專利名稱：激光驅(qū)動產(chǎn)生x射線光源的雙光譜成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是ー種利用激光驅(qū)動固體材料產(chǎn)生特征譜線(特征輻射譜線)和連續(xù)譜線(軔致輻射譜線)，用于透射成像的裝置。
背景技術(shù)：
激光與固體物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的X射線源，其波長范圍覆蓋較廣，從真空紫外波段到高能的硬X射線。X光譜中被研究最多的當(dāng)屬高能的軔致輻射譜線和材料的特征輻射譜線，都具有光斑小，光子能量高，脈沖時(shí)間短的特點(diǎn)，因此常被用于高能量密度物理過程的診斷研究，如內(nèi)爆過程或箍縮過程的背光成像診斷。其中非熱輻射效應(yīng)的K殼層特征輻
射譜線具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，自身線寬很窄，適合選單后作為單色X光源，因而在超強(qiáng)脈沖與材料相互作用中備受關(guān)注。目前激光驅(qū)動固體平面箔靶時(shí)特征譜線的典型譜線Ka線的產(chǎn)生過程如下首先，激光迅速在固體靶表面產(chǎn)生冕區(qū)等離子體；然后激光將能量交給冕區(qū)中的自由電子；最后，自由電子沿激光束方向傳播至靶內(nèi)部并電離靶原子的K殼層電子，這些高能電子向靶內(nèi)部運(yùn)動的過程中與靶原子碰撞使其內(nèi)殼層電離產(chǎn)生空穴，從而輻射出X射線，包括KajK^等特征輻射譜線，其波長由原子的內(nèi)殼層能級差決定。除了特征輻射譜線以外，高能電子還會與靶原子碰撞產(chǎn)生連續(xù)的軔致輻射譜線。一般地，激光驅(qū)動平面箔靶產(chǎn)生的X射線輻射空間近似呈4 立體角分布，與靶厚密切相關(guān)。而靶的厚度根據(jù)激光的強(qiáng)度、斜入射角等而定，當(dāng)厚度大于激光入射條件的臨界密度厚度時(shí)，阻止了X射線的光子運(yùn)動，其實(shí)就是在靶的內(nèi)部衰減X射線。雖然激光驅(qū)動箔靶產(chǎn)生的X射線譜空間近似呈4 立體角分布，但實(shí)驗(yàn)中受真空靶室空間布置的限制，往往只能単獨(dú)利用軔致輻射譜線或者特征輻射譜線，即要么只使用軔致輻射譜線，要么只使用特征輻射譜線。這兩種情況，都僅僅使用了 X射線的很窄一部分。如果能夠充分利用激光驅(qū)動靶產(chǎn)生的軔致輻射譜線和特征輻射譜線，從靶平面的前后兩側(cè)分別引出其譜線，則大大提聞診斷效率和能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為充分利用激光驅(qū)動平面固體箔靶產(chǎn)生X射線源的技術(shù)，提供一種能夠同時(shí)利用特征輻射譜線和軔致輻射譜線進(jìn)行成像的方法，進(jìn)而設(shè)計(jì)出激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置。本發(fā)明的基本思路是激光斜入射平面箔靶，同時(shí)利用特征輻射譜線和軔致輻射譜線。其中，特征輻射譜線通道是在靶前或靶后布置能夠聚焦X射線的球面彎晶，實(shí)現(xiàn)對X射線的衍射，在球面彎晶的下游的樣品支架上布置待測樣品，用弧形膠片盒等成像器進(jìn)行接收背光成像信息；軔致輻射譜線通道是在靶后或靶前產(chǎn)生的軔致輻射譜線，直接透射樣品支架上的待測樣品，在接收信號端，用弧形膠片盒等成像器進(jìn)行接收背光成像信息。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是
一種激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置，包括激光器、真空室、設(shè)于真空室上并與激光器相配合的驅(qū)動激光入口、裝于真空室中的靶組件，靶組件由平面箔靶和支架構(gòu)成，且平面箔靶位于真空室中間位置，平面箔靶所在平面將真空室分隔成靶前空間和靶后空間，其特征在干靶前空間中固定有衍射特征輻射譜線的球面彎晶，靶后空間中固定有樣品支架、特征輻射譜線成像器、軔致輻射譜線成像器，平面箔靶、球面彎晶、樣品支架、特征輻射譜線成像器構(gòu)成特征輻射譜線光路裝置，平面箔靶、樣品支架、軔致輻射譜線成像器構(gòu)成軔致輻射譜線光路裝置，且樣品支架還位于球面彎晶下游特征輻射譜線衍射光路與軔致輻射譜線透射光路的交匯處，實(shí)現(xiàn)同時(shí)成像；或者靶前空間中固定有樣品支架、特征輻射譜線成像器、軔致輻射譜線成像器，靶后空間中固定有衍射特征輻射譜線的球面彎晶，平面箔靶、球面彎晶、樣品支架、特征輻射譜線成像器構(gòu)成特征輻射譜線光路裝置，平面箔靶、樣品支架、軔致輻射譜線成像器構(gòu)成軔致輻射譜線光路裝置，且樣品支架還位于球面彎晶下游特征輻射譜線衍射光路與軔致輻射譜線透射光路的交匯處，實(shí)現(xiàn)同時(shí)成像。
進(jìn)ー步的方案是在驅(qū)動激光入口與平面箔靶之間裝有聚焦鏡。進(jìn)ー步的方案是樣品支架、軔致輻射譜線成像器之間裝有狹縫。進(jìn)ー步的方案是特征輻射譜線成像器、軔致輻射譜線成像器都是敞ロ膠片成像盒，敞ロ處一般要用特定金屬膜密封以便遮擋低能X射線和可見光。膠片成像盒左側(cè)面開有插ロ，膠片成像盒前后側(cè)面內(nèi)壁開有與插ロ連通的圓弧型凹槽，膠片成像盒的敞ロ構(gòu)成X射線入射ロ。以使膠片從插ロ插入膠片成像盒后，膠片兩側(cè)受控于圓弧型凹槽，膠片成圓弧型分布。圓弧型凹槽曲率半徑一般為膠片安裝位置與入射X射線焦點(diǎn)的距離。一般地，接收特征輻射譜線的膠片成像盒為小膠片盒，小膠片盒的中心位置是在特征譜線經(jīng)球面彎晶羅蘭圓聚焦后的下游，半徑是小膠片盒安裝位置中心點(diǎn)與聚集點(diǎn)的距離；接收軔致輻射譜線的膠片成像盒為大膠片盒，大膠片盒的中心位置是在激光與箔靶相互作用的靶點(diǎn)和待測樣品點(diǎn)連線的延長線上，半徑是大膠片盒安裝位置與靶后點(diǎn)的距離。膠片成像盒，也可以用X射線CXD相機(jī)或者成像板代替。接收雙光譜X射線處還可以接條紋相機(jī)或者半導(dǎo)體光電ニ極管，可以通過調(diào)節(jié)X射線光路控制診斷時(shí)序，獲取樣品的時(shí)間分辨。本發(fā)明利用激光與物質(zhì)相互作用原理，在平面箔靶前、后均要產(chǎn)生特征輻射譜線和軔致輻射譜線。由于靶室空間限制，需要對X射線進(jìn)行反射式衍射，而球面彎晶具有這種性質(zhì)，故在靶前或靶后利用球面彎晶對特征譜線，如Kd或KP線單色處理，在球面彎晶的下游安裝樣品支架，而這個(gè)樣品支架正好位于靶后或靶前軔致輻射譜線輻射區(qū)域。這樣，這兩種不同能譜的X射線從不同方向上對樣品進(jìn)行透射成像，再利用不同曲率半徑的X射線膠片盒接收X射線。它的優(yōu)點(diǎn)是，這兩種能譜的譜線在樣品處，無相干性，對X射線的散射影響可以忽略。此外，這種方式最大優(yōu)點(diǎn)是利用球面彎晶聚焦特性，能夠在球面彎晶下游對樣品進(jìn)行成像。為避免平面箔靶中電子透射深度増加引起X射線損失的問題，使獲取的高能電子的能量得到更有效利用，提高特征譜線和軔致輻射的轉(zhuǎn)換效率，從而推算出激光-X射線最優(yōu)轉(zhuǎn)化效率和最佳電子溫度。而電子溫度由入射激光的功率密度決定，所以通過優(yōu)化靶的厚度和表面處理工藝，提高雙能譜成像的效率。比如平面箔靶表面改為納米顆粒、納米須、多孔等輕質(zhì)材料，增強(qiáng)對激光能量的吸收。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是為了更充分利用X射線中轉(zhuǎn)化率相對較高的譜線，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了 X射線中特征輻射譜線和軔致輻射譜線同時(shí)成像的裝置。從而I、只要采用適當(dāng)厚度的箔靶，就可保證最佳激光功率密度和激光-X射線轉(zhuǎn)化效率都得到明顯提高，從而使得X射線輻射的總亮度至少提高10倍。2、在靶前或靶后布置球面彎晶通道，而靶后或靶前設(shè)置軔致輻射通道，這樣特征輻射譜線和軔致輻射譜線都能夠同時(shí)對待測樣品進(jìn)行成像。 3、采用帶圓弧形凹槽的膠片盒，非常方便安裝膠片，使其保持對應(yīng)的半徑。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例一的方案示意圖；圖2為帶接ロ、弧形凹槽的膠片盒正面剖視圖；圖3為帶接ロ、弧形凹槽的膠片盒左視圖；圖4為帶接ロ、弧形凹槽的膠片盒俯視圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例ニ的方案示意圖。圖中最佳箔靶厚以激光的功率密度而定，Cu靶的最佳厚度在30微米，在
3.2X 1018ff/cm2時(shí)，其特征輻射譜線K a線的光子轉(zhuǎn)換效率大于I. 5X 10_5，軔致輻射譜線轉(zhuǎn)換效率40% -60%。圖中1為激光器；2為驅(qū)動激光入口 ；3為真空室；4為聚焦鏡；601為平面箔靶；602為靶支架；702為球面彎晶；703為特征輻射譜線成像器，其中703-1為圓弧形凹槽，703-2為插ロ，703-3為X射線入射ロ ；704為狹縫；705為軔致輻射譜線成像器；701為樣品支架；801、802為激光束；901、902為軔致輻射譜線；903、904、905、906為特征輻射譜線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)ー步的描述實(shí)施例一如圖I、圖2、圖3和圖4，一種激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置，包括激光器I、真空室3、設(shè)于真空室3上并與激光器I相配合的驅(qū)動激光入ロ 2、裝于真空室3中的靶組件，靶組件由平面箔靶601和支架602構(gòu)成，且平面箔靶601位于真空室3中間位置，平面箔靶601所在平面將真空室3分隔成靶前空間和靶后空間，其特征在于靶前空間中固定有衍射特征輻射譜線的球面彎晶702，靶后空間中固定有樣品支架701、特征輻射譜線成像器703、軔致輻射譜線成像器705，平面箔靶601、球面彎晶702、樣品支架701、特征輻射譜線成像器703構(gòu)成特征輻射譜線光路裝置，平面箔靶601、樣品支架701、軔致輻射譜線成像器705構(gòu)成軔致輻射譜線光路裝置，且樣品支架701還位于球面彎晶702下游特征輻射譜線衍射光路與軔致輻射譜線透射光路的交匯處；在于在驅(qū)動激光入ロ 2與平面箔靶601之間裝有聚焦鏡4。樣品支架701、軔致輻射譜線成像器705之間裝有狹縫704。特征輻射譜線成像器703、軔致輻射譜線成像器705都是敞ロ膠片成像盒，膠片成像盒左側(cè)面開有插ロ 703-2，膠片成像盒前后側(cè)面內(nèi)壁開有與插ロ 703-2連通的圓弧型凹槽703-1，膠片成像盒的敞ロ構(gòu)成X射線入射ロ 703-3，敞ロ處用特定金屬膜密封。且平面箔靶601平面與入射激光成20-35°夾角，球面彎晶組件與入射激光在箔靶的同側(cè)，其中心線與靶平面的夾角有效范圍在20-35°。激光器I功率密度IO17-IO19W/cm2，焦斑直徑應(yīng)小于平面箔靶601底面的最小邊長，焦斑最佳范圍在10微米以下。其中，聚焦鏡5、支架602和球面彎晶組件702、樣品支架701、膠片盒705、膠片盒703、狹縫704等均按常規(guī)固定于真空室3中的光學(xué)平臺上。膠片盒703的長為70-80mm，寬為40-45mm，高為30-35mm。盒頂中 心為ー插ロ703-3，30-35mm長，寬為38_43mm，用2_8 y m的Ti、Al、Be等金屬膜封裝，遮擋低能X射線和可見光。距盒蓋10-13mm處開膠片插ロ 703-2，寬度為0. 5mm，用黑色物質(zhì)遮擋插ロ。在膠片長擋板的盒內(nèi)面加工圓弧形凹槽703-1，其曲率半徑為安裝位置距X射線聚焦點(diǎn)的長度，半徑在80-90mm,深度為Imm,寬為0. 5mm。膠片盒705半徑在280-300mm，其余尺寸與膠片盒703的相同。根據(jù)特征輻射譜線和軔致輻射譜線的特點(diǎn)，選取箔靶，材料以Cu為例，可獲得較好的成像數(shù)據(jù)。當(dāng)最佳激光功率密度與最佳靶厚的箔靶相互作用后，產(chǎn)生的X射線與箔靶表面結(jié)構(gòu)、靶材料、靶構(gòu)型有密切關(guān)系，因此需要具體實(shí)施的時(shí)候事先進(jìn)行模擬測試，獲取其基本特性。為提高靶中超熱電子對激光的吸收系數(shù)，可以在平面箔靶601表面進(jìn)ー步處理，比如將其加工為納米顆粒材料，増加對激光能量的吸收，然后更好地轉(zhuǎn)換成X射線。由于入射激光存在預(yù)脈沖，所以納米顆粒尺寸不能太小，大約在200-300nm的規(guī)格較合適。根據(jù)入射驅(qū)動激光的參數(shù)，對箔靶厚度、材料、構(gòu)型等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取X射線的最佳亮度，提高樣品成像診斷效率和能力。在真空室3中的有限輻射空間，合理利用平面箔靶601在4 空間分布的特征輻射譜線和軔致輻射譜線，在異側(cè)分別引出兩種能譜，利用單能成像的球面彎晶702對特征輻射譜線進(jìn)行衍射，對樣品支架701上的樣品進(jìn)行雙光譜成像。平面箔靶601靶厚為10-30微米，安裝在靶支架602上。實(shí)施例ニ如圖5，雙能譜實(shí)驗(yàn)的第二種實(shí)驗(yàn)方案。靶前空間中固定有樣品支架701、特征輻射譜線成像器703、軔致輻射譜線成像器705，靶后空間中固定有衍射特征輻射譜線的球面彎晶702，平面箔靶601、球面彎晶702、樣品支架701、特征輻射譜線成像器703構(gòu)成特征輻射譜線光路裝置，平面箔靶601、樣品支架701、軔致輻射譜線成像器705構(gòu)成軔致輻射譜線光路裝置，且樣品支架701還位于球面彎晶702下游特征輻射譜線衍射光路與軔致輻射譜線透射光路的交匯處。其余同實(shí)施例一。
權(quán)利要求
1.一種激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置，包括激光器(I)、真空室(3)、設(shè)于真空室(3)上并與激光器(I)相配合的驅(qū)動激光入口(2)、裝于真空室(3)中的靶組件，靶組件由平面箔靶(601)和靶支架(602)構(gòu)成，且平面箔靶(601)位于真空室(3)中間位置，平面箔靶(601)所在平面將真空室(3)分隔成靶前空間和靶后空間，其特征在于 靶前空間中固定有衍射特征輻射譜線的球面彎晶(702)，靶后空間中固定有樣品支架(701)、特征輻射譜線成像器(703)、軔致輻射譜線成像器(705)，平面箔靶(601)、球面彎晶(702)、樣品支架(701)、特征輻射譜線成像器(703)構(gòu)成特征輻射譜線光路裝置，平面箔靶(601)、樣品支架(701)、軔致輻射譜線成像器(705)構(gòu)成軔致輻射譜線光路裝置，且樣品支架(701)還位于球面彎晶(702)下游特征輻射譜線衍射光路與軔致輻射譜線透射光路的交匯處； 或者靶前空間中固定有樣品支架(701)、特征輻射譜線成像器(703)、軔致輻射譜線成像器(705)，靶后空間中固定有衍射特征輻射譜線的球面彎晶(702)，平面箔靶(601)、球面彎晶(702)、樣品支架(701)、特征輻射譜線成像器(703)構(gòu)成特征輻射譜線光路裝置，平面箔靶(601)、樣品支架(701)、軔致輻射譜線成像器(705)構(gòu)成軔致輻射譜線光路裝置，且樣品支架(701)還位于球面彎晶(702)下游特征輻射譜線衍射光路與軔致輻射譜線透射光路的交匯處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置，其特征在于在驅(qū)動激光入口(2)與平面箔靶(601)之間裝有聚焦鏡(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置，其特征在于樣品支架(701)、軔致輻射譜線成像器(705)之間裝有狹縫(704)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置，其特征在于特征輻射譜線成像器(703)、軔致輻射譜線成像器(705)都是敞ロ膠片成像盒，膠片成像盒左側(cè)面開有插ロ(703-2)，膠片成像盒前后側(cè)面內(nèi)壁開有與插ロ(703-2)連通的圓弧型凹槽(703-1)，膠片成像盒的敞ロ構(gòu)成X射線入射ロ(703-3)。
全文摘要
一種激光驅(qū)動產(chǎn)生X射線光源的雙光譜成像裝置，包括激光器(1)、真空室(3)、設(shè)于真空室(3)上并與激光器(1)相配合的驅(qū)動激光入口(2)、裝于真空室(3)中的靶組件，靶組件由平面箔靶(601)和支架(602)構(gòu)成，且平面箔靶(601)位于真空室(3)中間位置，平面箔靶(601)所在平面將真空室(3)分隔成靶前空間和靶后空間，其特征在于在靶前或靶后布置能夠聚集的球面彎晶，實(shí)現(xiàn)對X射線的衍射，在球面彎晶的下游的樣品支架(701)上布置待測樣品，用成像器接收背光成像信息；在靶后或靶前引入軔致輻射譜線，直接透射樣品支架上的待測樣品，在接收信號端，用成像器接收背光成像信息。
文檔編號G01J3/28GK102778294SQ20121025229
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者劉振清, 葉雁, 朱巍, 朱鵬飛, 李軍, 李曉亞, 李澤仁, 王洪建, 陽慶國 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所