空分辨透视照相技术，利用该技术对动态飞片进行高分辨透视照相，实现对动态飞片飞行姿态的诊断。
通过飞秒激光与气体靶相互作用，电离产生等离子体，激光在等离子体中产生尾场并加速电子，电子在尾场中振荡产生BetatronX射线。如图2所示，高能电子在尾场和激光场中发生共振。
此外，针对利用重频焦耳级飞秒激光产生的X射线源产额在≥107光子/发，单发成像的信噪比较低，难以满足高质量成像要求的问题；通过激光驱动Betatron辐射的“光电共振”增强机制，调控激光注入方式使注入点离激光近，电子更容易追上激光尾部且横向速度大，容易与激光发生共振，共振过程中电子受到激光的直接加速，横向动量增加，从而使电子振幅发生明显增长，辐射效应大幅增强，由此提高Betatron辐射的X射线产额。在重频1J飞秒激光装置上，6～30keV之间的光子产额达到1.8×108光子/发，相比同能量激光装置，提升X射线源亮度近10倍，进一步地，大幅提升了基于微焦点X射线成像的信噪比，满足单发成像质量要求。
本发明所提供的飞片姿态的测试方法，通过建立成像仿真模型，进行实验模拟，得到优化后的设计参数：X射线源参数、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≤100fs，能段为1～50keV。
所述成像仿真模型的成像参数包括：物距≥200mm，像距≥1000mm，放大倍率≥5，探测区域≥20mm×20mm，探测区域像素点≤25μm，成像诊断视场≥4mm×4mm，空间分辨≤8μm，时间分辨≤100fs。
进一步地，所述离轴抛物镜的F数为20；所述聚焦光束的功率密度≥1×1018W/cm2。
进一步地，所述BetatronX射线的焦斑≤5μm，产额≥107/发，能量为1～50keV，脉宽≤100fs，发散角<100mrad。
其中，在步骤S07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；分析动态飞片的运动状态及位置，由此确定诊断时刻。在此基础上，激光工作频率达到1Hz，且气体靶无需更换，因而产生Betatron X射线的速率可达到1Hz，单发成像的效率最快可到1s/发。同时，由于动态飞片在大气环境下测试，电爆装置中样品更换比较方便，且同步时间调节快速，单发测试时间在数分钟内，以此大幅提高动态飞片照相的测试效率。
本发明所提供的测试方法，采用重频飞秒激光驱动的X射线脉冲，在大气环境下对动态飞片进行成像测试，与现有的X-pinch装置以及大能量皮秒或纳秒激光装置相比，样品更换及测试速度大幅提升，可以实现更高效的检测效率。
如图3所示，本发明还提供了一种飞片姿态的测试系统，所述测试系统包括：真空箱1、激光发射器2、离轴抛物镜3、气体靶发生器4、电爆炸箔5、中控单元6、探测器7、气体密度监测器8、电子能谱监测器9。
所述激光发射器2设置所述真空箱1内部。所述激光发射器2用于发射重频飞秒激光。
所述离轴抛物镜3设置在所述真空箱1内部，且位于所述重频飞秒激光的传输光路上。所述离轴抛物镜3用于对所述重频飞秒激光进行聚焦，得到聚焦光束。
所述气体靶发生器4设置在所述真空箱1内部，与所述离轴抛物镜3对应设置。所述气体靶发生器4用于产生气体靶。所述聚焦光束传输至所述气体靶，并发生作用形成X射线源，得到BetatronX射线，所述BetatronX射线通过所述真空箱1的窗口进入大气环境。
所述电爆炸箔5与所述窗口对应设置，位于所述BetatronX射线的传输光路上。
所述中控单元6与所述激光发射器2、气体靶发生器4、电爆炸箔5连接。所述中控单元6用于控制所述BetatronX射线发射与所述电爆炸箔5触发同步进行，使所述BetatronX射线对所述电爆炸箔5触发后产生的动态飞片进行照射，并控制所述气体靶发生器4产生所述气体靶。
所述探测器7与所述电爆炸箔5对应设置，并与所述中控单元6连接。所述探测器7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BetatronX射线，得到动态飞片图像数据。所述中控单元6根据所述速度数据及动态飞片图像数据，对所述动态飞片的运动状态和姿态演变进行分析。
本发明所提供的测试系统，通过重频飞秒激光与气体靶相互作用，产生BetatronX射线，同时，利用如铍等低原子序数金属材料制作成真空箱的窗口，将真空和大气环境进行隔离，并将BetatronX射线引入到大气环境，BetatronX射线引照射到动态飞片样品上，其后被探测器进行成像记录。
进一步地，所述测试系统还包括：气体密度监测器8、电子能谱监测器9。
所述气体密度监测器8位于所述真空箱1内部，与所述气体靶发生器4对应设置，并与所述中控单元6连接。所述气体密度监测器8用于实时监测所述气体靶的密度得到密度数据，并传输至所述中控单元6。所述中控单元6根据所述密度数据，对所述气体靶发生器4进行调控。
所述电子能谱监测器9设置在所述气体靶发生器4与窗口之间，位于所述BetatronX射线的传输光路上，并与所述中控单元6连接。所述电子能谱监测器9用于产生磁场，使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述Betatron X射线的成像方向，并实时监测所述BetatronX射线的能谱得到能谱数据，传输至所述中控单元6。所述中控单元6根据所述能谱数据，对所述激光发射器2进行调控。
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 (10)
1.一种飞片姿态的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
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Betatron X射线；
利用初始电爆炸箔爆炸得到初始动态飞片；
利用所述初始Betatron X射线照射所述初始动态飞片，并通过初始探测器，探测所述初始动态飞片的运动速度，及采集照射所述初始动态飞片后的Betatron X射线，得到原始探测数据；
获取关于所述初始X射线源和初始探测器的原始设计参数；
根据所述原始探测数据和原始设计参数，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X射线源参数和成像参数；
根据所述X射线源参数构建X射线源，得到BetatronX射线；
根据所述成像参数设立探测器，并对所述X射线源、探测器的位置进行相应设置，以及放置电爆炸箔；
控制所述Betatron X射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述Betatron 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BetatronX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所述的飞片姿态的测试方法，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Betatron X射线，具体包括：
通过真空箱得到真空环境，并在所述真空箱内设置激光发射器、气体靶发生器、离轴抛物镜；
通过所述激光发射器，得到重频飞秒激光；
通过所述气体靶发生器，产生气体靶；
通过所述离轴抛物镜对所述重频飞秒激光进行聚焦，得到聚焦光束；
利用所述聚焦光束与所述气体靶作用，形成X射线源，得到Betatron X射线，且所述BetatronX射线通过所述真空箱的窗口进入大气环境。
3.根据权利要求2所述的飞片姿态的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
通过电子能谱监控器，产生磁场使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述BetatronX射线的成像方向，并实时监测所述BetatronX射线的能谱得到能谱数据；
根据所述能谱数据对所述激光发射器进行调控。
4.根据权利要求1所述的飞片姿态的测试方法，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≤100fs，能段为1～50keV。
5.根据权利要求2所述的飞片姿态的测试方法，其特征在于，所述离轴抛物镜的F数为20；所述聚焦光束的功率密度≥1×1018W/cm2。
6.根据权利要求1所述的飞片姿态的测试方法，其特征在于，所述Betatron X射线的焦斑≤5μm，产额≥107/发，能量为1～50keV，脉宽≤100fs，发散角<100mrad。
7.根据权利要求1所述的飞片姿态的测试方法，其特征在于，所述成像仿真模型的成像参数包括：物距≥200mm，像距≥1000mm，放大倍率≥5，探测区域≥20mm×20mm，探测区域像素点≤25μm，成像诊断视场≥4mm×4mm，空间分辨≤8μm，时间分辨≤100fs。
8.一种飞片姿态的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：
真空箱；
激光发射器，设置在所述真空箱内部，用于发射重频飞秒激光；
离轴抛物镜，设置在所述真空箱内部，且位于所述重频飞秒激光的传输光路上，用于对所述重频飞秒激光进行聚焦，得到聚焦光束；
气体靶发生器，设置在所述真空箱内部，与所述离轴抛物镜对应设置，用于产生气体靶；所述聚焦光束传输至所述气体靶，并发生作用形成X射线源，得到Betatron X射线，所述Betatron X射线通过所述真空箱的窗口进入大气环境；
电爆炸箔，与所述窗口对应设置，位于所述Betatron X射线的传输光路上；
中控单元，与所述激光发射器、电爆炸箔、气体靶发生器连接，用于控制所述BetatronX射线发射与所述电爆炸箔触发同步进行，使所述BetatronX射线对所述电爆炸箔触发后产生的动态飞片进行照射，并控制所述气体靶发生器产生所述气体靶；
探测器，与所述电爆炸箔对应设置，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BetatronX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，对所述动态飞片的运动状态和姿态演变进行分析。
9.根据权利要求8所述的飞片姿态的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：
气体密度监测器，位于所述真空箱内部，与所述气体靶发生器对应设置，并与所述中控单元连接，用于实时监测所述气体靶的密度得到密度数据，并传输至所述中控单元；所述中控单元根据所述密度数据，对所述气体靶发生器进行调控。
10.根据权利要求8所述的飞片姿态的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：
电子能谱监测器，设置在所述气体靶发生器与窗口之间，位于所述Betatron X射线的传输光路上，并与所述中控单元连接，用于产生磁场使所述X射线源中产生的高能电子偏离所述Betatron X射线的成像方向，并实时监测所述Betatron X射线的能谱得到能谱数据，传输至所述中控单元；所述中控单元根据所述能谱数据，对所述激光发射器进行调控。
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