X射线成像探测器

本发明涉及x射线成像探测设备领域，更具体地涉及一种x射线成像探测器。

背景技术：

1、同步辐射光源产生的x射线单脉冲的脉冲宽度在百皮秒量级，而现有的最先进的门控相机的最短曝光时间也高达几个纳秒，因此x射线单脉冲成像方法非常适合用于超快实验过程的原位探测，例如冲击加载、燃油喷雾、爆炸动力学等。但同步辐射x射线单脉冲光源的几项特性对成像探测器的设计提出了新的挑战：1、x射线单脉冲的光子通量即每秒通过的光子数非常大，以上海光源快速成像线站为例，光子通量约为10^16光子数每秒量级，因此探测器的热负载和辐射损伤非常严重；2、一个脉冲中包含的光子数却十分有限，仅有约10^8个光子，要求探测器具有很高的探测效率和弱信号探测能力。此外，用户对实验体系内微观结构的观察和捕捉要求探测器具有微米级别空间分辨率。

2、现有的x射线成像探测器在硬x射线光能区通常采用间接式成像探测器对物体成像，需要使用闪烁晶体将x射线转换成可见光，再通过光学元件将可见光耦合到可见光成像探测器上进行探测。耦合方式目前主要有光纤耦合和透镜耦合两种方式。光纤耦合型的x射线成像探测器的空间分辨率为十几微米，无法适用于快速成像线站(例如上海光源快速成像线站)。透镜耦合型的x射线成像探测器利用光学显微透镜对样品细微结构的放大作用，可实现微米乃至亚微米的空间分辨率，是目前同步辐射x射线显微成像最受用户欢迎、使用频率最高的x射线成像探测器，然而一方面这类探测器光学显微透镜系统的耦合效率低下，只有5％左右，导致探测器的光子利用效率很低。

3、美国先进光子源advancedphotonsource(aps)采用了透镜耦合探测器加上带有像增强器的可见光相机的x射线单脉冲超快探测器，利用像增强器对可见光信号的放大作用，提升了探测器的整体探测效率。但由于像增强器相机本身特性无法在短时间之内连续拍摄多张图(时间间隔在毫秒级)，而通常的超快加载过程时间尺度在微秒级，因此这种探测器在此加载过程中期间只能采集一张单脉冲图像。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种x射线成像探测器，以实现x射线单脉冲的快速双幅连续成像。

2、基于上述目的，本发明提供一种x射线成像探测器，包括基座和设于所述基座上的至少一个镜头、第一反射镜、分光镜、第一像增强器相机和第二像增强器相机，所述镜头用于将入射的x射线转化为可见光并使可见光聚焦至所述第一反射镜，所述第一反射镜用于将可见光反射至所述分光镜，所述分光镜用于将可见光分为第一路光和第二路光，所述第一像增强器相机接收所述第一路光并成像，所述第二像增强器相机接收所述第二路光并成像；所述第一像增强器相机和所述第二像增强器相机设置为被交替触发而分别对两相邻脉冲的x射线进行成像。

3、进一步地，所述镜头沿z向设置，所述x射线沿x向入射至所述镜头，所述镜头将所述x射线转化为可见光并使可见光沿z向传输至所述第一反射镜，所述第一反射镜位于所述镜头的上方，并将沿z向传输的可见光反射为沿x向传输，所述分光镜位于所述第一反射镜的x向下游，所述第一路光沿x向传输，所述第二路光沿y向传输，所述第一像增强器相机位于所述分光镜的x向下游，所述第二像增强器相机位于所述分光镜的y向下游。

4、进一步地，至少一个镜头包括多个具有不同放大倍率的镜头，所述基座上设有第一位移台，多个镜头设于所述第一位移台上，所述第一位移台用于使多个镜头相对于所述第一反射镜移动，以使多个镜头中的任意一个对准所述第一反射镜。

5、进一步地，每个镜头均包括镜筒、显微透镜组、闪烁晶体、闪烁晶体底座和第二反射镜，所述镜筒内部中空且具有底端开口和顶端开口，所述显微透镜组、所述闪烁晶体、所述闪烁晶体底座和所述第二反射镜均位于所述镜筒的内腔中，所述显微透镜组封闭所述镜筒的顶端开口，所述闪烁晶体底座封闭所述镜筒的底端开口，所述闪烁晶体底座上设有开孔，所述闪烁晶体固定在所述开孔内，所述第二反射镜位于所述闪烁晶体和所述显微透镜组之间。

6、进一步地，所述第二反射镜和所述显微透镜组之间设有铅玻璃，以防止x射线照射在所述显微透镜组上。

7、进一步地，所述闪烁晶体的厚度等于所述显微透镜组的景深。

8、进一步地，所述显微透镜组包括多个沿z向依次设置且同轴的透镜。

9、进一步地，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为平面反射镜且与xy平面的夹角为45°，所述第一反射镜与所述第二反射镜平行；所述第一反射镜的反射面和所述第二反射镜的反射面相对。

10、进一步地，所述基座上设有第一调焦平移台，所述第一调焦平移台上设有第一弧摆台，所述第一像增强器相机设于所述第一弧摆台上，所述第一弧摆台用于使所述第一像增强器相机绕x向转动，所述第一调焦平移台用于使所述第一像增强器相机沿x向移动；所述基座上还设有第二调焦平移台，所述第二调焦平移台上设有第二弧摆台，所述第二像增强器相机设于所述第二弧摆台上，所述第二弧摆台用于使所述第二像增强器相机绕y轴转动，所述第二调焦平移台用于使所述第二像增强器相机沿y向移动。

11、进一步地，x射线成像探测器还包括用于遮光的第一外壳和第二外壳，所述第一反射镜位于所述第一外壳内，所述分光镜位于所述第二外壳内；所述第一反射镜和所述分光镜之间、所述分光镜与所述第一像增强器相机之间以及所述分光镜与所述第二像增强器相机之间均通过遮光管道相连；

12、所述基座上设有支架，所述第一反射镜、所述分光镜、所述第一调焦平移台和所述第二调焦平移台均固定在所述支架上。

13、本发明的x射线成像探测器，通过分光镜将由x射线转化的可见光束分为第一路光和第二路光，并通过第一像增强器相机和第二像增强器相机分别对两路光进行成像，从而先后对相邻两个x射线单脉冲成像，实现超快单脉冲x射线的双幅连续成像，观察到研究对象百纳秒到微秒时间间隔前后的状态变化；采用像增强器相机作为可见光探测器，相对于传统的高速可见光cmos相机，具有更高的灵敏度和更短的曝光时间，适合捕捉单脉冲x射线；通过多个可移动的镜头，可实现成像空间分辨率的在线调节，以满足不同视场大小和空间分辨率的要求；第一反射镜使可见光束发生90°偏转，可以使下游的分光镜、两台像增强器相机、两调焦平移台和两弧摆台的安装方式从垂直变成水平，大幅降低设备的安装难度和探测器的整体重心，从而提升探测器整体的安全系数；第二反射镜使可见光束发生90°偏转，可以使显微透镜组与x射线不共轴，避免直通的x射线入射在显微透镜组上，从而耐辐射并且耐高热负载，解决玻璃物镜在x射线下变色造成效率下降的问题，并保护光学元件保持面型精度，避免分辨率下降，可以用在高功率密度的x射线成像探测领域；显微透镜组前设有铅玻璃，避免辐射损伤导致的显微透镜组黑化现象；采用优化设计的大数值孔径的显微透镜组，显著提升了其耦合效率进而提高了探测器的整体探测效率。

技术特征：

1.一种x射线成像探测器，其特征在于，包括基座和设于所述基座上的至少一个镜头、第一反射镜、分光镜、第一像增强器相机和第二像增强器相机，所述镜头用于将入射的x射线转化为可见光并使可见光聚焦至所述第一反射镜，所述第一反射镜用于将可见光反射至所述分光镜，所述分光镜用于将可见光分为第一路光和第二路光，所述第一像增强器相机接收所述第一路光并成像，所述第二像增强器相机接收所述第二路光并成像；所述第一像增强器相机和所述第二像增强器相机设置为被交替触发而分别对两相邻脉冲的x射线进行成像。

2.根据权利要求1所述的x射线成像探测器，其特征在于，所述镜头沿z向设置，所述x射线沿x向入射至所述镜头，所述镜头将所述x射线转化为可见光并使可见光沿z向传输至所述第一反射镜，所述第一反射镜位于所述镜头的上方，并将沿z向传输的可见光反射为沿x向传输，所述分光镜位于所述第一反射镜的x向下游，所述第一路光沿x向传输，所述第二路光沿y向传输，所述第一像增强器相机位于所述分光镜的x向下游，所述第二像增强器相机位于所述分光镜的y向下游。

3.根据权利要求1所述的x射线成像探测器，其特征在于，至少一个镜头包括多个具有不同放大倍率的镜头，所述基座上设有第一位移台，多个镜头设于所述第一位移台上，所述第一位移台用于使多个镜头相对于所述第一反射镜移动，以使多个镜头中的任意一个对准所述第一反射镜。

4.根据权利要求1所述的x射线成像探测器，其特征在于，每个镜头均包括镜筒、显微透镜组、闪烁晶体、闪烁晶体底座和第二反射镜，所述镜筒内部中空且具有底端开口和顶端开口，所述显微透镜组、所述闪烁晶体、所述闪烁晶体底座和所述第二反射镜均位于所述镜筒的内腔中，所述显微透镜组封闭所述镜筒的顶端开口，所述闪烁晶体底座封闭所述镜筒的底端开口，所述闪烁晶体底座上设有开孔，所述闪烁晶体固定在所述开孔内，所述第二反射镜位于所述闪烁晶体和所述显微透镜组之间。

5.根据权利要求4所述的x射线成像探测器，其特征在于，所述第二反射镜和所述显微透镜组之间设有铅玻璃，以防止x射线照射在所述显微透镜组上。

6.根据权利要求4所述的x射线成像探测器，其特征在于，所述闪烁晶体的厚度等于所述显微透镜组的景深。

7.根据权利要求4所述的x射线成像探测器，其特征在于，所述显微透镜组包括多个沿z向依次设置且同轴的透镜。

8.根据权利要求4所述的x射线成像探测器，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为平面反射镜且与xy平面的夹角为45°，所述第一反射镜与所述第二反射镜平行；所述第一反射镜的反射面和所述第二反射镜的反射面相对。

9.根据权利要求2所述的x射线成像探测器，其特征在于，所述基座上设有第一调焦平移台，所述第一调焦平移台上设有第一弧摆台，所述第一像增强器相机设于所述第一弧摆台上，所述第一弧摆台用于使所述第一像增强器相机绕x向转动，所述第一调焦平移台用于使所述第一像增强器相机沿x向移动；所述基座上还设有第二调焦平移台，所述第二调焦平移台上设有第二弧摆台，所述第二像增强器相机设于所述第二弧摆台上，所述第二弧摆台用于使所述第二像增强器相机绕y轴转动，所述第二调焦平移台用于使所述第二像增强器相机沿y向移动。

10.根据权利要求9所述的x射线成像探测器，其特征在于，还包括用于遮光的第一外壳和第二外壳，所述第一反射镜位于所述第一外壳内，所述分光镜位于所述第二外壳内；所述第一反射镜和所述分光镜之间、所述分光镜与所述第一像增强器相机之间以及所述分光镜与所述第二像增强器相机之间均通过遮光管道相连；

技术总结
本发明涉及一种X射线成像探测器，包括基座和设于基座上的至少一个镜头、第一反射镜、分光镜、第一像增强器相机和第二像增强器相机，镜头用于将入射的X射线转化为可见光并使可见光聚焦至第一反射镜，第一反射镜用于将可见光反射至分光镜，分光镜用于将可见光分为第一路光和第二路光，第一像增强器相机接收第一路光并成像，第二像增强器相机接收第二路光并成像；第一像增强器相机和第二像增强器相机设置为被交替触发而分别对两相邻脉冲的X射线进行成像。本发明的X射线成像探测器，通过两像增强器相机先后对相邻两个X射线单脉冲成像，从而实现超快单脉冲X射线的双幅连续成像。

技术研发人员：李可,谢红兰,王飞翔,付亚楠,邓彪
受保护的技术使用者：中国科学院上海高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21