一种准单能X射线针孔相机及其安装调试方法与流程

本发明属于成像领域，具体涉及一种工作在数kev波段的高温等离子体x射线成像的准单能x射线针孔相机及其安装调试方法。

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射线针孔相机主要应用之一是监测激光与靶相互作用的区域(焦斑)形状、大小、均匀性等状态，在这一应用条件下，处于几个kev波段的x射线信号显得尤为重要。

在激光与靶相互作用的过程中，靶吸收激光能量变为等离子体，等离子体自发辐射放出包含x射线的电磁辐射。而几个kev波段的x射线信号是等离子体吸收激光能量的最佳表征：只有在激光辐照区域，等离子体吸收了足够的激光能量，达到一定的温度，才能辐射出几个kev波段的x射线(黑体辐射)。对于能量更低的自发光，则是在激光结束后，等离子体已经膨胀、温度已经下降后自发辐射出来的，此时对应的发光区域已不再是激光与靶相互作用的焦斑区域，而是要大得多；而对于能量更高，达到几十或上百kev的x射线发光，则主要是激光辐照靶后产生的超热电子与其他物质(包括靶、靶杆、支架等)作用产生的，此时测量到的发光区域同样不能反映激光与靶相互作用的焦斑。

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。传统x射线针孔相机是不分谱的，但是能够实现几个kev波段x射线的宽谱成像。待测等离子体自发辐射中能量较低的成分，会被选用的金属滤片衰减或遮挡。不同的金属滤片的衰减能力不同，通常截止在几kev。例如5微米的cu滤片可以很好的吸收能量小于约3kev以下的信号，而对3kev-10kev的信号衰减则比较小，如附图2。而如果在待测等离子体自发辐射中存在能量超过10kev的成分，会直接穿透针孔板基底，不能产生针孔成像；如果这部分成分比较多，将会造成传统x射线针孔相机的失效。因此传统针孔相机只适合用于待测等离子体自发辐射中能量超过10kev的成分较少，也就是激光辐照功率密度并不很高的条件下，此时能够获得几个kev波段的x射线针孔成像信号，给出相对合理的激光焦斑形态。

对于超强激光辐照产生的等离子体，自发辐射中能量超过10kev的成分很多，传统x射线针孔相机的失效。针对这一问题，已经发展出一种可用于强激光条件下的掠入射x射线针孔相机(《一种用于强激光条件下的x射线针孔相机及安装调节办法》，专利号：zl201610245864.9)，解决了x射线针孔相机的失效问题，但其中采用的是单层金属膜的掠入射镜，仍存在明显的不足。其一是x射线信号的范围。在高温稠密等离子体的物理研究中，处于几个kev波段的x射线信号非常重要，改进后的针孔相机可以很好的测量0.5kev-2.5kev的x射线信号，但对于能量更高的3kev-10kev的x射线信号则无能为力，并不能很好的满足物理实验研究的需求；其二，信号的谱宽。改进后的针孔相机的工作波段是0.5kev-2.5kev的宽谱x射线信号，如附图3。宽谱信号可能造成信噪比下降、图像模糊等问题，因此，对物理实验来说，单能或准单能的信号在物理信息的提取等方面具有明显的优势。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种准单能x射线针孔相机及其安装调试方法，本发明能够在3kev-10kev波段内实现准单能的x射线针孔成像。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种准单能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、前通光筒调节机构、掠入射镜室、后通光筒，底片室、接收组件、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；

所述掠入射镜室包括镜室外壳、挡光铅板、多层膜掠入射镜和三维调节掠入射镜架，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，所述镜室外壳的下部固定在二维调节架上，在所述镜室外壳上设有燕尾槽，所述前通光筒调节机构安装于燕尾槽中，所述多层膜掠入射镜的中心位于前通光筒和后通光筒轴线的交点上，所述接收组件之间贴合组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室中，且接收组件的中心位置位于后通光筒的光轴上。

所述针孔板上设有用于小孔成像的针孔。

所述多层膜掠入射镜为平面硅基板上镀制多层膜组成，所述多层膜由若干mo层和si层依次相间排列组成，其排列方式为mo层、si层交替分布依次排列，所述mo层和si层厚度一般相同，均位于3nm-10nm之间、所述多层膜的层数为70-80层。

多层膜掠入射镜外形为方形，宽20mm，长80mm。其中mo层和si层的厚度相同，具体数值由准单能x射线的中心能量确定。对于掠入射角为1°的情况，其反射曲线包括光子能量低于约2.5kev的低能连续谱和光子能量在5kev-10kev的准单能峰，如附图4所示。配合厚度5微米的cu滤片可以消衰减掉低能部分，只保留5kev-10kev的准单能峰，如附图5所示。对于不同的掠入射角，低能连续谱和准单能峰的位置会略有不同。

所述接收组件，包括压环、滤片、ip板和底片盒，所述压环、滤片、ip板和底片盒依次组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室中，且滤片和ip板的中心位置位于光轴上；所述滤片由厚度为微米量级的cu等金属薄膜组成，通常使用的是厚度5微米的cu薄膜滤片；所述ip板是一种由富士公司开发的用于记录x射线的感光设备，已广泛应用于等离子体探测、医疗拍片等领域。在本发明中使用的是型号为sr2025的ip板，感光面在正面，厚度约1mm，长度和宽度分别为30mm。

所述前通光筒调节机构为俯仰和旋转调节，调节范围为±3°，所述前通光筒调节机构为二维调节架，结构与标准二维透镜调整架相同，包括具有中心通光孔的固定板、具有中心通光孔的活动板以及之间连接的两个弹簧和三个螺杆，所述弹簧提供拉力，三个螺杆提供三点支撑，保证结构平衡。所述两个螺杆设置水平位置，另外一个螺杆位于其中一个螺杆的上方，两个弹簧分别位于两个螺杆之间。通过调节螺杆可实现固定板与活动板之间的俯仰和摆动两维调节。所述活动板中心通光孔为内螺纹结构，用于与前通光筒末端固定；所述固定板外侧为燕尾结构，用于与掠入射镜室的前封板快速安装。

所述前通光筒调节机构的后端设有燕尾块。

所述述镜室外壳为整个镜室的支撑结构，为方形结构，包括六块封板，其中前封板开有通光孔，在外侧设有燕尾槽，用于与前通光筒调节机构中固定板的燕尾块快速安装；所述镜室外壳的后封板开有通光孔并配有内螺纹，用于与后通光筒连接；所述镜室外壳的上封板开有槽状结构，用于插入挡光铅板；所述挡光铅板从镜室外壳上方插入掠入射镜室内。

所述三维调节掠入射镜架在一纬平动的调节范围为±15mm。

一种准单能x射线针孔相机的安装调试方法，该方法包括以下步骤：

第一步，将掠入射镜室、后通光筒，底片室、二维调节激光座、半导体激光器依次连接，所述掠入射镜室包括镜室外壳、挡光铅板、多层膜掠入射镜和三维调节掠入射镜架，其中多层膜掠入射镜表面中心点位于镜室外壳的前封板和后封板的通光孔的轴线交点上；

第二步，把所述第一步连接后的结构固定在平台上，打开半导体激光器电源，通过调节二维调节激光座使得激光穿过二维调节激光座和底片室的小孔，并使激光沿后通光筒的轴线出射，激光点打在掠入射镜室中的多层膜掠入射镜表面中心点上；

第三步，利用三维调节掠入射镜架中的平动调节，使得多层膜掠入射镜的位置后移，使得激光束完全从多层膜掠入射镜前通过，并经过掠入射镜室的前封板的通光孔穿出，垂直入射到1m-5m外的接收屏上，并作标记p点；

第四步，移回多层膜掠入射镜，使得激光束光点打在掠入射镜室中的多层膜掠入射镜表面中心位置上，测量接收屏上的接收点，标记为p1，p1与多层膜掠入射镜表面中心点的距离为l；根据所需的掠入射镜掠入射角度θ(如θ＝1°)计算反射光点的偏移距离s：s＝l*tan(2θ)，在接收屏上标记p1水平或竖直方向(水平或竖直取决于激光束的反射方向)距离s处的点，作标记q点；

第五步，调节三维调节掠入射镜架中的二维转动调节，使得激光束反射光点到达墙面标记q点；

第六步，将调节用针孔板(放置在针孔板的位置，与针孔板结构相同，只是针孔尺寸增加到φ200μm)、针孔座外壳、前通光筒、前通光筒调节机构依次连接起来，并通过燕尾槽安装到掠入射镜室的前封板燕尾槽结构中，锁紧固定；

第七步，调节前通光筒调节机构的二维转动，使得激光束通过前通光筒和针孔座外壳后从调节用针孔板穿出，关闭半导体激光器电源；

第八步，在靶点位置放置定位小球，在靶室内初步固定准单能x射线针孔相机，初步调整针孔到定位小球的距离；

第九步，打开半导体激光器光源，通过准单能x射线针孔相机下部的二维调整架来调整相机的整体姿态，使得针孔相机前端经过调节用针孔板出射的激光束照射在靶点定位小球上；

第十步，测量调节用针孔板到定位小球的距离，拆下调节用针孔板并更换上针孔板，安装接收组件，取出半导体激光器，完成准单能x射线针孔相机的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)、本发明设有前通光筒调节机构，用于调节前通光筒的姿态，同时可以改变针孔的位置；

2)、在掠入射镜室前端封板设置燕尾槽，用于快速安装前通光筒调节机构、前通光筒和针孔座外壳和针孔板；

3)、本发明中掠入射镜为多层膜掠入射镜，用于实现准单能的x射线反射，通过选择合适的多层膜掠入射镜和滤片，可以实现在3kev-10kev波段范围内的准单能x射线针孔成像；参考图5；

4)、本发明设置三维调节掠入射镜架，增加一维平动，用于在调节激光束时移开(后退)多层膜掠入射镜；

5)、本发明采用了全新的调节方法，用于保证多层膜掠入射镜入射角度的调节精度，通过激光辅助调节，简化了安装调节步骤。

本发明可同时适用于不存在和存在较强高能γ射线的强激光条件的实验。

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，下面将对实施例或现有技术描述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。

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5微米的cu滤片的x射线透过率曲线。

图3为单层金属膜掠入射镜对应的反射率曲线图。

图4为典型的多层膜掠入射镜对应的反射效率曲线图。

图5为典型的多层膜掠入射镜配合合适滤片得到的准单能反射效率曲线图。

图6为本发明的整体结构示意图。

图7为本发明接收组件的结构示意图。

图8为本发明掠入射角度精密调节过程中掠入射镜移开的状态图。

图9为本发明掠入射角度精密调节过程中掠入射镜返回的状态图。

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付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。

如图6-9所示，本实施例准单能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、前通光筒调节机构5、掠入射镜室、后通光筒8，底片室9、接收组件10、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9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9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9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，包含固定板、活动板以及之间连接的一个钢球、两个弹簧、两个螺杆等。弹簧提供拉力，钢球和两个螺杆三点支撑，保证结构平衡；一个螺杆在钢球上方，另一螺杆与钢球水平，在左右方向上，分别调节两个螺杆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(用于光路的转移)包括镜室外壳6、挡光铅板7、多层膜掠入射镜13和三维调节掠入射镜架14，所述针孔座外壳3、前通光筒4、镜室外壳6、后通光筒8和底片室9依次机械螺纹连接，所述三维调节掠入射镜架上包括调节掠入射镜姿态的二维调节机构和一维平动机构，

所述镜室外壳6的下部固定在二维调节架15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，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±3°)，在所述镜室外壳6上设有燕尾槽61，所述前通光筒调节机构5安装于燕尾槽61中，所述多层膜掠入射镜13的中心位于前通光筒4和后通光筒8轴线的交点上，所述接收组件10之间贴合组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室9中，且接收组件10的中心位置位于后通光筒8的光轴上。

作为优选，本实施例所述针孔板2上设有用于小孔成像的针孔，该针孔尺寸为φ10-15μm，所述二维调节激光座和底片室上开的小孔直径均为1mm，二维调节激光座布置固定在针孔相机末端，用于调节半导体激光器的指向，前端有φ1mm小孔，供激光出射。

作为进一步优选，本实施例所述多层膜掠入射镜13为平面硅基板上镀制多层膜组成，所述多层膜由若干mo层和si层依次排列组成，其排列方式为mo层、si层交替分布依次排列，所述mo层和si层厚度一般相同，均位于3nm-10nm之间、所述多层膜的层数为70-80层。

作为进一步优选，本实施例多层膜掠入射镜13外形为方形，宽20mm，长80mm。对于掠入射角为1°的情况，其反射曲线包括光子能量低于约2.5kev的低能连续谱和光子能量在5kev-10kev的准单能峰，如附图4所示。配合厚度5微米的cu滤片可以消衰减掉低能部分，只保留5kev-10kev的准单能峰，如附图5所示。其中单能峰的位置与mo层和si层的厚度以及掠入射角度有直接的关系，作为优选，如果采用1°的掠入射角，当mo层和si层的膜层厚度为3.7nm时，对应单能峰能量为10kev；当mo层和si层的膜层厚度为5.5nm时，对应单能峰能量为7kev；当mo层和si层的膜层厚度为8.0nm时，对应单能峰能量为5kev。而当选择不同的掠入射角时，对应关系会有所不同，例如对于2°的掠入射角，当mo层和si层的膜层厚度为3.6nm时，对应单能峰能量为5kev；当mo层和si层的膜层厚度为6.0nm时，对应单能峰能量为3kev。因此，通过选择不同的掠入射角与mo层和si层的膜层厚度，可以实现3kev-10kev的准单能测量。

作为进一步优选，本实施例所述接收组件，包括压环101、滤片102、ip板103和底片盒104。所述压环、滤片、ip板和底片盒依次组成一个整体结构，该整体结构插入至底片室9中，且滤片和ip板的中心位置位于光轴上；所述滤片由厚度为微米量级的cu等金属薄膜组成，通常使用的是厚度5微米的cu薄膜滤片；所述ip板是一种由富士公司开发的用于记录x射线的感光设备，已广泛应用于等离子体探测、医疗拍片等领域。在本发明中使用的是型号为sr2025的ip板，感光面在正面，厚度约1mm，长度和宽度分别为30mm。

作为进一步优选，本实施例所述前通光筒调节机构5为俯仰和旋转调节，调节范围为±3°(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)，所述前通光筒调节机构5为二维调节架，结构与标准二维透镜调整架相同，包括具有中心通光孔的固定板、具有中心通光孔的活动板以及之间连接的两个弹簧和三个螺杆，所述弹簧提供拉力，三个螺杆提供三点支撑，保证结构平衡。所述两个螺杆设置水平位置，另外一个螺杆位于其中一个螺杆的上方，两个弹簧分别位于两个螺杆之间。通过调节螺杆可实现固定板与活动板之间的俯仰和摆动两维调节。所述活动板中心通光孔为内螺纹结构，用于与前通光筒末端固定；所述固定板外侧为燕尾结构，用于与掠入射镜室的前封板快速安装。

作为进一步优选，本实施例所述前通光筒调节机构5的后端设有燕尾块51。

作为进一步优选，本实施例所述述镜室外壳6为整个镜室的支撑结构，为方形结构，包括六块封板，其中前封板开有通光孔，在外侧设有燕尾槽61，用于与前通光筒调节机构5中固定板的燕尾块51快速安装；所述镜室外壳6的后封板开有通光孔并配有内螺纹，用于与后通光筒8连接；所述镜室外壳6的上封板开有槽状结构，用于插入挡光铅板7；所述挡光铅板从镜室外壳6上方插入掠入射镜室内，挡光铅板下端距离掠入射镜镜面约2mm，在保证信号光通过多层膜掠入射镜反射的条件下尽可能遮挡杂散噪声。挡光铅板7厚度约10mm，可以屏蔽大部分γ射线；尺寸约50m×50mm，能够有效的遮挡光源直接到底片的高能γ射线，如果有必要，还可以方便的增加挡光铅板厚度。

作为进一步优选，本实施例所述三维调节掠入射镜架14在一纬平动的调节范围为±15mm。所述三维调节掠入射镜架14上包括调节掠入射镜姿态的二维调节机构和一维平动机构；其中二维调节机构在结构(与前通光筒调节机构相同)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，通过调节两个螺杆可分别实现多层膜掠入射镜的俯仰和左右翻动两维调节，调节范围均约±3°；所述一维平动机构为一维升降台，可现实现多层膜掠入射镜前后的较大范围的一维调节，用于在光路调节时向后移开多层膜掠入射镜，移动调节范围±15mm。

本实施例准单能x射线针孔相机的安装调试方法，该方法包括以下步骤：

第一步，将掠入射镜室、后通光筒8，底片室9、二维调节激光座11、半导体激光器12依次连接，所述掠入射镜室包括镜室外壳6、挡光铅板7、多层膜掠入射镜13和三维调节掠入射镜架14，其中多层膜掠入射镜13表面中心点位于镜室外壳6的前封板和后封板的通光孔的轴线交点上；

第二步，把所述第一步连接后的结构固定在平台上，打开半导体激光器12电源，通过调节二维调节激光座11使得激光穿过二维调节激光座11和底片室9的小孔，并使激光沿后通光筒8的轴线出射，激光点打在掠入射镜室中的多层膜掠入射镜13表面中心点上；

第三步，利用三维调节掠入射镜架14中的平动调节，使得多层膜掠入射镜13的位置后移，使得激光束完全从多层膜掠入射镜13前通过，并经过掠入射镜室的前封板的通光孔穿出，垂直入射到1m-5m外的接收屏16或墙面上，并作标记p点；

第四步，移回多层膜掠入射镜13，使得激光束光点打在掠入射镜室中的多层膜掠入射镜13表面中心位置上，测量接收屏16上的接收点，标记为p1，p1与多层膜掠入射镜13表面中心点的距离为l；根据所需的掠入射镜掠入射角度θ(如θ＝1°)计算反射光点的偏移距离s：s＝l*tan(2θ)，在接收屏16上标记p1水平或竖直方向(水平或竖直取决于激光束的反射方向)距离s处的点，作标记q点；

第五步，调节三维调节掠入射镜架14中的二维转动调节，使得激光束反射光点到达墙面标记q点；

第六步，将调节用针孔板(与针孔板2结构相同，只是针孔尺寸增加到φ200μm，用于调节激光穿透，针孔相机标准针孔约φ15μm，调节激光几乎不能穿透)针孔座外壳3、前通光筒4、前通光筒调节机构5依次连接起来，并通过燕尾槽61安装到掠入射镜室的前封板燕尾槽结构中，锁紧固定；

第七步，调节前通光筒调节机构5的二维转动，使得激光束通过前通光筒4和针孔座外壳3后从调节用针孔板穿出，关闭半导体激光器12电源，半导体激光器12尺寸约φ18mm，长度40mm，其布置在二维调节激光座中，用作调整基准激光光源；

第八步，在靶点位置放置定位小球1，在靶室内初步固定准单能x射线针孔相机，初步调整针孔到定位小球1的距离；

第九步，打开半导体激光器12光源，通过准单能x射线针孔相机下部的二维调整架15(其布置在针孔相机下方，用于调节针孔相机整体姿态)来调整相机的整体姿态，使得针孔相机前端经过调节用针孔板出射的激光束照射在靶点定位小球1上；

第十步，测量调节用针孔板到定位小球1的距离，拆下调节用针孔板并更换上针孔板2，安装接收组件10，取出半导体激光器12，完成准单能x射线针孔相机的调节。

尽管上述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，应该理解为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。