CN105158789A - 一种空间分辨辐射流探测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间分辨辐射流探测设备，所述的探测设备包括针孔透镜组件、摄像头、限孔成像板、限孔板和平响应X射线探测器F-XRD；黑腔注入口发出可见光，透镜对其成像到限孔成像板上，确定该限孔和注入口的可见光像的位置关系后，黑腔注入口发出的X射线穿过针孔，仅有部分X射线经过限孔成像板和限孔板的限孔，到达平响应X射线探测器F-XRD的灵敏面引起响应，这部分X射线能流对应于注入口内部分区域的辐射流，同时限孔成像板记录注入口通过针孔所成X光像与限孔之间的位置关系，实现空间分辨辐射流探测。本发明能够实现同时具有时间与空间分辨地X射线辐射流定量探测，不受激光打在黑腔注入口边沿产生的额外X射线影响，具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明属于X射线探测领域，具体涉及一种空间分辨辐射流探测设备。
背景技术
激光驱动黑腔能够将激光能量转换成近普朗克软X射线，而在间接驱动惯性约束聚变ICF中经常使用。这测量到的X射线能够用来推导辐射温度，辐射温度是黑腔辐射源最重要的参数之一，也是探索激光与黑腔相互作用物理过程的基础。然而黑腔内部特定区域（非光斑、光斑或靶丸）X射线辐射流的空间分辨探测是间接驱动ICF实验中尚未解决并且很重要的问题。
而现有诊断设备存在着以下不足：1、由于一般黑腔注入口内径小，约，现有诊断设备有效探测面直径为毫米量级，光斑区、非光斑区域以及靶丸区域所发出的X射线都同时被这些诊断工具所探测到。另一方面激光打在注入口边沿产生的X射线仍然大量混杂在上述探测器的接收视场中。2、尽管X射线分幅相机、条纹相机能够对X射线时、空演化进行诊断，但是它们都难以定量地测出X射线辐射流。而软X光多道能谱仪（Dante）、CVD金刚石探测器和平响应X射线探测器F-XRD虽然都能够测得辐射流的绝对量，但这些诊断工具又不具有空间分辨。
发明内容
为了克服现有技术中诊断设备不能同时进行时空分辨辐射流定量探测的不足，本发明提供一种空间分辨辐射流探测设备。
本发明的空间分辨辐射流探测设备，其特点是，所述的设备包括摄像头和在光路上依次排列的针孔透镜组件、限孔成像板、限孔板、平响应X射线探测器F-XRD。所述的针孔透镜组件包括针孔板和环形透镜，所述的针孔板嵌套在环形透镜中部。所述的限孔成像板粘贴在限孔板上。所述针孔板上的针孔中心、限孔成像板的限孔中心、限孔板的限孔中心与平响应X射线探测器F-XRD的灵敏面中心在同一条光路直线上。黑腔置于针孔透镜组件的前方。摄像头视线与光路直线之间设置有一夹角，摄像头用于实时监视限孔成像板上由环形透镜对黑腔注入口所成的可见光像与限孔之间位置关系。
黑腔注入口发出可见光，经针孔透镜组件中环形透镜成像到限孔成像板上，确定限孔成像板限孔与黑腔的可见光像的位置关系。黑腔注入口发出的X射线穿过针孔透镜组件中针孔后，X射线经过限孔成像板的限孔和限孔板的限孔，到达平响应X射线探测器F-XRD的灵敏面，引起平响应X射线探测器F-XRD响应，X射线能流由限孔对应于黑腔注入口内部分区域的辐射流，同时限孔成像板记录黑腔注入口通过针孔透镜组件中针孔所成X光像，这样实现空间分辨的辐射流测量。
所述的环形透镜主光轴垂直于所述的针孔板。
所述的摄像头视线与光路直线之间的夹角范围为20°~40°。
所述的针孔板上的针孔中心与环形透镜主光轴距离为百微米量级及其以下。
所述的针孔板的针孔直径小于或等于百微米量级。
所述的针孔板为厚度在20um~100um之间的钽片。
所述的环形透镜成像的物距、像距与针孔板针孔成像的物距、像距分别相同。
所述的限孔成像板的限孔与所述的限孔板的限孔大小相同。
所述的限孔成像板的限孔与限孔板的限孔直径大于经理论计算的设备空间分辨率与针孔透镜组件的针孔成像放大倍数的乘积，并小于所述黑腔注入口尺寸与针孔透镜组件的针孔成像放大倍数的乘积，同时小于平响应X射线探测器F-XRD的灵敏面大小。
所述的限孔板厚度为20um~100um量级的钽片。
所述的平响应X射线探测器F-XRD采用基于时间，经过绝对标定，在光子能量范围0.1~4KeV平响应X射线探测器。
所述的黑腔为间接驱动惯性约束聚变中的常用黑腔。
所述的环形透镜材料采用K9玻璃。
本发明有益效果是：
1.本发明能够实现具有时间与空间分辨地X射线辐射流定量探测。
2.本发明的空间分辨达到100um量级及其以下。
3.本发明对X射线的探测不受激光打在注入口边沿产生的额外X射线影响，具有广阔应用前景。
附图说明
图1为本发明的空间分辨辐射流探测设备光路结构示意图；
图2为本发明的空间分辨辐射流探测设备中的针孔透镜组件结构示意图；
图3为本发明的空间分辨辐射流探测设备瞄准过程中摄像头采集的可见光图像；
图4为本发明的空间分辨辐射流探测设备在打靶实验过程中限孔成像板记录的X光图像；
图中，1.黑腔2.可调光阑3针孔透镜组件4.摄像头5.限孔成像板6.限孔板7.平响应X射线探测器F-XRD8.示波器9.电脑10.环形透镜11.针孔板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
图1为本发明的空间分辨辐射流探测设备光路结构示意图，图2为本发明的空间分辨辐射流探测设备中的针孔透镜组件结构示意图，在图1、图2中，本发明的空间分辨辐射流探测设备，包括摄像头4，在光路上依次排列的针孔透镜组件3、限孔成像板5、限孔板6、平响应X射线探测器F-XRD7。所述的针孔透镜组件3包括针孔板11和环形透镜10，所述的针孔板11嵌套在环形透镜10中部。所述的限孔成像板5粘贴在限孔板6上。所述针孔板11上的针孔中心、限孔成像板5的限孔中心、限孔板6的限孔中心与平响应X射线探测器F-XRD7的灵敏面中心在同一条光路直线上。黑腔1置于针孔透镜组件3的前方。摄像头4视线与光路直线之间有一夹角，摄像头4用于实时监视限孔成像板5上由环形透镜对黑腔1注入口所成的可见光像与限孔之间位置关系。
黑腔1注入口发出可见光，经针孔透镜组件3中环形透镜成像到限孔成像板5上，确定限孔成像板5限孔与黑腔1的可见光像的位置关系。黑腔1注入口发出的X射线穿过针孔透镜组件3中针孔后，X射线经过限孔成像板5的限孔和限孔板6的限孔，到达平响应X射线探测器F-XRD7的灵敏面，引起平响应X射线探测器F-XRD响应，X射线能流由限孔对应于黑腔1注入口内部分区域的辐射流，同时限孔成像板5记录黑腔1注入口通过针孔透镜组件3中针孔所成X光像，这样实现空间分辨的辐射流测量。
所述的环形透镜主光轴垂直于所述的针孔板11。
所述的摄像头4视线与光路直线之间的夹角为20°。
所述的针孔板11上的针孔中心与环形透镜10主光轴距离在百微米量级及其以下。
所述的针孔板11的针孔直径为100um。
所述的针孔板11为厚度为100um的钽片。
所述的环形透镜10成像的物距、像距与针孔板11针孔成像的物距、像距分别相同。
所述的限孔成像板5的限孔与所述的限孔板6的限孔大小相同。
所述的限孔成像板5的限孔与限孔板6的限孔直径为2mm。
所述的限孔板6为厚度为100um的钽片。
所述的平响应X射线探测器F-XRD7采用基于时间，经过绝对标定，在光子能量范围0.1~4KeV平响应X射线探测器。
所述的黑腔1为间接驱动惯性约束聚变中的常用黑腔。
所述的环形透镜材料采用K9玻璃。
本发明的空间分辨辐射流探测设备工作时，平响应X射线探测器F-XRD7与示波器8连接，示波器8与电脑9连接。
本发明中可调光阑2，针孔透镜组件3的针孔中心，限孔成像板5的限孔中心，限孔板6的限孔中心和平响应X射线探测器F-XRD7的灵敏面中心在一条直线上。针孔透镜组件3中的针孔直径是100um。用来对黑腔1注入口进行X光成像，这X光像由具有直径D为2mm限孔的限孔板6承载并提供二维观测黑腔1注入口像的条件。限孔板6也作为成像面，是一块100um厚的钽片。也具有直径2mm大小限孔的限孔成像板5紧贴在限孔板6上，它能够记录由针孔所形成的黑腔1注入口的X光像以及这个X光像和限孔的位置关系。平响应X射线探测器F-XRD7是一个基于时间，经过绝对标定，在光子能量范围0.1~4KeV平响应X射线探测器，它在限孔板6后面。因此，只有特定部分黑腔1注入口喷出的X射线穿过针孔，限孔成像板5和限孔板6，与平响应X射线探测器F-XRD7灵敏面碰撞。伴随平响应X射线探测器F-XRD7对碰撞的响应，由示波器8记录的电压信号被输出到电脑9中。这些被探测到的X射线部分仅与黑腔1内特定的直径d为0.2mm区域所发出的X射线相对应。这样将空间分辨辐射流探测设备瞄准一个黑腔1内预先设定的区域，空间分辨辐射流探测就可以实现。
针孔透镜组件3是空间分辨辐射流探测设备的核心部件，直径=100um针孔是在100um厚钽片针孔板11上，如图2所示，该针孔板嵌套在环形透镜中部。环形透镜10成像的放大倍数与物距，与针孔成像的分别相同。这就使环形透镜10对黑腔1注入口所成可见光像与针孔对黑腔1注入口所成X光像，位置和大小相同。因此，当用可见光将黑腔1注入口照亮，利用摄像头4实时监视限孔与环形透镜10所成像之间的位置关系，环形透镜10就可以实现实时辅助瞄准。在针孔透镜组件3之前设置有一个可调光阑2，用于保护透镜，防止X射线穿过透镜造成信号干扰。作为结果，像被进行了10倍放大，由针孔直径和放大倍数决定的针孔成像的空间分辨率经计算是0.11mm。故利用空间分辨辐射流探测设备去探测来自0.2mm直径区域的X射线辐射流的可行性也被证实。
假定是空间分辨辐射流探测设备探测到的来自黑腔中特定0.2mm直径区域的X射线辐射流。穿过针孔板11的针孔，被设备探测到的X射线能量满足:,是针孔板11的针孔的立体角，是针孔板11的针孔直径，是黑腔与针孔板11的针孔之间的距离，这里取205mm。假定由示波器8记录的电压信号是，我们有，是信号衰减倍数，是平响应X射线探测器F-XRD7的平均响应系数，是示波器8的电阻。因此，根据空间分辨辐射流探测设备的原理以及电压信号值，就可以获得辐射流。
图3为本发明的空间分辨辐射流探测设备瞄准过程中摄像头采集的可见光图像，图4为本发明的空间分辨辐射流探测设备在打靶实验过程中限孔成像板记录的X光图像。图3中大黑圆中的小黑圆为在可见光下的瞄准区域，图4中的亮斑为黑腔注入口内激光打击点光斑区，黑圆为在X光下的瞄准及探测区域。本发明在神光III原型激光装置取得了成功应用，本实施例中，选取的黑腔是直径1.2mm，长2.4mm，注入口0.85mm的金腔。八束3倍频，800J/1.5ns激光，分别以45°从黑腔注入口两端注入黑腔。首先，用可见光照亮黑腔注入口，通过环形透镜10辅助空间分辨辐射流探测设备进行瞄准，瞄准结果，如图3所示。而后进行激光打靶，示波器8记录到了有效的电压信号，并由电脑9结合以上理论推导，处理得到了瞄准区域的辐射流准确值。同时限孔成像板5也记录到了设备在黑腔中的实际探测区域，如图4所示。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的摄像头4视线与光路直线之间的夹角为40°，所述的针孔板的针孔直径是80um，所述的针孔板为厚度是20um的钽片，所述的限孔成像板5的限孔与限孔板6的限孔直径是3mm，所述的限孔板6为厚度是20um的钽片。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的设备包括摄像头（4）和在光路上依次排列的针孔透镜组件（3）、限孔成像板（5）、限孔板（6）、平响应X射线探测器F-XRD（7）；所述的针孔透镜组件（3）包括针孔板（11）和环形透镜（10），所述的针孔板（11）嵌套在环形透镜（10）的中部；所述的限孔成像板（5）粘贴在限孔板（6）上；所述针孔板（11）上的针孔中心、限孔成像板（5）的限孔中心、限孔板（6）的限孔中心与平响应X射线探测器F-XRD（7）的灵敏面中心在同一条光路直线上；黑腔（1）置于针孔透镜组件（3）的前方；摄像头（4）视线与光路直线之间设置有一夹角，摄像头（4）用于实时监视限孔成像板（5）上由环形透镜（10）对黑腔（1）注入口所成的可见光像与限孔之间位置关系；
黑腔（1）注入口发出可见光，经针孔透镜组件（3）中环形透镜成像到限孔成像板（5）上，确定限孔成像板（5）限孔与黑腔（1）的可见光像的位置关系；黑腔（1）注入口发出的X射线穿过针孔透镜组件（3）中针孔后，X射线经过限孔成像板（5）的限孔和限孔板（6）的限孔，到达平响应X射线探测器F-XRD（7）的灵敏面，引起平响应X射线探测器F-XRD（7）响应，X射线能流由限孔对应于黑腔（1）注入口内部分区域的辐射流，同时限孔成像板（5）记录黑腔（1）注入口通过针孔透镜组件（3）中针孔所成X光像。
2.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的环形透镜（10）主光轴垂直于所述的针孔板（11）。
3.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的摄像头（4）视线与光路直线之间的夹角范围为20°~40°。
4.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的针孔板（11）上的针孔中心与环形透镜（10）主光轴距离为百微米量级及其以下。
5.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的针孔板（11）的针孔直径小于或等于百微米量级。
6.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的针孔板（11）为厚度在20um~100um之间的钽片；所述的限孔板（6）为厚度为20um~100um量级的钽片。
7.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的环形透镜（10）成像的物距、像距与针孔板（11）针孔成像的物距、像距分别相同。
8.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的限孔成像板（5）的限孔与所述的限孔板（6）的限孔大小相同。
9.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的限孔成像板（5）的限孔与限孔板（6）的限孔直径大于经理论计算的设备空间分辨率与针孔透镜组件（3）的针孔成像放大倍数的乘积，并小于所述黑腔（1）注入口尺寸与针孔透镜组件（1）的针孔成像放大倍数的乘积，同时小于平响应X射线探测器F-XRD（7）的灵敏面大小。
10.根据权利要求1所述的空间分辨辐射流探测设备，其特征在于，所述的平响应X射线探测器F-XRD（7）采用基于时间，经过绝对标定，在光子能量范围0.1~4KeV平响应X射线探测器。
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