一种同步辐射X射线的高速快门系统

本发明属于一种机械快门装置，特别涉及一种同步辐射x射线的高速快门系统及其使用方法，以对光束线进行微秒量级且速度可调的单次快门开合。

背景技术：

1、同步辐射x射线成像因入射x光具有高通量、高准直等特点为x射线超快过程的成像提供了十分优质的x射线光源。但高通量的x射线也带来了巨大的热效应，因此需要在x光束线上加入x射线快门，用来控制通光时间以降低样品和探测器上的热负载，保护成像设备以免遭受辐射损伤。在普通的x射线快速成像技术中,快门的速度达到了毫秒量级,已经满足成像设备以及样品对通光时间的设计要求。然而在超高速瞬态x射线成像中，要求x射线成像探测器记录微秒甚至皮秒时间尺度的瞬态光场信息,从而要求入射的x射线束具有更高的光子通量。这便要求x射线快门可以实现x光开关的时间从毫秒降到微秒量级，以进一步降低样品和探测器上的热负载。微秒快门目的是实现微秒时间尺度上的x射线通断控制，为微秒级x射线成像提供成像技术基础。

2、尽管在激光的应用技术中有类似的快门技术，如开关时间达毫微秒的电-光效应开关、饱和染料吸收体开关、旋转反光镜开关和斩波器等,但这些开关仅仅适用于某些特定的领域,不但技术难度大、有衰减，而且开关时间无法自由调节，不能满足x射线超快成像探测的时间控制要求。

3、现有的x射线毫秒快门采用高速开关电磁铁带动水冷铜块插入或退出光路来实现毫秒快门的开启和关闭，无法实现微秒级的通断响应。

4、专利“提高金属箔快开快门速度的方法(cn87100881)”中公开了一种用外加磁场来提高金属箔快门速度的方法。采用两个线圈通以脉冲大电流来产生外加磁场，来驱动放置于两线圈中间金属箔快门。由此，快门的开门速度可从每微秒0.12～0.21毫米提高到每微秒0.7毫米，但金属箔无法阻挡高通量高能量的白光x射线。

5、专利“一种x射线快门控制系统及方法、控制装置和应用(cn110680354a)”公开了一种x射线快门控制系统，利用电机驱动有孔转盘稳定转动，x射线被转盘截止但可以从孔中透射，从而形成指定频率下的x射线周期性输出信号。实现了高功率、稳定、频率可调、长时曝光的x射线周期信号输出，可用于x线激发光遗传学或x线激发光学成像。但该专利难以实现单次、微秒级的快门开合。

6、专利“微秒可调高速机械快门(cn1438552)”公开了一种微秒可调高速机械快门，相比于专利cn110680354a，其特点在于在一轮座上水平地安装由两个马达分别驱动的两个开孔转动飞轮。两个飞轮通过不同转速差实现通光的脉冲时间和周期大小的调节。其后的光路上还置有一个普通毫秒级的机械快门用于控制单个x光脉冲通过。该发明虽然实现了微秒级单脉冲的快门开合，但需要普通的毫秒快门和周期性的微秒快门联用才能实现，装置相对复杂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种同步辐射x射线的高速快门系统，以实现微秒级且速度可调的单次快门开合，从而实现x射线超快成像中的各种瞬态和快速过程的曝光时间控制。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种同步辐射x射线的高速快门系统，其硬件部分包括两个振镜偏转装置以及与两个振镜偏转装置同时连接的信号发生器，每个振镜偏转装置包括振镜驱动器、振镜电机和两块平行四边形的挡光块，两块挡光块对称安装在振镜电机的转轴的末端端面上的轴心两侧；

3、所述信号发生器设置为向每个振镜偏转装置发送触发信号，所述触发信号均包括方波脉冲，且两个振镜偏转装置的方波脉冲的上升沿和下降沿在时间上前后交错；所述振镜驱动器设置为输出与所述触发信号具有相同的时序结构的驱动电压，使得驱动电压具有上升沿和下降沿；所述振镜电机设置为在收到驱动电压后使其转轴旋转与所述驱动电压对应的角度，以在驱动电压的上升沿和下降沿实现挡光块在通光状态和挡光状态之间的切换。

4、所述振镜驱动器在接收到该触发信号的方波信号的上升沿时驱动电压达到驱动电压的最大值，在接收到该触发信号的方波信号的下降沿时驱动电压为0，使得驱动电压具有上升沿和下降沿。

5、所述振镜电机在驱动电压是0v时其转轴处于初始状态，使得挡光块挡在光路中以处于挡光状态；在驱动电压是驱动电压的最大值时，使得其转轴转动最大转轴旋转角度，使得挡光块离开光路以处于通光状态。

6、所述驱动电压的最大值是固定值且对应于振镜电机的最大转轴旋转角度，最大转轴旋转角度与所述挡光块的锐角夹角相等。

7、所述挡光块的形状为平行四边形，当其处于挡光状态时，其中一对相互平行的边与入射x射线光路平行，当其处于通光状态时，其中的另一对相互平行的边与入射x射线光路平行。

8、所述挡光块处于挡光状态时，其沿x射线光束方向的设计厚度由x射线的光子能量决定，以保证其在挡光状态时能够将入射x射线完全吸收；所述挡光块处于通光状态时，两个挡光块的质心间距能够使得所需光斑大小的x射线通过。

9、所述挡光块的材质是钨或者碳化钨，所述挡光块通过焊接安装在振镜电机的转轴末端的端面上。

10、所述信号发生器向第一个振镜偏转装置和第二个振镜偏转装置分别发送第一触发信号和第二触发信号，第一触发信号的方波开始时刻为t1，方波结束时刻为t2，第二触发信号的方波开始时刻为t3，方波结束时刻为t4，t2-t3的值为微秒级。

11、还包括实验物理和工业控制系统，所述实验物理和工业控制系统设置为向信号发生器发出控制指令，所述控制指令包括第一触发信号的方波开始时刻t1、方波结束时刻t2以及第二触发信号的方波开始时刻t3、方波结束时刻t4。

12、所述硬件部分还包括温度传感器，所述温度传感器设置为获取每个挡光块的表面的温度信号，并将其发送至一安全联锁系统，以在温度信号大于设定的安全值时，触发同步辐射光束线的通光光闸安全联锁功能；

13、所述实验物理和工业控制系统还设置为接收来自硬件部分的反馈信号，反馈信号包括来自于温度传感器的温度信号和来自于振镜驱动器的驱动电压。

14、本发明的一种同步辐射x射线的快门系统在以下两个方面具有优势：

15、其一，本发明的同步辐射x射线的快门系统可以实现单次的、微秒级、时间可调的快门响应。本发明的机械快门是一种单次的x射线选通装置而非周期性的选通快门，因此，无需叠加其他毫秒级快门在周期性的选通信号中截取其中的某一个。虽然单个振镜的开合响应时间在百微秒级，但是通过两个振镜的级联的方式，可以实现微秒级且速度可调的单次快门开合，从而实现x射线超快成像中的各种瞬态和快速过程的曝光时间控制。整个快门系统装置简单，控制方式直观易懂。

16、其二，本发明的同步辐射x射线的快门系统通过温度感应器监控振镜表面温度，并与同步辐射光束线的通光光闸实现安全联锁，可在快门系统热负载超出设定值时断开x射线通光光闸，进一步保护设备，增加了成像系统稳定性。

技术特征：

1.一种同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，其硬件部分包括两个振镜偏转装置以及与两个振镜偏转装置同时连接的信号发生器，每个振镜偏转装置包括振镜驱动器、振镜电机和两块平行四边形的挡光块，两块挡光块对称安装在振镜电机的转轴的末端端面上的轴心两侧；

2.根据权利要求1所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述振镜驱动器在接收到该触发信号的方波信号的上升沿时驱动电压达到驱动电压的最大值，在接收到该触发信号的方波信号的下降沿时驱动电压为0，使得驱动电压具有上升沿和下降沿。

3.根据权利要求2所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述振镜电机在驱动电压是0v时其转轴处于初始状态，使得挡光块挡在光路中以处于挡光状态；在驱动电压是驱动电压的最大值时，使得其转轴转动最大转轴旋转角度，使得挡光块离开光路以处于通光状态。

4.根据权利要求3所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述驱动电压的最大值是固定值且对应于振镜电机的最大转轴旋转角度，最大转轴旋转角度与所述平行四边形的挡光块的锐角夹角相等。

5.根据权利要求1所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述挡光块的形状为平行四边形，当其处于挡光状态时，其中一对相互平行的边与入射x射线光路平行，当其处于通光状态时，其中的另一对相互平行的边与入射x射线光路平行。

6.根据权利要求5所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述挡光块处于挡光状态时，其沿x射线光束方向的设计厚度由x射线的光子能量决定，以保证其在挡光状态时能够将入射x射线完全吸收；所述挡光块处于通光状态时，两个挡光块的质心间距能够使得所需光斑大小的x射线通过。

7.根据权利要求1所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述挡光块的材质是钨或者碳化钨，所述挡光块通过焊接安装在振镜电机的转轴末端的端面上。

8.根据权利要求1所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述信号发生器向第一个振镜偏转装置和第二个振镜偏转装置分别发送第一触发信号和第二触发信号，第一触发信号的方波开始时刻为t1，方波结束时刻为t2，第二触发信号的方波开始时刻为t3，方波结束时刻为t4，t2-t3的值为微秒级。

9.根据权利要求8所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，还包括实验物理和工业控制系统，所述实验物理和工业控制系统设置为向信号发生器发出控制指令，所述控制指令包括第一触发信号的方波开始时刻t1、方波结束时刻t2以及第二触发信号的方波开始时刻t3、方波结束时刻t4。

10.根据权利要求9所述的同步辐射x射线的高速快门系统，其特征在于，所述硬件部分还包括温度传感器，所述温度传感器设置为获取每个挡光块的表面的温度信号，并将其发送至一安全联锁系统，以在温度信号大于设定的安全值时，触发同步辐射光束线的通光光闸安全联锁功能；

技术总结
本发明提供一种同步辐射X射线的高速快门系统，包括两个振镜偏转装置以及与两个振镜偏转装置连接的信号发生器，每个振镜偏转装置包括振镜驱动器、振镜电机和两块平行四边形的挡光块，两块挡光块对称安装在振镜电机的转轴的末端端面上的轴心两侧；信号发生器向每个振镜偏转装置发送包括方波脉冲的触发信号，两个振镜偏转装置的方波脉冲的上升沿和下降沿在时间上前后交错；振镜驱动器输出与所述触发信号具有相同的时序结构的驱动电压；所述振镜电机在驱动电压的上升沿和下降沿实现挡光块在通光状态和挡光状态之间的切换。本发明的高速快门系统实现微秒级且速度可调的单次快门开合，从而实现X射线超快成像中的各种瞬态和快速过程的曝光时间控制。

技术研发人员：王飞翔,谢红兰,杜国浩,邓彪,薛艳玲,李可
受保护的技术使用者：中国科学院上海应用物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15