CN116754431B - 一种瞬态质子荧光检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种瞬态质子荧光检测系统，涉及等离子体物理和核探测技术领域，系统包括质子源产生模块、荧光测量模块和质子成像模块；所述质子源产生模块用于产生质子束；质子束入射到混合材料，产生特征X射线；所述特征X射线入射到所述荧光测量模块，透过混合材料的质子入射到所述质子成像模块；所述荧光测量模块包括准直狭缝、金属滤片和混合像素探测器；所述特征X射线从所述准直狭缝射入所述金属滤片；穿过所述金属滤片的特征X射线被所述混合像素探测器探测；所述混合像素探测器用于进行单光子成像记录；所述质子成像模块用于进行质子成像诊断。本发明能解决目前材料混合动态演化过程中无法对混合过程中低含量材料的识别问题。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体物理和核探测技术领域，特别是涉及一种瞬态质子荧光检测系统。
背景技术
对材料混合过程的诊断，目前常用的诊断技术是基于激光加速的质子和X射线照相，可以获得混合材料中主体材料的面密度和外部轮廓演化信息。但是对于混合过程中低含量材料的识别，目前缺乏有效的诊断手段。在材料识别技术中，质子荧光是一种高灵敏度、低噪声的诊断技术，可以识别材料中的微量元素。该方法的基本原理就是利用质子束轰击样品产生特征X射线，通过测量特征X射线的能量和强度来确定样品中的元素和含量。理论上，对已知材料客体发射的特征X射线进行成像，就可以通过X射线图像来识别不同区域的低含量材料的有无及含量，从而判断混合情况。
基于传统加速器的质子荧光诊断技术，使用的质子束流强通常在nA量级。通常需要辐照数十秒到几分钟的时间，无法对动态演化过程的材料进行诊断。超强皮秒激光离子加速可以产生千安培量级超短脉冲强流质子束，用于开展质子荧光诊断有望获得材料混合动态过程中材料中低含量元素的分布信息。而且质子束的超短脉冲特性（皮秒量级），使得质子束对材料的影响相对于材料自身的演化可以忽略。然后结合质子照相对混合过程中主体材料的面密度和外部轮廓诊断，可以获得综合的材料混合演化过程信息。
因此，需要一种能够解决目前材料混合动态演化过程中无法对混合过程中低含量材料的识别问题的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种瞬态质子荧光检测系统，可解决目前材料混合动态演化过程中无法对混合过程中低含量材料的识别问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种瞬态质子荧光检测系统，包括：质子源产生模块、荧光测量模块和质子成像模块；
所述质子源产生模块用于产生质子束；所述质子束为千安培皮秒级质子束；所述质子束入射到混合材料，产生特征X射线；所述特征X射线入射到所述荧光测量模块；透过混合材料的质子束入射到所述质子成像模块；
所述荧光测量模块包括准直狭缝、金属滤片和混合像素探测器；所述特征X射线从所述准直狭缝射入所述金属滤片；穿过所述金属滤片的特征X射线被所述混合像素探测器探测；所述混合像素探测器用于根据所述特征X射线进行单光子成像记录；
所述质子成像模块用于对穿过混合材料后的质子束进行成像诊断。
可选地，所述质子源产生模块包括皮秒激光装置、薄膜靶和偏转磁铁；所述薄膜靶设置在所述皮秒激光装置和所述偏转磁铁之间；所述皮秒激光装置产生的激光聚焦在所述薄膜靶上产生质子束和电子束；所述偏转磁铁用于将所述电子束进行偏离。
可选地，所述薄膜靶为涂碳氢的铝薄膜靶。
可选地，所述偏转磁铁的磁场强度为0.1T。
可选地，所述皮秒激光装置产生的激光能量大于100J；聚焦后的激光的功率密度为1019-20W/cm2。
可选地，所述荧光测量模块还包括屏蔽盒；
所述准直狭缝设置在所述屏蔽盒的开口处；所述金属滤片和所述混合像素探测器均设置在远离所述开口处的屏蔽盒内。
可选地，所述质子成像模块包括辐射变色膜片堆栈和堆栈夹持机构；
所述堆栈夹持机构用于固定所述辐射变色膜片堆栈并对所述薄膜靶进行瞄准。
可选地，所述准直狭缝的宽度为百微米量级，所述准直狭缝的厚度为毫米量级。
可选地，所述混合像素探测器的像素尺寸为20-60μm；所述混合像素探测器的面阵为1024×1024。
可选地，所述屏蔽盒包括X射线屏蔽层和电子屏蔽层；所述X射线屏蔽层设置在所述电子屏蔽层内；所述金属滤片和所述混合像素探测器均设置在所述X射线屏蔽层内。
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：
本发明提供的瞬态质子荧光检测系统，包括：质子源产生模块、荧光测量模块和质子成像模块；所述质子源产生模块用于产生质子束，同时排除激光加速产生的电子束的干扰；产生的质子束入射到混合材料，产生特征X射线；所述特征X射线入射到所述荧光测量模块，透过混合材料的质子束入射到所述质子成像模块；所述荧光测量模块包括准直狭缝、金属滤片和混合像素探测器；所述特征X射线从所述准直狭缝射入所述金属滤片；穿过所述金属滤片的特征X射线被所述混合像素探测器探测；所述混合像素探测器用于根据所述特征X射线进行单光子成像记录；所述质子成像模块用于对穿过混合材料后的质子束进行成像诊断。利用狭缝来对材料中低含量的荧光进行成像，利用金属滤片过滤掉低能X射线的干扰，利用混合像素探测器对的X射线进行单光子成像记录实现材料混合过程中低含量元素的分布诊断，从而解决目前材料混合动态演化过程中无法对混合过程中低含量材料的识别问题。
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为本发明提供的瞬态质子荧光检测系统示意图；
图2为本发明提供的质子源产生模块结构示意图；
图3为本发明提供的荧光测量模块结构示意图；
图4为本发明提供的质子成像模块结构示意图；
图5为质子源产生模块中质子束和电子束的运动轨迹示意图。
符号说明：
1-质子源产生模块、2-荧光测量模块、3-质子成像模块、1-1-超强皮秒激光装置、1-2-偏转磁铁、1-3-电子束、1-4-质子束、1-5-薄膜靶、2-1-准直狭缝、2-2-金属滤片、2-3-混合像素探测器、2-4-屏蔽盒、3-1-辐射变色膜片堆栈、3-2-堆栈夹持机构、4-混合材料。
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。
本发明的目的是提供一种瞬态质子荧光检测系统，可解决目前材料混合动态演化过程中无法对混合过程中低含量材料的识别问题。
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。
如图1至图5所示，本发明提供的一种瞬态质子荧光检测系统，包括：如图2和图5所示的质子源产生模块1、如图3所示的荧光测量模块2和如图4所示的质子成像模块3。
所述质子源产生模块1用于产生的质子束1-4，同时排除激光加速产生的电子束1-3的干扰；所述质子束1-4为千安培皮秒级质子束；所述质子束1-4入射到混合材料4，产生特征X射线；所述特征X射线入射到所述荧光测量模块2；透过混合材料的质子束1-4入射到所述质子成像模块3。
所述荧光测量模块2包括准直狭缝2-1、金属滤片2-2和混合像素探测器2-3；所述特征X射线从所述准直狭缝2-1射入所述金属滤片2-2；穿过所述金属滤片2-2的特征X射线被所述混合像素探测器2-3探测；所述混合像素探测器2-3用于根据所述特征X射线进行单光子成像记录。
所述质子成像模块3用于对穿过混合材料4后的质子束1-4进行质子成像诊断。
所述质子源产生模块1包括皮秒激光装置、薄膜靶1-5和偏转磁铁1-2；所述薄膜靶1-5设置在所述皮秒激光装置和所述偏转磁铁1-2之间；所述皮秒激光装置产生的激光聚焦在所述薄膜靶1-5上产生质子束1-4和电子束1-3；所述偏转磁铁1-2用于将所述电子束1-3进行偏离，而对所述质子束1-4的偏转可以忽略不计。所述薄膜靶1-5为涂碳氢的铝。所述涂碳氢的铝薄膜靶厚度为5~10μm，碳氢层厚度为1~3μm；所述偏转磁铁1-2的磁场强度为0.1T；实现MeV电子束的偏离，而MeV质子束的偏离很小；皮秒激光装置为超强皮秒激光装置1-1，所述皮秒激光装置产生的激光能量大于100J；聚焦后的激光的功率密度为1019-20W/cm2。
所述荧光测量模块2还包括屏蔽盒2-4；所述准直狭缝2-1设置在所述屏蔽盒2-4的开口处；所述金属滤片2-2和所述混合像素探测器2-3均设置在远离所述开口处的屏蔽盒2-4内。所述屏蔽盒2-4包括X射线屏蔽层和电子屏蔽层；所述X射线屏蔽层设置在所述电子屏蔽层内；所述金属滤片2-2和所述混合像素探测器2-3均设置在所述X射线屏蔽层内。X射线屏蔽层的材料为铅或者钨，电子屏蔽层的材料为碳氢材料。
所述准直狭缝2-1的宽度为百微米量级，所述准直狭缝2-1的厚度为毫米量级；材料为铅、钨等高原子序数金属材料。所述混合像素探测器2-3的像素尺寸为20-60μm；所述混合像素探测器2-3的面阵为1024×1024。所述金属滤片2-2由低原子序数金属材料组成，用于屏蔽低能X射线。
所述质子成像模块3包括辐射变色膜片堆栈3-1和堆栈夹持机构3-2；所述堆栈夹持机构3-2用于固定所述辐射变色膜片堆栈3-1并对所述薄膜靶1-5进行瞄准。辐射变色膜片堆栈3-1包括堆叠的多片辐射变色膜片和金属薄膜滤片；金属薄膜滤片设置在相邻的辐射变色膜片之间。利用质子成像模块的辐射变色膜片堆栈记录穿过材料的质子束1-4分布，给出混合过程中高含量材料的面密度和轮廓的识别。从而实现材料混合过程的综合诊断。
本发明利用超强皮秒激光驱动质子加速产生的千安培级高流强短脉冲质子束1-4来对材料混合动态演化过程进行诊断。利用狭缝来对材料中低含量的荧光进行成像，利用金属滤片2-2过滤掉低能X射线的干扰，利用混合像素探测器2-3对的X射线进行单光子成像记录。从而实现材料混合过程中低含量元素的分布诊断。同时利用质子成像模块3的辐射变色膜片堆栈3-1记录穿过材料的质子束分布，给出混合过程中高含量材料的面密度和轮廓的识别。从而实现材料混合过程的综合诊断。本发明能解决目前材料混合动态演化过程中无法对混合过程中低含量材料的识别问题。同时结合质子成像技术对混合过程中主体材料的面密度和外部轮廓的诊断，实现材料混合演化过程的综合信息。
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。
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系统及其核心思想；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)
1.一种瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，包括：质子源产生模块、荧光测量模块和质子成像模块；
所述质子源产生模块用于产生质子束；所述质子束为千安培皮秒级质子束；所述质子束入射到混合材料，产生特征X射线；所述特征X射线入射到所述荧光测量模块；透过混合材料的质子束入射到所述质子成像模块；
所述荧光测量模块包括准直狭缝、金属滤片和混合像素探测器；所述特征X射线从所述准直狭缝射入所述金属滤片；穿过所述金属滤片的特征X射线被所述混合像素探测器探测；所述混合像素探测器用于根据所述特征X射线进行单光子成像记录；
所述质子成像模块用于对穿过混合材料后的质子束进行成像诊断；
所述质子源产生模块包括皮秒激光装置、薄膜靶和偏转磁铁；所述薄膜靶设置在所述皮秒激光装置和所述偏转磁铁之间；所述皮秒激光装置产生的激光聚焦在所述薄膜靶上产生质子束和电子束；所述偏转磁铁用于将所述电子束进行偏离。
2.根据权利要求1所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述薄膜靶为涂碳氢的铝薄膜靶。
3.根据权利要求1所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述偏转磁铁的磁场强度为0.1T。
4.根据权利要求1所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述皮秒激光装置产生的激光能量大于100J；聚焦后的激光的功率密度为1019-20W/cm2。
5.根据权利要求1所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述荧光测量模块还包括屏蔽盒；
所述准直狭缝设置在所述屏蔽盒的开口处；所述金属滤片和所述混合像素探测器均设置在远离所述开口处的屏蔽盒内。
6.根据权利要求1所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述质子成像模块包括辐射变色膜片堆栈和堆栈夹持机构；
所述堆栈夹持机构用于固定所述辐射变色膜片堆栈并对薄膜靶进行瞄准。
7.根据权利要求1所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述准直狭缝的宽度为百微米量级，所述准直狭缝的厚度为毫米量级。
8.根据权利要求1所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述混合像素探测器的像素尺寸为20-60μm；所述混合像素探测器的面阵为1024×1024。
9.根据权利要求5所述的瞬态质子荧光检测系统，其特征在于，所述屏蔽盒包括X射线屏蔽层和电子屏蔽层；所述X射线屏蔽层设置在所述电子屏蔽层内；所述金属滤片和所述混合像素探测器均设置在所述X射线屏蔽层内。
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