高分辨率电子工业用数字化Ｘ射线检测系统

提出一种高分辨率电子工业用数字化Ｘ射线检测系统的总体设计方案,选择微焦斑X射线源和双近贴式X射线像增强器作为该系统的关键器件,分析了微焦斑X射线源的焦斑尺寸对系统分辨率的影响,并且建立了微焦斑X射线源和双近贴式X射线像增强器自身分辨率及成像的几何放大率对系统最终分辨率影响的数学模型。通过数学模型得出了几何放大率同系统分辨率的关系曲线。设计了光路及图像采集装置,并用VC 6.0完成了实用的X射线图像处理软件,研制了完整的成像系统样机并进行了调试与实验。这种成像系统有效视野可达75 mm,分辨率为160 lp/cm。     

重复频率下飞秒激光驱动产生的X射线焦斑测量

为了获取强激光驱动产生的X射线光源焦斑尺寸和空间分辨率,设计了刃边及双网格方法,其中刃边厚度为0.2μm,双网格分别为400目铜网格和394lp/cm的镍网,利用X射线CCD作为探测元件。Ti宝石激光在能量1J、脉宽40fs、频率10 Hz、激光功率密度约为4.4×1018 W/cm2的条件下,重复频率加载圆盘Cu靶。在中国工程物理研究院25TW激光装置上首次获得了X射线的焦斑及网格图像,并推算了该装置的X射线焦斑尺寸为43μm,而网格空间分辨力为34μm。结果表明该刃边及双网格方法适合强激光驱动产生的X射线焦斑尺寸测定。     

9MeV,小于0.1mm微焦点X射线源验证实验

密度高、成像分辨率高、成像速度快的X射线数字成像检测需要高能微焦点大剂量X射线源,高品质电子源是实现这一X射线源的关键手段。基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光的主加速器,验证了低发射度、低能散度的高亮度电子束实现高能微焦点的可行性,得到电子束半高全宽尺寸小于70μm的9 MeV微焦点,并初步开展成像实验,双丝像质计焦斑清晰分辨9D号丝,丝直径0.13 mm。     

杆箍缩二极管X射线焦斑的成像法测量

 X射线源的焦斑尺寸是反映杆箍缩二极管射线源成像性能的重要参数。利用针孔成像法对MeV级脉冲X射线源的焦斑进行了2维图像测量。厚针孔采用直孔段加单锥体结构,直孔段孔径为0.2 mm。对于0.5 MeV的X射线,5倍成像倍率下调制传递函数值为0.5时空间分辨达到2.0 lp·mm^-1。图像采集系统由闪烁体、物镜和CCD相机组成,物镜的成像倍率约0.34。实验结果经过模糊校正后,得到了焦斑的图像和调制传递函数。根据调制传递函数值为0.5时对应的空间频率值,给出X射线源焦斑的尺寸。阳极杆直径为1.2 mm时,X射线源焦斑的高斯分布等效直径为0.86 mm。     

整体毛细管X光透镜在大气颗粒物单颗粒分析中的应用

对大气颗粒物进行单颗粒X射线荧光(XRF)分析,是一种识别大气颗粒物来源的有力手段.为了利用实验室X射线光源对大气颗粒物进行单颗粒XRF分析,建立了基于整体毛细管X光透镜和实验室X射线光源的微束X射线谱仪.透镜焦斑处的功率密度增益在103数量级,焦斑直径为30 μm左右.该微束X射线谱仪对Fe-Kα线的最小探测极限为0.7 Pg.在Mo靶光源电压和电流分别为30 kV和50 mA的条件下,利用该谱仪对直径为9 μm的大气颗粒物单颗粒进行XRF分析时,测谱时间在180 s左右.实验表明,基于毛细管X光透镜和实验室X射线光源的微束X射线分析技术在大气颗粒物单颗粒分析中有着潜在的应用价值.     

基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜表征X射线光源参数

X射线光源的焦斑尺寸和焦深对X射线光谱学,尤其是对于微区X射线衍射与荧光分析等领域十分重要的参数。如何高效而准确的表征这些参数对于X射线光源的应用和发展至关重要。现有的光源参数表征方法,尤其在表征微焦斑光源的参数时,都存在自身的局限性。锥形单玻璃管X射线聚焦镜是一种常用的X射线聚焦器件。根据锥形单玻璃管X射线聚焦镜滤波特性和几何特点,分析得到聚焦镜的聚焦光能量上限的大小受到光源焦斑尺寸的影响,提出这个能量上限与光源尺寸和光源到聚焦镜入口的距离之间的数学关系。设计了一种基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数的方法。对锥形单玻璃管X射线聚焦镜的参数进行测量和确定后,将聚焦镜放置要测量的光源前,与光源形成聚焦光路。在光路准直并确保只有在聚焦镜内发生单次全反射的X射线射出聚焦镜的情况下,通过改变聚焦镜与光源焦斑距离并利用能谱探测系统来探测聚焦光并得到多个对应的聚焦光能谱。对所得能谱进行计算与分析,得到各能谱中的能量最大值,即聚焦光的能量上限。利用聚焦光能量上限、光源焦斑尺寸和光源到聚焦镜的距离之间的关系并结合线性拟合法,可同时得到光源焦斑尺寸和焦深。选用制造商给出焦斑尺寸约60 μm,焦深为20 mm的微焦斑钼靶光源作为测量对象,利用基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征方法测量的结果为焦斑尺寸为60.1 μm,焦深为19.7 mm。用小孔成像法表征该光源焦斑尺寸为60.3 μm,焦深为20.1 mm。相较于现有的方法,基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数方法对表征微焦斑光源有一定优势,对表征高能X射线光源有潜在发展和利用价值。     

高能X射线源焦斑尺寸的时间分辨诊断

将门控分幅相机与快闪烁晶体结合,构成时间分辨X射线诊断系统,对神龙一号直线感应加速器产生的高能脉冲X射线源焦斑进行了测量,在时间间隔为10 ns的情况下,获得了焦斑尺寸随时间的变化曲线。在此基础上,设计了单像素尺寸为0.78 mm×0.78 mm的LYSO闪烁晶体阵列,并进行了X射线照射晶体阵列发光的初步实验,结果表明该阵列可用于高能X射线源焦斑的时间分辨诊断,并能显著提高成像的空间分辨力。     

一种X射线聚焦光学及其在X射线通信中的应用

基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证,并对通信系统的误码率性能进行了分析,为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础.针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况,迫切需要对X射线通信天线系统进行深入研究.为了提高信号增益、增大X射线通信的距离,提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的"收发天线",理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信"收发天线"的可行性,分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计,对"发射天线"发散角、"接收天线"有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨.结果表明:在信号发射端,"天线"的发散角为3 mrad左右,发射增益23 d B;在信号接收端,"接收天线"的有效面积5700 mm2@1.5 keV,焦斑直径为4.5 mm,接收增益为25 d B,通信系统总的增益可达48 d B.     

叠片法测量脉冲X射线源焦斑

 介绍了叠片法测量脉冲X射线源焦斑的原理。对确定结构和尺寸的金属、薄膜叠片及测试系统布局,数值计算了叠片法的空间分辨及对均匀分布线光源的输出响应,得到响应曲线半高宽与焦斑尺寸的对应关系。计算结果表明,叠片法不适用于测量小于2 mm的焦斑。在感应电压叠加器上开展了阳极杆箍缩二极管实验,采用叠片法测量二极管X射线源轴向焦斑,与针孔照相结果基本相符,说明叠片法可用于脉冲X射线源焦斑尺寸测量。     

毛细管X光透镜三维共聚焦微束X射线荧光技术在岩矿样品分析中的应用

利用毛细管X光透镜搭建了三维共聚焦微束X射线荧光谱仪,处在激发道的多毛细管X射线会聚透镜和处在探测道的多毛细管X射线平行束透镜处于共聚焦状态,该共聚焦结构降低了X射线荧光光谱的背底,从而有利于降低的X射线荧光分析技术的探测极限。在上述共聚焦结构中,多毛细管X射线会聚透镜和多毛细管X射线平行束透镜的焦斑重合形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元内的X射线荧光信号,当该共聚焦微元在样品移动时,就可利用该共聚焦技术原位无损得到样品内部的三维X射线荧光信息。该共聚焦技术使用的多毛细管X射线会聚透镜具有103量级的功率放大倍数,从而降低了该共聚焦技术对高功率X射线源的依赖程度,即利用低功率普通X射线源就可以设计毛细管X光透镜共聚焦X射线荧光技术。利用上述共聚焦微束X射线荧光谱仪对两种岩矿样品进行三维无损分析,在其中一种岩石中发现：Fe浓度大的区域Cu的浓度也大,这在一定程度上反映了岩矿自然生长的机理。实验结果证明：该共聚焦X射线荧光技术可以在不破坏样品情况下分析岩矿样品中元素成分组成和元素三维分布情况。该共聚焦三维微束X射线荧光技术在矿石勘察、玉器选材和鉴别、石质食用器皿、“赌石”和家用石质地板检测等领域具有潜在的应用。     

X射线微会聚透镜在大气颗粒物源解析中的应用

为了在实验室中对大气颗粒物进行源解析,建立了基于毛细管X射线微会聚透镜和实验室X射线光源的X射线荧光(XRF)谱仪。谱仪中所使用的毛细管X射线微会聚透镜的焦斑处功率密度增益为450,透镜焦斑大小为205μm。在X光源电压和电流分别为35 kV和70 mA的条件下,利用该谱仪对粒径为1~2μm的大气颗粒物源样品和受体样品进行了X射线荧光定量分析。利用化学质量平衡(CMB)模型对大气颗粒物样品进行了源解析,解析结果表明汽车尾气和建筑扬尘为受体样品的主要污染源,源解析结果较为理想。实验结果表明,毛细管X射线微会聚透镜在大气颗粒物源解析中具有潜在的应用价值。     

聚焦电子束对透射式微焦点X射线源的影响

微焦点X射线源是微计算机断层扫描技术设备的核心部件。研究了电子束在靶材中的横向扩散引起的透射式微焦点射线源的焦点尺寸和强度的变化规律。结果表明:当打靶电子束的束流密度遵循高斯分布时,其产生的X射线强度也遵循高斯分布,该分布的标准差可以用来精确表示X射线的焦点尺寸;当靶材厚度可以使沉积电子束的能量达到60%时,对应的靶材产生的X射线强度最高;随着靶材厚度增加,X射线的焦点尺寸逐渐变大;增大电子束的加速电压可以适当减小X射线的焦点。本研究为透射式微焦斑X射线源的靶材选择和设计提供了理论依据。     

整体毛细管X射线半会聚透镜在微区EXAFS分析技术中的应用

利用整体毛细管X射线半会聚透镜对同步辐射X射线进行聚焦, 经透镜会聚的微焦斑直径在10μm量级, 焦斑位置处的功率密度增益在10³量级. 在5.5—11.5keV能量范围内, 透镜焦斑直径由38μm变为29μm, 透镜传输效率由26.1%变为20.5%, 焦斑的中心位置移动了3μm; 透镜的出口焦距变化了155μm. 在上述透镜性能研究的基础上, 研究了该微焦斑同步辐射在微区EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure)分析技术中的应用.     

500 kV亚纳秒脉冲X光机研制

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度,对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源,装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm,重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器,采用新颖的三谐振变压技术,将纳秒脉冲形成线充电至520 kV,通过油介质自击穿开关放电,输出370 kV,3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压,并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩,产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理,设计了刀刃阴极X光管,在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω,管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×1016 MeV·cm-2·s-1,累积照射量为4.1 mR。     

混合驱动中直驱激光焦斑尺寸对点火性能的影响

研究针对混驱点火模型,保持直驱激光能量不变,针对1 200,1 400和1 500μm直驱光焦斑尺寸,采用数值模拟,研究其对点火性能的影响。研究表明：直驱光焦斑尺寸是影响混驱点火性能的敏感因素。1 500μm焦斑尺寸可实现近一维点火。1 400μm焦斑尺寸放能接近一维放能的40%。1 200μm焦斑尺寸点火失败,仅仅处于燃烧等离子体状态。分析表明,1 200μm焦斑尺寸条件下点火失败的原因是：其产生的局部强光强和高驱动不对称性,会导致燃料熵增加及燃料面密度扰动增加。燃料熵的增加将会降低燃料压缩性,不利于创造高温高压点火条件,形成的燃烧波较弱。燃料面密度扰动增加会导致燃烧后壳层不稳定性剧烈增长。推断在小焦斑尺寸条件下,弱燃烧波及高燃料面密度扰动增长,会导致高密度尖钉难以被有效点燃,无法形成升温与燃烧的正反馈。同时,燃料区域内界面不稳定性发展产生的尖钉结构将降低热斑温度,产生的气泡结构将引起热斑体积迅速变大,导致热斑快速降温乃至点火失败。     

长脉冲keV X射线源的辐射特征

 利用神光Ⅱ第九路2 ns长脉冲激光束作用厚钛固体靶，研究了产生的keV X射线源的辐射区域和总辐射功率的时间行为。结果表明：在长脉冲激光作用厚固体靶时，硬X射线线辐射功率的时间行为以及辐射体积的时间行为与激光脉冲波形一致；长脉冲时，等离子体2维膨胀效应非常显著，keV X射线线辐射的径向辐射区域在激光焦斑尺寸附近达到饱和，导致X射线线辐射功率出现饱和，且keV X射线线辐射的辐射体积正比于焦斑尺寸的3次方。从理论和实验角度研究了在同样入射激光能量下，辐射功率随激光焦斑尺寸的变化关系，发现keV X射线线辐射的饱和辐射功率正比于焦斑尺寸的5/3次方，理论结果与实验结果一致。并讨论了相同基频输出激光能量下，keV X射线辐射总功率随激光波长的变化关系，发现即使考虑了倍频效率的影响，短波长激光仍然有利于keV X射线的发射。     

级联式平面抛物面型X射线组合折射透镜的设计与制作

X射线组合折射透镜(CRL)已逐步成为同步辐射光源下X射线聚焦光学器件的标准配件之一,它具有结构紧凑、易调节校准、适用光子能量范围大等优点.本文设计了一种级联式平面抛物面型CRL,它将N1个具有较大抛物面几何孔径(R0)的折射单元I与N2个具有较小抛物面顶点曲率半径(R)的折射单元II级联,以解决常规CRL设计过程中焦斑尺寸与透过率的矛盾.采用PMMA材料,利用LIGA技术制作了一组级联式平面抛物面型CRL,其中折射单元I的主要结构参数为N1=15,R1=200μm,2R01=564μm;折射单元II的主要结构参数为N2=20,R2=50μm,2R02=140μm.在上海光源同步辐射线束上,所制作的级联式平面抛物面型CRL实现了对初始光斑尺寸为200μm×100μm的入射X射线的一维聚焦,测试得到的焦距为1.052 m,横向焦斑尺寸为24.9μm@8 keV,透过率为2.19%.     

射线探测技术与装置

高能工业CT用新型X射线源焦斑测量=Spot size measurement of new type X-ray source designed for high energy industrial CT[刊,中]/陈浩(中物院应用电子学研究所.四川,绵阳(621900)),许州…∥强激光与粒子束.—2004,16(3).—390-394 为了获得较高的空间分辨率,设计了一种新型小束斑驻波电子直线加速器,该加速器取消了加速腔中的鼻锥结构,而在耦合腔中设置鼻锥结构。用狭缝法代替小孔法测得X射线源的焦斑尺寸为1.4mm。讨论了射线源焦点对成像质量的影响,分析了在高能条件下小孔法不话合用于焦点测量的物理原因,用4种测量方法测量     

用于空间X射线通信的栅极控制脉冲发射源研究

利用X射线作为载波实现空间远距离、高速率的信息传输已引起研究者的关注,这项技术的发展将对拓宽电磁波频谱的使用范围具有积极意义.针对X射线通信地面模拟真空实验系统对信号发射源的需求,设计了一种栅极控制X射线源.该X射线源是在传统X射线管的基础上,增加了电压控制栅极,通过改变栅极电压实现X射线的脉冲发射.利用三维电磁场仿真软件CST粒子工作室设计了实验样管,模拟计算了管内的电位分布、电子运动轨迹、实际焦斑大小和打靶电子数.仿真结果表明,实际焦斑大小约为0.4 mm×4 mm,栅极开启电压和截止电压分别为0和-10 V.实验测试了样管特性,测试结果与仿真结果符合得很好,并且在X射线真空实验系统中实现了数字信号传输.     

高能工业CT用新型X射线源焦斑测量

 为了获得较高的空间分辩率，设计了一种新型小束斑驻波电子直线加速器，该加速器取消了加速腔中的鼻锥结构，而在耦合腔中设置鼻锥结构。用狭缝法代替小孔法测得X射线源的焦斑尺寸为1.4mm。讨论了射线源焦点对成像质量的影响，分析了在高能条件下小孔法不适合用于焦点测量的物理原因，用4种测量方法测量了该高能X射线源的参数，测得该系统的成像极限分辩率为2.5 lp/mm，最后对实验结果进行了分析。