一种用于强激光条件下的X射线针孔相机及安装调节方法与流程

本发明涉及成像领域，特别涉及到一种用于强激光条件下的X射线针孔相机及安装调节方法，是一种可用于强激光辐照高背景噪声条件下的高温等离子体X射线成像的掠入射X射线针孔相机。

背景技术：
X射线针孔相机是高温等离子体成像诊断中重要的诊断设备之一，广泛应用于高温稠密激光等离子体相关的各种研究中。X射线针孔相机通过对待测等离子体进行自发光成像，可以获得诸如激光焦斑形状、温度分布、尺寸、轮廓等信息，对于定性了解激光聚焦状态和等离子体状态具有重要意义。传统X射线针孔相机是基于小孔成像原理的，工作原理及光路如附图1所示。物上发出的光线经过针孔板上的针孔后进入针孔相机内部，透过滤片后被接收器记录。由于只有经过针孔的光能够进入针孔相机内部并且被接收器记录（其它的光被针孔板挡掉了），因此接收器上记录的是待测物倒立放大的像，并且具有较好的信噪比。激光打靶产生的高温稠密等离子体会产生很强的自发辐射，自发辐射包含了全波段的连续谱和一些特征分离谱。自发辐射，特别是X射线波段的自发辐射强烈的受等离子体温度、密度等因素影响，因此从X射线自发辐射的成像中可以获得等离子体的部分信息，进而给出激光聚焦情况、温度分布等情况的定性结果。传统X射线针孔相机尽管简单，在激光等离子体实验中实际应用效果良好，被广泛采用。随着超短超强激光技术的发展，激光辐照功率密度大幅提高，可以达到1018Wcm-2，甚至超过1020Wcm-2。在这些强激光的条件下，传统X射线针孔相机遇到了困难，不再有效。如图1所示，传统X射线针孔相机只有经过针孔的光能够进入针孔相机内部并且获得较高信噪比的成像，而其它的光都被针孔板挡掉了。但随着激光功率密度的增加，在打靶过程中，自发辐射中原本并不显著的高能g射线成分大幅增加。这些高能g射线对于材料具有很强的穿透能力，能够完全透过传统X射线针孔相机的针孔板、滤片、甚至金属外壳。如图2所示，从物上发出的X射线，仍然会按照传统X射线针孔相机小孔成像原理，在接收器形成倒立放大的像；但此时大量的高能g射线完全无视“针孔”的存在，直接透过针孔板、滤片进入接收器被记录。高能g射线由于是直接传播到接收器上，因此不会产生待测物的像，而只会形成均匀分布的背景噪声。当高能g射线足够强，背景噪声足够大，就会淹没掉X射线的小孔成像，从而使得传统X射线针孔相机完全失效。

技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于强激光条件下的X射线针孔相机及安装调节方法，本发明为可用于强激光条件下高温等离子体成像的掠入射X射线针孔相机，本发明的掠入射式X射线针孔相机在标准X射线针孔相机的基础上进行改进，有效地消除了强激光条件下超强g射线的影响，使得X射线针孔相机可以完好应用于强激光条件下高温稠密等离子体的成像。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于强激光条件下的X射线针孔相机，该针孔相机包括针孔板、针孔座外壳、前通光筒、掠入射镜室、后通光筒，底片室、底片盒、滤片框、滤片、底片、二维调节激光座、半导体激光器和二维调节架，在所述底片室的外侧固定设置二维调节激光座，在二维调节激光座上与底片室相对应的一侧安装半导体激光器，在二维调节激光座和底片室的光轴位置均开有供调节激光通过的通孔；所述二维调节激光座上包括调节激光方向的调节机构，该调节机构在结构上与标准二维反射镜架相同，可分别实现俯仰和左右两维转动调节功能；所述掠入射镜室包括镜室外壳、挡光铅板、掠入射镜和二维调节掠入射镜架，所述针孔座外壳、前通光筒、镜室外壳、后通光筒和底片室依次机械螺纹连接，挡光铅板用于光路的转移，用于遮挡从光源直接传播到滤片与底片的高能g射线，在小角度（掠入射角为1º或2º）掠入射时，能够保证X射线有效信号反射，而作为噪声的高能g射线不反射（全部透过），挡光铅板从上方插入掠入射镜室内，可以屏蔽大部分g射线，如果有必要，还可以方便的增加厚度，所述二维调节掠入射镜架上包括调节掠入射镜姿态的调节机构，该调节机构在结构上与标准二维反射镜架相同，包含固定板、活动板以及之间连接的两个弹簧、三个螺杆等，弹簧提供拉力，三个螺杆提供三点支撑，保证结构平衡，两个螺杆并排位于前方，一个螺杆位于后方一侧，通过调节外围的两个螺杆可分别实现掠入射镜的俯仰和左右翻动两维调节，同时调节三个螺杆进退还可以实现掠入射镜在前后方向上的少许移动；所述镜室外壳的下部固定在二维调节架上，该二维调节架设有实现二维转动调节功能的调节机构，该调节机构在结构上由两件传统的调节机构机械连接组合而成，一是一维倾斜台，二是旋转台，一维倾斜台倾斜调节方向对应前通光筒的轴向方向，安装连接在旋转台的可转动结构上，用于实现俯仰方向调节，旋转台用于实现水平方向的左右转动调节，所述掠入射镜的中心位于前通光筒和后通光筒轴线的交点上；针孔板上的针孔、针孔座外壳中心轴线、前通光筒中心轴线、掠入射镜中心位于同一条线上，掠入射镜中心、后通光筒中心轴线，底片室中心、二维调节激光座中心小孔位于同一条线上；该两条线之间夹角确定，根据需要设定为2º、4º等（分别对应掠入射角1º、2º的情况）；所述针孔板上设有用于小孔成像的针孔，所述底片位于底片盒中，滤片粘贴在滤片框上，然后粘贴好滤片的滤片框置于底片盒下部的空间中与底片叠合在一起组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室中，且滤片与底片的中心位置均位于后通光筒的光轴上。所述针孔的针孔尺寸为Φ为10-15μm；所述通孔的尺寸为Φ1mm。所述挡光铅板的下端距离掠入射镜的镜面为1.8-2.2mm。所述掠入射镜为在玻璃基板镜面上镀有金属膜。所述金属膜的厚度为28-35nm，保证X射线中较软的部分（主要是有效信号）反射，而作为噪声的高能g射线基本不反射（全部透过）。一种用于强激光条件下的X射线针孔相机的安装调节方法，该安装调节方法包括以下步骤：第一步，将针孔板、针孔座外壳、前通光筒、掠入射镜室、后通光筒，底片室、底片盒、滤片框、滤片、底片、二维调节激光座、二维调节架依次连接起来，组成完整针孔相机，将将所述底片置于底片盒中，将滤片粘贴在滤片框上，然后将粘贴好滤片的滤片框置于底片盒下部的空间中与底片叠合在一起组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室中，将滤片与底片的中心位置位于光轴上，将掠入射镜的中心置于前通光筒和后通光筒轴线的交点上；第二步，在第一步组成的完整针孔相机中取出底片盒、滤片框、滤片、底片，并将针孔板更换为F为200mm的调节用针孔板（调节用针孔板与针孔板结构相同，只是针孔尺寸增加为F200mm），在底片室外侧的二维调节激光座中安装半导体激光器；第三步，打开半导体激光器的电源，通过调节二维调节激光座，使激光依次穿过二维调节激光座和底片室的光轴位置开设的通孔，激光沿后通光孔的轴线出射，激光点打在掠入射镜的中心位置；第四步，调节二维调节掠入射镜架，使激光束依次通过前通光筒、针孔座外壳后从调节用针孔板的针孔穿出，关闭半导体激光器的电源；在此过程中，根据需要可能需要反复调节二维调节激光座（保证激光点打在掠入射镜中心位置）和二维调节掠入射镜架（调节掠入射镜的姿态及位置）；第五步，在靶位位置放置靶定位小球，在靶室内初步固定针孔相机，初步调整针孔相机到靶定位小球的距离；第六步，打开半导体激光器的电源，通过二维调节架调整相机的整体姿态，使从调节用针孔板的针孔出射的激光照射在靶定位小球上；第七步，拆下调节用针孔板更换为针孔板，安装底片盒、滤片框、滤片、底片，取出半导体激光器，完成X射线针孔相机的安装调节，测量针孔板到靶定位小球的距离，备用。与现有技术相比，本发明的有益效果为：①所需的X射线信号通过掠入射镜反射到记录底片，而高能g射线则不能被反射（几乎全部透过），同时挡光铅板又把从光源直接传播到记录底片的高能g射线挡掉，因此在底片上记录的是纯X信号光，能够实现针孔相机的实验诊断，同时提高了信噪比；②通过激光辅助调节，简化了调节步骤，增加了调节的精确度、节省了调整时间。附图说明以下参照附图对本发明作进一步说明，其中：图1为传统X射线针孔相机的工作原理。图2为强g射线使得传统X射线针孔相机失效的原理示意图。图3为本发明的结构示意图。图4为本发明中底片盒、滤片与底片的装配结构放大示意图。图5为图4的左视图。具体实施方式下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明用于强激光条件下的X射线针孔相机及安装调节方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成以及应用方式，但不能以此来限制本发明的保护范围。实施例1如图3、图4和图5所示，本实施例用于强激光条件下的X射线针孔相机，该针孔相机包括针孔板2、针孔座外壳3、前通光筒4、掠入射镜室、后通光筒7，底片室8、底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2、二维调节激光座11、半导体激光器12和二维调节架15，在所述底片室8的外侧固定设置二维调节激光座11，在二维调节激光座11上与底片室8相对应的一侧安装半导体激光器12，在二维调节激光座11和底片室8的光轴位置均开有供调节激光通过的通孔；掠入射镜室包括镜室外壳5、挡光铅板6、掠入射镜13和二维调节掠入射镜架14，所述针孔座外壳3、前通光筒4、镜室外壳5、后通光筒7和底片室8依次机械螺纹连接，所述镜室外壳5的下部固定在二维调节架15上，所述掠入射镜13的中心位于前通光筒4和后通光筒7轴线的交点上；针孔板2上设有用于小孔成像的针孔21；所述底片10-2位于底片盒9中，滤片10-1粘贴在滤片框10上，然后粘贴好滤片的滤片框置于底片盒9下部的空间中与底片10-2叠合在一起组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室8中，且滤片10-1与底片10-2的中心位置均位于后通光筒7的光轴上。本实施例采用的针孔21的针孔尺寸Φ为10μm、12μm、15μm或10-15μm中任一数值；所述通孔的尺寸Φ为1mm。作为优选，本实施例挡光铅板6的下端距离掠入射镜13的镜面为2.1mm。作为进一步优选，本实施例掠入射镜13为在玻璃基板镜面上镀金属膜，金属膜的厚度为28-35nm，并且根据具体的需要选择不同的金属膜，例如钼等金属。本实施例一种用于强激光条件下的X射线针孔相机的安装调节方法，该安装调节方法包括以下步骤：第一步，将针孔板2、针孔座外壳3、前通光筒4、掠入射镜室、后通光筒7，底片室8、底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2、二维调节激光座11、二维调节架15依次连接起来，组成完整针孔相机，将所述底片10-2置于底片盒9中，将滤片10-1粘贴在滤片框10上，然后将粘贴好滤片的滤片框置于底片盒9下部的空间中与底片10-2叠合在一起组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室8中，将滤片10-1和底片10-2的中心位置位于光轴上，将掠入射镜13的中心置于前通光筒4和后通光筒7轴线的交点上；第二步，在第一步组成的完整针孔相机中取出底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2，并将针孔板2更换为F为200mm的调节用针孔板，在底片室8外侧的二维调节激光座11中安装半导体激光器12；第三步，打开半导体激光器12的电源，通过调节二维调节激光座11，使激光依次穿过二维调节激光座11和底片室8的光轴位置开设的通孔，激光沿后通光孔7的轴线出射，激光点打在掠入射镜13的中心位置；第四步，调节二维调节掠入射镜架14，使激光束依次通过前通光筒4、针孔座外壳3后从调节用针孔板的针孔穿出，关闭半导体激光器12的电源；第五步，在靶位位置放置靶定位小球1，在靶室内初步固定针孔相机，初步调整针孔相机到靶定位小球的距离；第六步，打开半导体激光器12的电源，通过二维调节架15调整相机的整体姿态，使从调节用针孔板的针孔出射的激光照射在靶定位小球1上；第七步，拆下调节用针孔板更换为针孔板2，安装底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2，取出半导体激光器12，完成X射线针孔相机的安装调节，测量针孔板2到靶定位小球1的距离，备用。实施例2如图3、图4和图5所示，本实施例用于强激光条件下的X射线针孔相机，为了实现在强激光辐照高背景噪声条件下的高温等离子体X射线成像，该针孔相机包括针孔板2、针孔座外壳3、前通光筒4、掠入射镜室、后通光筒7，底片室8、底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2、二维调节激光座11、半导体激光器12和二维调节架15，在所述底片室8的外侧固定设置二维调节激光座11，在二维调节激光座11上与底片室8相对应的一侧安装半导体激光器12，在二维调节激光座11和底片室8的光轴位置均开有供调节激光通过的通孔；掠入射镜室包括镜室外壳5、挡光铅板6、掠入射镜13和二维调节掠入射镜架14，所述针孔座外壳3、前通光筒4、镜室外壳5、后通光筒7和底片室8依次机械螺纹连接，所述镜室外壳5的下部固定在二维调节架15上，所述掠入射镜13的中心位于前通光筒4和后通光筒7轴线的交点上；针孔板2上设有用于小孔成像的针孔21，所述底片10-2位于底片盒9中，滤片10-1粘贴在滤片框10上，然后粘贴好滤片的滤片框置于底片盒9下部的空间中与底片10-2叠合在一起组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室8中，且滤片10-1与底片10-2的中心位置均位于后通光筒7的光轴上。本实施例采用的针孔21的针孔尺寸Φ为10μm、12μm、15μm或10-15μm中任一数值；所述通孔的尺寸Φ为1mm。作为优选，本实施例挡光铅板6的下端距离掠入射镜13的镜面为2.0mm，在保证信号光通过掠入射镜13反射的条件下尽可能遮挡杂散噪声，挡光铅板6的厚度为10mm，可以屏蔽大部分g射线；挡光铅板6的尺寸为50m×50mm，能够有效的遮挡光源直接到底片的高能g射线。作为进一步优选，该掠入射镜13是在玻璃基板镜面上镀30nm厚的金属钼制作的，在小角度掠入射时，能够保证X射线中较软的部分（主要是有效信号）反射，而作为噪声的高能g射线基本不反射（全部透过）。本实施例一种用于强激光条件下的X射线针孔相机的安装调节方法，该安装调节方法包括以下步骤：第一步，将针孔板2、针孔座外壳3、前通光筒4、掠入射镜室、后通光筒7，底片室8、底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2、二维调节激光座11、二维调节架15依次连接起来，组成完整针孔相机，将将所述底片10-2置于底片盒9中，将滤片10-1粘贴在滤片框10上，然后将粘贴好滤片的滤片框置于底片盒9下部的空间中与底片10-2叠合在一起组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室8中，将滤片10-1和底片10-2的中心位置位于光轴上，将掠入射镜13的中心置于前通光筒4和后通光筒7轴线的交点上，该二维调节激光座11上包括调节激光方向的调节机构，该调节机构在结构上与标准二维反射镜架相同，可分别实现俯仰和左右两维转动调节功能，调节范围为±3º，由于机械部件已经保证激光出射位置在光轴上，因此调节量很小，仍然可以保证激光出射位置偏离光轴很小，这对于整个系统并无影响；第二步，在第一步组成的完整针孔相机中取出底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2，并将针孔板2更换为F为200mm的调节用针孔板，用于调节激光穿透（针孔相机标准针孔约F为15mm，调节激光几乎不能穿透），在底片室8外侧的二维调节激光座11中安装半导体激光器12，二维调节激光座11布置固定在针孔相机末端，用于调节半导体激光器12的指向，半导体激光器12的尺寸约是F为18mm，长度为40mm，其布置在二维调节激光座中，用作调整基准激光光源；第三步，打开半导体激光器12的电源，通过调节二维调节激光座11，使激光依次穿过二维调节激光座11和底片室8的光轴位置开设的通孔，激光沿后通光孔7的轴线出射，激光点打在掠入射镜13的中心位置；第四步，调节二维调节掠入射镜架14，使激光束依次通过前通光筒4、针孔座外壳3后从调节用针孔板的针孔穿出，关闭半导体激光器12的电源；在此过程中，可能需要反复调节二维调节激光座11（保证激光点打在掠入射镜13中心位置）、二维调节掠入射镜架14（调节掠入射镜13的姿态及位置）；第五步，在靶位位置放置靶定位小球1，在靶室内初步固定针孔相机，初步调整针孔相机到定位小球的距离；第六步，打开半导体激光器12的电源，通过二维调节架15调整相机的整体姿态，使从调节用针孔板的针孔出射的激光照射在靶定位小球1上；该二维调节架15设有实现二维转动调节功能的调节机构，该调节机构在结构上由两件传统的调节机构机械连接组合而成，包括一维倾斜台和旋转台，一维倾斜台倾斜调节方向对应前通光筒4的轴向方向，安装连接在旋转台的可转动结构上，用于实现俯仰方向调节，旋转台用于实现水平方向的左右转动调节，两维的调节范围均大于±3º；第七步，拆下调节用针孔板更换为针孔板2，安装底片盒9、滤片框10、滤片10-1、底片10-2、滤片和底片10，取出半导体激光器12，完成X射线针孔相机的安装调节，测量针孔板2到靶定位小球1的距离，备用。实验验证在高功率激光联合实验室的“神光Ⅱ”系列高功率激光装置的打靶实验中，采用本实施例的掠入射式X射线针孔相机进行实验验证。实验前按照上述调节方法和步骤进行安装调节，然后开展测量实验，同时利用传统X射线针孔相机作为比对。实验中，采用装置第九路发射的数皮秒数百焦耳的超短超强激光点聚焦辐照平面靶，利用X射线针孔对靶点等离子体的自发辐射进行测量。传统针孔相机受到很强的高能g射线影响，本底噪声非常高，几乎不能分辨等离子体的发光；而采用本实施例的掠入射式X射线针孔相机，靶点等离子体的成像非常清楚，并且本底噪声很低，图像很干净，表明本发明的实用效果很好。尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。