一種用于Z 箍縮實(shí)驗(yàn)的軟X 射線成像系統(tǒng)

周少彤 任曉東 黃顯賓 徐強(qiáng)

(中國工程物理研究院流體物理研究所, 脈沖功率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 綿陽 621999)

基于塑料閃爍體轉(zhuǎn)換和光學(xué)條紋相機(jī)的方法建立了一套用于Z 箍縮實(shí)驗(yàn)中的軟X 射線條紋圖像診斷系統(tǒng), 解決了以往實(shí)驗(yàn)中使用的X 射線條紋相機(jī)易被電磁環(huán)境干擾以及相機(jī)電極部件易被實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的高速粒子損傷的問題.診斷系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍主要集中在0.2—10 keV, 系統(tǒng)的空間分辨率經(jīng)過理論評(píng)估小于120 μm, 通過標(biāo)定閃爍體對(duì)X 射線的時(shí)間響應(yīng)特性給出了系統(tǒng)的時(shí)間分辨率約為1 ns.診斷系統(tǒng)拍攝到了鋁絲陣內(nèi)爆等離子體的一維空間和時(shí)間分辨的X 射線條紋圖像, 給出了等離子體的內(nèi)爆一致性和輻射均勻性等特征信息.

1 引 言

Z 箍縮技術(shù)是目前在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生強(qiáng)軟X 射線輻射源的有效途徑之一[1].在Z 箍縮驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變[2]和X 射線輻射應(yīng)用[3]等實(shí)驗(yàn)研究中, 箍縮等離子體的向心運(yùn)動(dòng)、輻射熱波的傳輸以及靶丸壓縮等主要物理過程, 都伴隨著能量轉(zhuǎn)換和傳輸問題, 而這些物理過程所遵循的規(guī)律都與等離子體自身發(fā)射的X 射線所攜帶的信息密切相關(guān).因此,對(duì)X 射線的輻射參數(shù)及其時(shí)空分布特性等物理參量的精密診斷技術(shù)[4,5]就成為了Z 箍縮技術(shù)的重要研究內(nèi)容.條紋相機(jī)作為重要的時(shí)空診斷方法之一, 可以直接拍攝發(fā)光光源的一維空間分辨和時(shí)間分辨圖像, 獲取其輻射強(qiáng)度的空間和連續(xù)時(shí)間分布信息[6,7].目前, 用于拍攝紫外到紅外波段的光學(xué)條紋相機(jī)的最快時(shí)間分辨能力已經(jīng)達(dá)到了100 fs, 空間分辨可大于20 lp/mm, 動(dòng)態(tài)范圍也達(dá)到10000∶1;而對(duì)X 射線光源進(jìn)行診斷的X 射線條紋相機(jī), 由于其應(yīng)用范圍較窄, 對(duì)時(shí)間的分辨能力需求不高,因此, 其最快時(shí)間分辨一般為10 ps 量級(jí).但是, 在對(duì)X 射線光源進(jìn)行時(shí)間掃描圖像的實(shí)驗(yàn)診斷中,其實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加復(fù)雜, 而實(shí)驗(yàn)?zāi)康母⒅赜谌绾潍@取各類不同條件下產(chǎn)生的X 光源的光譜、特定位置的光強(qiáng)等時(shí)空信息, 因此, 研究方向更集中于如何將X 射線條紋相機(jī)與濾片、晶體等光譜色散器件耦合使用.在美國的OMEGA 激光裝置和NIF國家點(diǎn)火裝置上的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)研究中, 使用了針孔成像部件、晶體色散器件與X 射線條紋相機(jī)耦合的方法拍攝到了不同光譜能段X 射線的空間和時(shí)間分布圖像, 從而給出了黑腔壁運(yùn)動(dòng)軌跡、輻射熱波傳播軌跡和速度以及等離子體不穩(wěn)定性發(fā)展等動(dòng)力學(xué)特征參量[8,9].在中國工程物理研究院神光系列裝置上的高能量密度實(shí)驗(yàn)研究中, 采用多個(gè)平面鏡、濾光片配接X 射線條紋相機(jī)的診斷方法, 實(shí)現(xiàn)了在亞千電子伏特能區(qū)內(nèi)三個(gè)不同波段軟 X 射線的時(shí)間和空間分辨測(cè)量[10].

中國工程物理研究院流體物理研究所于2014 年成功研制了一臺(tái)輸出電流峰值8—10 MA、電流上升前沿(10%—90%)約70 ns 的強(qiáng)脈沖功率源裝置[11], 隨后在此裝置上開展了多輪與慣性約束聚變和輻射效應(yīng)相關(guān)的高能量密度物理實(shí)驗(yàn),并獲得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12,13].實(shí)驗(yàn)中, 多套用于各類物理數(shù)據(jù)測(cè)量的診斷系統(tǒng)安裝于靶室周圍[14],其中, 一臺(tái)位于負(fù)載徑向方向的X 射線條紋相機(jī)用于拍攝箍縮等離子體徑向或軸向方向一維空間分辨的軟X 射線條紋圖像, 獲取X 射線輻射強(qiáng)度的時(shí)空分布信息[15].相機(jī)的光譜響應(yīng)為0.1—10 keV,在實(shí)驗(yàn)中的典型時(shí)間分辨率為百皮秒量級(jí), 空間分辨率為百微米量級(jí).根據(jù)診斷需求, X 射線條紋相機(jī)必須安裝在靶室近端并與靶室診斷窗口連通, 同時(shí)相機(jī)的陰極正對(duì)靶心, 這就導(dǎo)致相機(jī)的光電陰極和金屬柵網(wǎng)容易被放電過程中產(chǎn)生的高速帶電粒子和爆炸顆粒損壞; 而裝置放電時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)電磁場[16]也會(huì)干擾相機(jī)的觸發(fā)和掃描電路, 使其無法正常工作.本文設(shè)計(jì)了一套基于塑料薄膜閃爍體轉(zhuǎn)換的X 射線條紋相機(jī)系統(tǒng), 利用塑料閃爍體和光纖傳像束將X 射線圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像并傳輸?shù)桨惺疫h(yuǎn)端的電磁屏蔽柜內(nèi), 再使用光學(xué)條紋相機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行掃描, 最終獲取X 射線的條紋圖像.這種方法在保證診斷圖像的技術(shù)參數(shù)基本不變的情況下, 避免了高速粒子對(duì)條紋相機(jī)元器件的損壞, 并最大限度地降低了強(qiáng)電磁場對(duì)相機(jī)電路的干擾, 提高了相機(jī)的使用壽命.

2 診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于塑料薄膜閃爍體轉(zhuǎn)換的X 射線條紋相機(jī)系統(tǒng)主要由X 射線成像狹縫、塑料薄膜閃爍體、光纖傳像束、光學(xué)條紋相機(jī)以及同步觸發(fā)單元組成,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)布局如圖1 所示.圓柱形等離子體輻射的X 射線經(jīng)過成像狹縫, 在塑料薄膜閃爍體的入射面上成徑向或軸向方向的X 射線一維空間分辨圖像; 閃爍體緊貼光纖傳像束的輸入面, 將X 射線圖像轉(zhuǎn)化為可見光圖像后, 通過傳像束將可見光圖像輸入光學(xué)條紋相機(jī); 光學(xué)條紋相機(jī)利用取樣狹縫沿圖像的空間分辨方向截取圖像, 并對(duì)取樣圖像進(jìn)行掃描, 最終獲取箍縮等離子體的一維空間分辨X 射線條紋圖像, 并由CCD 相機(jī)記錄.

實(shí)驗(yàn)中, 為了保證光學(xué)條紋相機(jī)的工作時(shí)間與X 射線的發(fā)光時(shí)間同步, 建立了診斷系統(tǒng)的同步觸發(fā)單元.選取驅(qū)動(dòng)裝置激光觸發(fā)氣體開關(guān)的激光信號(hào)作為診斷系統(tǒng)的觸發(fā)源信號(hào)[17], 經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后觸發(fā)數(shù)字延時(shí)發(fā)生器, 經(jīng)過延時(shí)后輸出三路不同時(shí)間間隔的TTL 信號(hào), 分別觸發(fā)光學(xué)條紋相機(jī)的光陰極電壓、像增強(qiáng)器電壓和掃描電路偏壓, 確保條紋相機(jī)的工作時(shí)間與X 射線發(fā)光時(shí)間同步.實(shí)驗(yàn)中, 條紋相機(jī)工作時(shí)間與X 射線發(fā)光時(shí)間之間的時(shí)間抖動(dòng)主要由觸發(fā)源信號(hào)與X 射線信號(hào)之間的時(shí)間抖動(dòng)、同步觸發(fā)單元中各電子器件本身的時(shí)間抖動(dòng)和條紋相機(jī)固有延時(shí)的抖動(dòng)來決定.其中, 電子器件和條紋相機(jī)的固有延時(shí)抖動(dòng)一般在幾十到幾百皮秒量級(jí), 均遠(yuǎn)小于觸發(fā)源信號(hào)與X 射線信號(hào)之間的時(shí)間抖動(dòng), 因此,診斷系統(tǒng)工作時(shí)間與X 射線信號(hào)之間的同步時(shí)間抖動(dòng)主要決定于觸發(fā)源信號(hào)與X 射線信號(hào)之間的時(shí)間抖動(dòng).經(jīng)過多次測(cè)量, 對(duì)于同一類型負(fù)載的實(shí)驗(yàn), 激光觸發(fā)氣體開關(guān)的激光信號(hào)與X 射線信號(hào)之間的時(shí)間抖動(dòng)小于2 ns, 完全滿足實(shí)驗(yàn)中相機(jī)系統(tǒng)工作在全屏掃描時(shí)間為50/100 ns 模式下對(duì)時(shí)間同步的要求[18].

圖1 診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)布局Fig.1.Schematic of components of the diagnostic system and experimental setup.

采用這種方法設(shè)計(jì)的X 射線條紋相機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于: 第一, 光學(xué)條紋相機(jī)通過光纖傳像束與真空靶室隔離, 消除了高速粒子對(duì)相機(jī)陰極器件的損壞, 實(shí)驗(yàn)中只需要更換被高速粒子損壞的成像狹縫即可; 第二, 光學(xué)條紋相機(jī)被放置在一個(gè)全封閉的電磁屏蔽柜中, 最大限度地降低了強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)相機(jī)電子器件的干擾; 第三, 在診斷設(shè)計(jì)上可以縮小等離子體與成像狹縫以及成像面之間的距離, 增強(qiáng)了接收X 射線的輻射強(qiáng)度, 同時(shí)降低成像狹縫對(duì)低能光子的衍射效應(yīng), 提高圖像的空間分辨率;第四, 診斷系統(tǒng)不含真空設(shè)備, 消除了由于真空帶來的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線路布局、抗電磁干擾以及工作穩(wěn)定性等方面的問題.

2.1 系統(tǒng)的光譜響應(yīng)

診斷系統(tǒng)的光譜響應(yīng)主要由塑料薄膜閃爍體對(duì)X 射線的譜響應(yīng)來決定.另外, 系統(tǒng)采用了擋光濾片來遮擋實(shí)驗(yàn)中發(fā)射的可見光, 因此, 還需要考慮擋光濾片對(duì)X 射線的透過率.

系統(tǒng)采用了ELJEN 公司生產(chǎn)的EJ-232 型塑料閃爍體, 它由聚苯乙烯(C8H8)作為基質(zhì), 摻入微量閃爍物質(zhì)和移波劑制成, 其密度為1.02 g/cm3.擋光濾片采用2 μm 厚的Mylar 膜表面鍍200 nm厚的鋁膜.因此, 相機(jī)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)可以表示為

式 中, TMylar(E) 和 TAl(E) 分 別 表 示Mylar 膜 和 鋁膜對(duì)不同光子能量X 射線的透過率; APS(E) 表示塑料閃爍體對(duì)不同光子能量X 射線的吸收效率.它們分別表示為:

式中 l1,l2,l3分別是Mylar 膜、鋁膜和塑料閃爍體的厚度; μMylar(E),μAl(E),μen-PS(E) 分別表示對(duì)于不同光子能量的Mylar 膜的線衰減系數(shù)、鋁膜的線衰減系數(shù)和塑料閃爍體的線質(zhì)能吸收系數(shù).圖2分別給出了2 μm 厚的Mylar 膜和200 nm 厚的鋁膜對(duì)X 射線的透過率、0.05 mm 厚的EJ-232型塑料閃爍體對(duì)X 射線的吸收效率以及診斷系統(tǒng)對(duì)X 射線的光譜響應(yīng)范圍.從圖中可以看出, 光子能量小于1 keV 的X 射線被塑料薄膜閃爍體全部吸收, 隨著光子能量的增加, 塑料閃爍體的吸收效率逐漸減少, 對(duì)于光子能量大于10 keV 的X 射線,幾乎全部透射.另外, 由于擋光濾片阻擋了大部分光子能量小于1 keV 的X 射線, 因此相機(jī)系統(tǒng)對(duì)于小于1 keV 范圍的光譜響應(yīng), 僅分別在280 和530 eV 處有一個(gè)透過率約8%的透射窗口, 并且當(dāng)光子能量大于700 eV 后, 其透射率超過10%.總體來說, 相機(jī)系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍大約在0.2—10 keV 之間, 響應(yīng)峰值為1.55 keV.

圖2 Mylar 膜對(duì)X 射線的透過率曲線(紅色虛線)、鋁膜對(duì)X 射線的透過率曲線(藍(lán)色點(diǎn))、塑料閃爍體對(duì)X 射線的吸收效率曲線(綠色實(shí)線)以及診斷系統(tǒng)的光譜吸收曲線(黑色實(shí)線)Fig.2.The red dash is the transmission of 2 μm thick Mylar film, the blue dot is the transmission of 200 nm thick aluminum, the green line is the absorption of the 0.05 mm thick plastic scintillator foil, and the black line is spectral response curve of the diagnostic system.

2.2 系統(tǒng)的時(shí)間分辨

相機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間分辨主要由光學(xué)條紋相機(jī)的時(shí)間分辨、取樣狹縫寬度以及塑料薄膜閃爍體對(duì)X 射線的響應(yīng)時(shí)間決定.其中, 條紋相機(jī)在掃全屏?xí)r間為50—100 ns 的掃速下的時(shí)間分辨小于60 ps;取樣狹縫寬度的典型尺寸為50 μm, 它在條紋相機(jī)時(shí)間長度上對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨也小于60 ps.由于它們遠(yuǎn)小于閃爍體對(duì)X 射線的響應(yīng)時(shí)間, 因此相機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力主要決定于塑料薄膜閃爍體對(duì)X 射線的時(shí)間響應(yīng).

利用X 箍縮[19]產(chǎn)生的X 射線脈沖, 對(duì)厚度0.05 mm 的EJ-232 型塑料閃爍體的時(shí)間響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定.X 箍縮光源的發(fā)射光譜一般在1—10 keV 范圍內(nèi), 與系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍較一致; X 箍縮光源發(fā)射的X 射線脈沖的持續(xù)時(shí)間為百皮秒量級(jí), 遠(yuǎn)小于塑料閃爍體對(duì)X 射線的響應(yīng)時(shí)間(納秒量級(jí)),可以作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間光源.標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中, 同時(shí)獲取X 箍縮產(chǎn)生的X 射線脈沖的輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的信息和X 射線脈沖經(jīng)過閃爍體轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的熒光的發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化信息, 通過對(duì)時(shí)間信息的對(duì)比就可以獲取塑料閃爍體對(duì)X 射線的時(shí)間響應(yīng)參數(shù).實(shí)驗(yàn)測(cè)量中, X 射線脈沖由X 射線二極管測(cè)量, 閃爍體轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的熒光通過光電倍增管測(cè)量, 測(cè)量結(jié)果由示波器記錄, 以上測(cè)試設(shè)備和用于信號(hào)傳輸?shù)耐S電纜的時(shí)間響應(yīng)均小于100 ps, 滿足對(duì)X 射線脈沖和熒光脈沖時(shí)間參數(shù)的測(cè)量要求.因?yàn)樵赬 箍縮產(chǎn)生的X 射線脈沖中, 低能光子的發(fā)射持續(xù)時(shí)間較長, 因此選擇5 μm 厚的Ti 作為擋光濾片, 濾掉光子能量小于1.5 keV 的X 射線,以保證標(biāo)定光源具有較短的發(fā)光持續(xù)時(shí)間.

圖3 塑料薄膜閃爍體對(duì)X 射線時(shí)間響應(yīng)特性的標(biāo)定結(jié)果Fig.3.The calibration results of the time response of the scintillator foil to X-rays.

圖3 (a)給出了同一實(shí)驗(yàn)發(fā)次中示波器記錄的X 射線二極管和閃爍體-光電倍增管的輸出電信號(hào).可以明顯看出, X 射線脈沖經(jīng)過閃爍體轉(zhuǎn)換成熒光后, 在時(shí)間坐標(biāo)上存在明顯的展寬現(xiàn)象.信號(hào)的半高寬從290 ps 增加到1230 ps; 信號(hào)上升沿(10%—90%)從200 ps 增加到310 ps; 信號(hào)下降沿(10%—90%)從290 ps 增加到1830 ps.閃爍體對(duì)多個(gè)X 射線脈沖信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)如圖3(b)所示.圖中X 射線二極管測(cè)量的結(jié)果為2 個(gè)X 射線脈沖信號(hào),其中第1 個(gè)脈沖信號(hào)具有雙峰結(jié)構(gòu), 同時(shí), 從閃爍體-光電倍增管的測(cè)量結(jié)果中也可以觀察到2 個(gè)脈沖信號(hào), 但是無法分辨第1 個(gè)脈沖信號(hào)的雙峰結(jié)構(gòu).如果定義第一個(gè)脈沖信號(hào)的半高寬的中間時(shí)刻為這個(gè)脈沖信號(hào)的峰值時(shí)刻, 那么, 2 個(gè)脈沖信號(hào)峰值時(shí)刻的時(shí)間間隔為1020 ps.也就是說, 對(duì)于2 個(gè)時(shí)間間隔為1020 ps 的脈沖信號(hào), 閃爍體具有對(duì)其進(jìn)行時(shí)間分辨的能力.

2.3 系統(tǒng)的空間分辨

根據(jù)診斷系統(tǒng)的構(gòu)成, 拍攝圖像的空間分辨率可由以下經(jīng)驗(yàn)公式給出:

式中, σSl表示X 射線通過成像狹縫所成的一維空間分辨圖像的空間分辨率, σPS表示塑料閃爍體將X 射線轉(zhuǎn)化為可見光的空間分辨率, σFi= 26 μm為傳像束的光纖芯直徑, σLe< 10 μm 是系統(tǒng)中鏡頭的空間分辨率, σSC是光學(xué)條紋相機(jī)的動(dòng)態(tài)空間分辨率, 通過標(biāo)定數(shù)據(jù)給出σSC< 35 μm.

其中, 成像狹縫對(duì)X 射線成像的空間分辨率σSl可以表示為

式中, W 為成像狹縫寬度; M 為成像放大倍率; k =2.44 為常數(shù); λ 為入射X 射線的波長; L1為成像物距.公式右邊的前半部分為圖像的幾何分辨率, 后半部分為狹縫衍射對(duì)圖像分辨率的影響.

塑料閃爍體緊貼光纖傳像束輸入面, 將X 射線轉(zhuǎn)換成熒光并輸入傳像束.因此, 塑料閃爍體對(duì)X 射線圖像的空間分辨主要決定于閃爍體的厚度和傳像束的最大入射角, 可以表示為:

式中, t 是閃爍體的厚度; θIn是當(dāng)熒光從塑料閃爍體內(nèi)部射出時(shí), 折射角θRe等于傳像束最大入射角時(shí)的入射角; n0= 1 和n1= 1.58 分別為真空和塑料閃爍體的折射率; 其中θRe= 25.4°.

實(shí)驗(yàn)中, 考慮接受到的X 射線強(qiáng)度對(duì)圖像信噪比的影響, 診斷系統(tǒng)的成像狹縫寬度設(shè)置為W =50 μm, 成像物距L1= 300 mm, 成像放大倍率M = 1, 塑料閃爍體厚度t < 0.1 mm, 可以計(jì)算得出, 系統(tǒng)的理論空間分辨率σ < 125 μm.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

診斷系統(tǒng)在裝置驅(qū)動(dòng)的鋁絲陣K 殼層輻射光源[20]構(gòu)建技術(shù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了考核, 拍攝到了鋁等離子體發(fā)射的X 射線條紋圖像.首先對(duì)診斷系統(tǒng)拍攝的X 射線圖像的本底進(jìn)行確認(rèn), 獲取了未加塑料閃爍體情況下的本底圖像, 圖像強(qiáng)度的平均讀數(shù)與用于圖像記錄的CCD 相機(jī)的噪音讀數(shù)相當(dāng), 這說明系統(tǒng)中擋光濾片較好地完成了對(duì)光源中發(fā)射的可見光的屏蔽.

診斷系統(tǒng)拍攝的X 射線條紋圖像如圖4(a)所示.圖像中的本底信號(hào)強(qiáng)度讀數(shù)的平均值約450,最強(qiáng)信號(hào)的讀數(shù)大于10000, 圖像的信噪比大于20.圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸, “0”時(shí)刻對(duì)應(yīng)X 射線輻射功率的峰值時(shí)刻; 縱坐標(biāo)為負(fù)載的軸向方向.可以明顯看出, 鋁等離子體的發(fā)光持續(xù)時(shí)間較長,可分為兩個(gè)階段: 以“0”時(shí)刻為中心持續(xù)時(shí)間約10 ns 的主要發(fā)光階段和超過50 ns 的發(fā)光拖尾階段.這也與實(shí)驗(yàn)中拍攝到的X 射線分幅圖像所顯示出的等離子體出現(xiàn)較強(qiáng)的不穩(wěn)定性現(xiàn)象相符合.

在圖4(a)的時(shí)間坐標(biāo)上分別選取–2, 0, 2 和10 ns 四個(gè)內(nèi)爆時(shí)刻, 每個(gè)時(shí)刻沿軸向方向給出X 射線圖像的強(qiáng)度分布曲線圖, 如圖4(b)所示.可以看出, 在–2 到2 ns 的時(shí)間內(nèi), 等離子體在軸向不同位置的發(fā)光強(qiáng)度并不一致, 這說明了等離子體向心運(yùn)動(dòng)的同步性較差.以X 射線條紋圖像的時(shí)間軸為橫坐標(biāo), 對(duì)圖像在軸向方向上的曝光強(qiáng)度進(jìn)行積分并歸一化, 可以獲得等離子體發(fā)射的X 射線的輻射功率, 將它與X 射線二極管探測(cè)器獲得的X 射線的輻射功率波形的歸一化曲線進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4(c)所示.圖中, 紅色曲線通過掃描圖像處理得到, 藍(lán)色曲線為X 射線二極管測(cè)量獲得.可以看出, 兩種診斷方法獲得的X 射線的輻射功率波形較為符合.差別在于, 掃描圖像獲取的X 射線脈沖的上升前沿、脈沖寬度和脈沖后沿的時(shí)間都略大于X 射線二極管的測(cè)量結(jié)果.經(jīng)分析, 導(dǎo)致這兩套診斷設(shè)備獲取的X 射線脈沖在時(shí)間特性上的差別可能有兩個(gè)原因: 一是兩套診斷設(shè)備的光譜響應(yīng)不同; 二是相機(jī)系統(tǒng)對(duì)于能量小于1.5 keV 光子的時(shí)間響應(yīng)較長.在所有的10 發(fā)次考核實(shí)驗(yàn)中, 診斷系統(tǒng)沒有出現(xiàn)相機(jī)電路被強(qiáng)電磁場干擾的現(xiàn)象,獲取圖像的成功率達(dá)到100%; 另外, 從診斷系統(tǒng)開始使用到目前為止, 共參與實(shí)驗(yàn)近100 發(fā)次, 相機(jī)始終工作正常, 沒有任何器件出現(xiàn)故障.

圖4 診斷系統(tǒng)拍攝的X 射線條紋圖像結(jié)果 (a)鋁等離子體的X 射線條紋圖像; (b)X 射線在不同時(shí)刻沿軸向方向的輻射強(qiáng)度分布曲線; (c)成像系統(tǒng)和XRD 探測(cè)器獲取的X 射線輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的歸一化曲線比較Fig.4.Images obtained by the diagnostic system are shown:(a) The X-ray streak image of aluminum plasmas; (b) the radiation intensity distribution of x-ray source in the axial direction at different time; (c) the normalized curve of Xray radiation measured by the diagnostic system and XRD detector.

4 小結(jié)與展望

設(shè)計(jì)了基于閃爍體轉(zhuǎn)換的X 射線條紋成像系統(tǒng).利用塑料閃爍體和光纖傳像束將X 射線圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像并傳輸?shù)竭h(yuǎn)離真空靶室的位于電磁屏壁柜內(nèi)的光學(xué)條紋相機(jī), 既保護(hù)了條紋相機(jī)的元器件不會(huì)被實(shí)驗(yàn)中發(fā)射的高速粒子損壞, 同時(shí)又解決了條紋相機(jī)易被強(qiáng)電磁環(huán)境干擾的問題.系統(tǒng)的光譜響應(yīng)范圍主要集中在0.2—10 keV, 其空間分辨率的理論評(píng)估結(jié)果小于125 μm, 通過塑料閃爍體對(duì)X 射線的時(shí)間響應(yīng)特性的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)給出了系統(tǒng)的最高時(shí)間分辨率約為1 ns.系統(tǒng)在考核實(shí)驗(yàn)中獲取了鋁等離子體光源的X 射線一維空間分辨和時(shí)間分辨條紋圖像, 給出了光源輻射強(qiáng)度的時(shí)空分布信息.

成像系統(tǒng)對(duì)光譜的非平響應(yīng)特征影響了對(duì)圖像數(shù)據(jù)的物理分析, 尤其是系統(tǒng)在光子能量小于1.5 keV 范圍內(nèi)的非平響應(yīng)特征, 對(duì)于X 射線光源的總能量在這一范圍內(nèi)占有較大比例的Z 箍縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行物理分析時(shí), 其影響不能忽略.因此, 下一步將通過開展對(duì)塑料閃爍體的光譜響應(yīng)曲線的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定工作, 給出診斷系統(tǒng)較精確的光譜響應(yīng)數(shù)據(jù);另外, 試圖通過對(duì)阻擋本底可見光的方法進(jìn)行優(yōu)化, 消除擋光濾片對(duì)相機(jī)系統(tǒng)在低能段光譜響應(yīng)效率的影響.