CN209560092U - 一种激光内爆诊断系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光内爆诊断系统，该系统包括滤片、双通道X射线成像系统和双通道X射线条纹相机。双通道X射线条纹相机包括双通道X射线扫描变像管、光纤锥、像增强器和图像记录系统。双通道X射线扫描变像管包含多组电子聚焦系统和扫描偏转电极，可以实现对X射线的双扫速探测。激光内爆物理实验中靶丸压缩的全过程由慢扫速通道测量，而靶丸聚心内爆过程由快扫速通道测量。本实用新型的激光内爆诊断系统结构紧凑，动态范围大，既可以对激光内爆物理实验中靶丸压缩的全过程进行测量，也可以同时对需要细致研究的靶丸聚心内爆过程进行高时间分辨测量，在激光惯性约束聚变内爆物理实验研究中具有广阔应用前景。

Description

一种激光内爆诊断系统

技术领域

本实用新型属于激光聚变研究领域和X射线探测领域，具体涉及一种激光内爆诊断系统。

背景技术

在激光惯性约束聚变内爆物理实验研究中，对靶丸的压缩过程进行精密探测是十分重要的研究内容。通过对靶丸压缩过程的诊断，可以获得内爆速度、壳层剩余质量、内爆聚心时刻等关键物理信息。然而，随着激光聚变研究的发展，会采用几十纳秒的长脉冲激光驱动压缩靶丸，而靶丸聚心内爆的时间过程只有几百皮秒。为进一步理解激光驱动靶丸内爆的物理过程，需要在同一发次诊断中既获得靶丸的全时间变化过程，又获得靶丸聚心内爆时间段内的快速变化过程。这对校验理论模型程序和最终实现内爆点火都十分重要。

通常采用成像系统配合X射线条纹相机[刘慎业，杨国洪，张继彦等. 强激光与粒子束. 23,12(2011)]的诊断系统对激光内爆过程进行诊断。但这种诊断系统只能选择单一扫速对待测信号进行测量。为观察全时间内靶丸的变化过程只能选择时间窗口较长的慢扫速档，此时系统的时间分辨为几百皮秒，将不能对靶丸聚心内爆过程进行高时间分辨测量；而为对靶丸聚心内爆过程进行高时间分辨测量只能选则具有高时间分辨的快扫速档，此时的测量时间窗口将只有几百皮秒到几纳秒，又不能获得靶丸变化的全部过程。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种激光内爆诊断系统。

本实用新型的激光内爆诊断系统，其特点是：所述的系统包括沿z轴方向顺序排列的滤片、双通道X射线成像系统和双通道X射线条纹相机；

所述的双通道X射线成像系统包括沿y轴方向顺序排列的成像系统Ⅰ和成像系统Ⅱ；

所述的双通道X射线条纹相机包括沿z轴方向顺序排列的双通道X射线扫描变像管、光纤锥、像增强器和图像记录系统；

所述的双通道X射线扫描变像管包括沿z轴方向顺序排列的光阴极狭缝板、光阴极、聚焦电极组件、偏转电极组件、隔离板与荧光屏；

所述的聚焦电极组件包括栅极Ⅰ、栅极Ⅱ、时间方向预聚焦电极Ⅰ、时间方向预聚焦电极Ⅱ、时间方向预阳极Ⅰ、时间方向预阳极Ⅱ、电四极透镜Ⅰ和电四极透镜Ⅱ、时间方向主阳极Ⅰ、时间方向主阳极Ⅱ、时间方向主聚焦电极Ⅰ、时间方向主聚焦电极Ⅱ、阳极孔电极Ⅰ、阳极孔电极Ⅱ；

所述的偏转电极组件包括沿y轴方向偏转电极Ⅰ和偏转电极Ⅱ；

所述的光阴极狭缝板包括沿y轴方向顺序排列的光阴极狭缝Ⅰ和光阴极狭缝Ⅱ，光阴极狭缝Ⅰ和光阴极狭缝Ⅱ的狭缝方向沿x轴方向；

所述的栅极Ⅰ和栅极Ⅱ的中心位置处分别狭缝Ⅲ和狭缝Ⅳ，狭缝Ⅲ和狭缝Ⅳ的狭缝方向沿x轴方向；

所述的阳极孔电极Ⅰ和阳极孔电极Ⅱ的中心位置分别有狭缝Ⅴ和狭缝Ⅵ，狭缝Ⅴ和狭缝Ⅵ的狭缝方向沿x轴方向；

所述的光阴极狭缝Ⅰ、栅极Ⅰ、时间方向预聚焦电极Ⅰ、时间方向预阳极Ⅰ、电四极透镜Ⅰ、时间方向主阳极Ⅰ、时间方向主聚焦电极Ⅰ、阳极孔电极Ⅰ和偏转电极Ⅰ的中心位于沿z轴方向的一条直线上；

所述的光阴极狭缝Ⅱ、栅极Ⅱ、时间方向预聚焦电极Ⅱ、时间方向预阳极Ⅱ、电四极透镜Ⅱ、时间方向主阳极Ⅱ、时间方向主聚焦电极Ⅱ、阳极孔电极Ⅱ和偏转电极Ⅱ的中心位于沿z轴方向的另一条平行的直线上；

所述的x轴、y轴和z轴位于空间直角坐标系。

所述的双通道X射线成像系统为双通道KB显微镜系统。

所述的双通道X射线成像系统也可为双通道针孔系统。

所述的光纤锥为缩像型光纤锥。

所述的图像记录系统为CCD。

本实用新型的激光内爆诊断系统，可以实现对X射线的双扫速探测。激光内爆物理实验中靶丸压缩的全过程由慢扫速通道测量，而靶丸聚心内爆过程由快扫速通道测量。本实用新型的激光内爆诊断系统结构紧凑，动态范围大，既可以对激光内爆物理实验中靶丸压缩的全过程进行测量，也可以同时对需要细致研究的靶丸聚心内爆过程进行高时间分辨测量，在激光惯性约束聚变内爆物理实验研究中具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的激光内爆诊断系统的结构示意图；

图2为本实用新型的激光内爆诊断系统中的双通道X射线扫描变像管的结构示意图；

图中：1.靶丸 2.滤片 3.双通道X射线成像系统 4.双通道X射线条纹相机 5.成像系统Ⅰ 6.成像系统Ⅱ 7.双通道X射线扫描变像管 8.光纤锥 9.像增强器 10.图像记录系统 11.光阴极狭缝板 12.光阴极 13.聚焦电极组件 14.偏转电极组件 15.隔离板 16.荧光屏 17.光阴极狭缝Ⅰ 18.光阴极狭缝Ⅱ 19.栅极Ⅰ 20.栅极Ⅱ 21.时间方向预聚焦电极Ⅰ22.时间方向预聚焦电极Ⅱ 23.时间方向预阳极Ⅰ 24.时间方向预阳极Ⅱ 25.电四极透镜Ⅰ26.电四极透镜Ⅱ 27.时间方向主阳极Ⅰ 28.时间方向主阳极Ⅱ 29.时间方向主聚焦电极Ⅰ30.时间方向主聚焦电极Ⅱ 31.阳极孔电极Ⅰ 32.阳极孔电极Ⅱ 33.偏转电极Ⅰ 34.偏转电极Ⅱ 35.狭缝Ⅲ 36.狭缝Ⅳ 37.狭缝Ⅴ 38.狭缝Ⅵ 39.电子束Ⅰ 40.电子束Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1、图2所示，本实用新型的激光内爆诊断系统包括沿z轴方向顺序排列的滤片2、双通道X射线成像系统3和双通道X射线条纹相机4；

所述的双通道X射线成像系统3包括沿y轴方向顺序排列的成像系统Ⅰ5和成像系统Ⅱ6；

所述的双通道X射线条纹相机4包括沿z轴方向顺序排列的双通道X射线扫描变像管7、光纤锥8、像增强器9和图像记录系统10；

所述的双通道X射线扫描变像管7包括沿z轴方向顺序排列的光阴极狭缝板11、光阴极12、聚焦电极组件13、偏转电极组件14、隔离板15与荧光屏16；

所述的聚焦电极组件13包括栅极Ⅰ19、栅极Ⅱ20、时间方向预聚焦电极Ⅰ21、时间方向预聚焦电极Ⅱ22、时间方向预阳极Ⅰ23、时间方向预阳极Ⅱ24、电四极透镜Ⅰ25和电四极透镜Ⅱ26、时间方向主阳极Ⅰ27、时间方向主阳极Ⅱ28、时间方向主聚焦电极Ⅰ29、时间方向主聚焦电极Ⅱ30、阳极孔电极Ⅰ31、阳极孔电极Ⅱ32；

所述的偏转电极组件14包括沿y轴方向偏转电极Ⅰ33和偏转电极Ⅱ34；

所述的光阴极狭缝板11包括沿y轴方向顺序排列的光阴极狭缝Ⅰ17和光阴极狭缝Ⅱ18，光阴极狭缝Ⅰ17和光阴极狭缝Ⅱ18的狭缝方向沿x轴方向；

所述的栅极Ⅰ19和栅极Ⅱ20的中心位置处分别狭缝Ⅲ35和狭缝Ⅳ36 ，狭缝Ⅲ35和狭缝Ⅳ36 的狭缝方向沿x轴方向；

所述的阳极孔电极Ⅰ31和阳极孔电极Ⅱ32的中心位置分别有狭缝Ⅴ37和狭缝Ⅵ38，狭缝Ⅴ37和狭缝Ⅵ38的狭缝方向沿x轴方向；

所述的光阴极狭缝Ⅰ17、栅极Ⅰ19、时间方向预聚焦电极Ⅰ21、时间方向预阳极Ⅰ23、电四极透镜Ⅰ25、时间方向主阳极Ⅰ27、时间方向主聚焦电极Ⅰ29、阳极孔电极Ⅰ31和偏转电极Ⅰ33的中心位于沿z轴方向的一条直线上；

所述的光阴极狭缝Ⅱ18、栅极Ⅱ20、时间方向预聚焦电极Ⅱ22、时间方向预阳极Ⅱ24、电四极透镜Ⅱ26、时间方向主阳极Ⅱ28、时间方向主聚焦电极Ⅱ30、阳极孔电极Ⅱ32和偏转电极Ⅱ34的中心位于沿z轴方向的另一条平行的直线上；

所述的x轴、y轴和z轴位于空间直角坐标系。

所述的双通道X射线成像系统3为双通道KB显微镜系统。

所述的双通道X射线成像系统3也可为双通道针孔系统。

所述的光纤锥8为缩像型光纤锥。

所述的图像记录系统10为CCD。

实施例1

本实施例中光阴极12、栅极Ⅰ19、栅极Ⅱ20、时间方向预聚焦电极Ⅰ21、时间方向预聚焦电极Ⅱ22、时间方向预阳极Ⅰ23、时间方向预阳极Ⅱ24、电四极透镜Ⅰ25、电四极透镜Ⅱ26、时间方向主阳极Ⅰ27、时间方向主阳极Ⅱ28、时间方向主聚焦电极Ⅰ29、时间方向主聚焦电极Ⅱ30、阳极孔电极Ⅰ31、阳极孔电极Ⅱ32、偏转电极Ⅰ33和偏转电极Ⅱ34上作用有相应的工作电压，从而组成电子聚焦透镜对光阴极12发射的电子进行聚焦成像和扫描偏转。优选的，光阴极12的工作电压为-12kⅤ；栅极Ⅰ19、栅极Ⅱ20、时间方向预阳极Ⅰ23、时间方向预阳极Ⅱ24、时间方向主阳极Ⅰ27、时间方向主阳极Ⅱ28、阳极孔电极Ⅰ31和阳极孔电极Ⅱ32为地电位；时间方向预聚焦电极Ⅰ21、时间方向预聚焦电极Ⅱ22、时间方向主聚焦电极Ⅰ29和时间方向主聚焦电极Ⅱ30的工作电压相同为-5kⅤ；电四极透镜Ⅰ25和电四极透镜Ⅱ26的上下电极工作电压为450Ⅴ，左右电极工作电压为-450Ⅴ；偏转电极Ⅰ33作用的工作电压为慢扫描脉冲，可使电子束从荧光屏16边缘扫描到荧光屏16中心的时间较长，偏转电极Ⅱ34上作用的工作电压为快扫描脉冲，可使电子束以较短时间从荧光屏16边缘扫描到荧光屏16的中心。

在激光内爆物理实验中，激光注入黑腔产生辐射源驱动靶丸1内爆压缩，同时另外束组激光辐照背光靶产生X射线照射靶丸1，X射线穿过靶丸1后将携带靶丸的轮廓信息，然后X射线穿过滤片2后由成像系统Ⅰ5成像到光阴极狭缝板11上，并透过光阴极狭缝Ⅰ17后与光阴极12相互作用发射出电子束Ⅰ39。由于滤片2的阻挡作用，杂散激光将全部被拦截掉，穿过滤片的只有X射线，电子束39将只反映X射线的信息。由于光阴极12上作用有负高压，栅极Ⅰ19为地电位，电子束Ⅰ39将被加速后由狭缝Ⅲ35进入栅极Ⅰ19，并依次通过时间方向预聚焦电极Ⅰ21、时间方向预阳极Ⅰ23、电四极透镜Ⅰ25、时间方向主阳极Ⅰ27、时间方向主聚焦电极Ⅰ29和阳极孔电极Ⅰ31，然后穿过狭缝Ⅴ37进入偏转电极Ⅰ33，受到偏转电极Ⅰ33的扫描偏转作用后电子束Ⅰ39从荧光屏16的下方扫描到荧光屏16的中间，并轰击荧光屏16而发出可见光。荧光屏16发出的可见光经过光纤锥8的传输后进入像增强器9，像增强器9将可见光信号进行放大后由图像记录系统10记录。在电子束Ⅰ39运动过程中，栅极Ⅰ19、时间方向预聚焦电极Ⅰ21、时间方向预阳极Ⅰ 23组成电子预聚集透镜在y轴方向上聚焦电子，使电子束Ⅰ39在y轴方向上保持较小发散度。时间方向主阳极Ⅰ27、时间方向主聚焦电极Ⅰ29和阳极孔电极Ⅰ31组成电子主聚集透镜在y轴方向上进一步聚焦电子，使电子束Ⅰ39以很小的宽度进入偏转电极Ⅰ33，这样可以使电子束Ⅰ39扫描时不受影响。由于电四极透镜Ⅰ25在x轴方向上对电子具有聚焦成像作用，所以电子束Ⅰ39到达荧光屏16后依然能够保持x轴方向的空间信息，这样根据图像记录系统10记录的图像即可得到靶丸1在x轴方向上的形貌随时间的变化过程。由于偏转电极Ⅰ33作用的工作电压为慢扫描脉冲，电子束Ⅰ39从荧光屏16的下方扫描到荧光屏16的中间的时间大于激光驱动靶丸1的时间，因此可以得到靶丸1在全时间段内的变化过程。

在实验测试时，X射线也将由成像系统Ⅱ 6成像到光阴极狭缝板11上，X射线透过光阴极狭缝Ⅱ18后与光阴极12相互作用会发射出电子束Ⅱ40，电子束Ⅱ40将穿过狭缝Ⅳ36进入栅极Ⅱ20，并依次通过时间方向预聚焦电极Ⅱ22、时间方向预阳极Ⅱ24、电四极透镜Ⅱ26、时间方向主阳极Ⅱ28、时间方向主聚焦电极Ⅱ30和阳极孔电极Ⅱ32，然后穿过狭缝Ⅵ38进入偏转电极Ⅱ34，其将受到与电子束Ⅰ39相类似的聚焦偏转作用。但由于偏转电极Ⅱ34上作用的工作电压为快扫描脉冲，电子束40从荧光屏16边缘扫描到荧光屏16中心的时间极短，与靶丸1聚心内爆持续时间相当，并且通过延时调节很容易使电子束Ⅱ40开始扫描的时间起点与靶丸1聚心内爆起始时间对齐。如此，通过图像记录系统10记录的电子束Ⅱ40扫描图像可以得到靶丸1聚心内爆时间内的细致变化过程。

由于在荧光屏16前设置了隔离板15，电子束Ⅰ39扫描到荧光屏16中间后，继续扫描时将被隔离板15拦截，只能在下半部分荧光屏16进行扫描，同理电子束Ⅱ40只能在荧光屏16上半部分进行扫描，两条电子束不会相互干扰影响。由于荧光屏16发出的可见光图像面积较大，所以光纤锥8为缩像型光纤锥，在传输图像时进行缩像，可使图像只需单台像增强器9和图像记录系统10即可完成对图像的放大与记录。而采用CCD作为图像记录系统10时，可容易对图像进行操作处理。

同时可见，双通道X射线扫描变像管4分别采用不同的电子聚焦透镜在x轴方向与y轴方向聚焦电子，两个方向上电子的空间交叉点不一致，这样可降低电荷密度，提升动态范围，并且电子束Ⅰ39与电子束Ⅱ40相互独立，不存在相互影响，对系统的动态范围也具有一定提升作用。

本实用新型不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性劳动，所作出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光内爆诊断系统，其特征在于：所述的系统包括沿z轴方向顺序排列的滤片(2)、双通道X射线成像系统(3)和双通道X射线条纹相机(4)；

所述的双通道X射线成像系统(3)包括沿y轴方向顺序排列的成像系统Ⅰ(5)和成像系统Ⅱ(6)；

所述的双通道X射线条纹相机(4)包括沿z轴方向顺序排列的双通道X射线扫描变像管(7)、光纤锥(8)、像增强器(9)和图像记录系统(10)；

所述的双通道X射线扫描变像管(7)包括沿z轴方向顺序排列的光阴极狭缝板(11)、光阴极(12)、聚焦电极组件(13)、偏转电极组件(14)、隔离板(15)与荧光屏(16)；

所述的聚焦电极组件(13)包括栅极Ⅰ(19)、栅极Ⅱ(20)、时间方向预聚焦电极Ⅰ(21)、时间方向预聚焦电极Ⅱ(22)、时间方向预阳极Ⅰ(23)、时间方向预阳极Ⅱ(24)、电四极透镜Ⅰ(25)和电四极透镜Ⅱ(26)、时间方向主阳极Ⅰ(27)、时间方向主阳极Ⅱ(28)、时间方向主聚焦电极Ⅰ(29)、时间方向主聚焦电极Ⅱ(30)、阳极孔电极Ⅰ(31)、阳极孔电极Ⅱ(32)；

所述的偏转电极组件(14)包括沿y轴方向偏转电极Ⅰ(33)和偏转电极Ⅱ(34)；

所述的光阴极狭缝板(11)包括沿y轴方向顺序排列的光阴极狭缝Ⅰ(17)和光阴极狭缝Ⅱ(18)，光阴极狭缝Ⅰ(17)和光阴极狭缝Ⅱ(18)的狭缝方向沿x轴方向；

所述的栅极Ⅰ(19)和栅极Ⅱ(20)的中心位置处分别狭缝Ⅲ(35)和狭缝Ⅳ(36) ，狭缝Ⅲ(35)和狭缝Ⅳ(36) 的狭缝方向沿x轴方向；

所述的阳极孔电极Ⅰ(31)和阳极孔电极Ⅱ(32)的中心位置分别有狭缝Ⅴ(37)和狭缝Ⅵ(38)，狭缝Ⅴ(37)和狭缝Ⅵ(38)的狭缝方向沿x轴方向；

所述的光阴极狭缝Ⅰ(17)、栅极Ⅰ(19)、时间方向预聚焦电极Ⅰ(21)、时间方向预阳极Ⅰ(23)、电四极透镜Ⅰ(25)、时间方向主阳极Ⅰ(27)、时间方向主聚焦电极Ⅰ(29)、阳极孔电极Ⅰ(31)和偏转电极Ⅰ(33)的中心位于沿z轴方向的一条直线上；

所述的光阴极狭缝Ⅱ(18)、栅极Ⅱ(20)、时间方向预聚焦电极Ⅱ(22)、时间方向预阳极Ⅱ(24)、电四极透镜Ⅱ(26)、时间方向主阳极Ⅱ(28)、时间方向主聚焦电极Ⅱ(30)、阳极孔电极Ⅱ(32)和偏转电极Ⅱ(34)的中心位于沿z轴方向的另一条平行的直线上；

所述的x轴、y轴和z轴位于空间直角坐标系。

2.根据权利要求1所述的激光内爆诊断系统，其特征在于：所述的双通道X射线成像系统(3)为双通道KB显微镜系统。

3.根据权利要求1所述的激光内爆诊断系统，其特征在于：所述的双通道X射线成像系统(3)为双通道针孔系统。

4.根据权利要求1所述的激光内爆诊断系统，其特征在于，所述的光纤锥(8)为缩像型光纤锥。