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用于兆焦耳级激光装置的首套使用门控制的X射线成像诊断系统
信息来源: 发布时间:2016年11月25日 【 】 【打印】 【关闭

用于兆焦耳级激光装置的首套使用门控制的X射线成像诊断系统


位于CEA/CESTA的兆焦耳级激光装置(LMJ)于2014年早期开始运行,首次实验采用两大路,每大路四束光束的方式聚焦到靶上(工作波长为351nm时输出能量20kJ)。我们在此展示的是2014年年中就已安装在LMJ装置上的首套由门控制的X射线成像(GXI)诊断系统。该套系统包括两套具有空间,时间,以及宽带光谱分辨率的成像诊断系统。在诸如定位,建造及光路平衡等装置全寿命期间,这些诊断系统将提供基础的测量工作,也可用于表征填充靶内的气体内爆对称性和时序,来研究X射线照相术和流体力学不稳定性。该设计要求采用寻找弱点的方式,因为组件将运行在由中子流,伽马射线,碎片和弹片所产生的非常严苛的环境中。掠入射X射线显微镜放置在离靶尽可能远的地方以使潜在的损伤最小化,并减小来自于这些源的信号噪声。这些成像诊断系统包括光源到光学件距离很大的显微镜,以及大尺寸的门控制的微通道板探测器。显微镜的光学件包括掠入射反射镜,小孔,以及折射透镜。在安装到LMJ之前,时间,空间及光谱性能已经在CEA-DIFX射线管和物理技术研究院的BESSY II同步加速器的紫外激光器上进行了测量。GXI-1GXI-2的设计,度量及在LMJ上的首次实验都将在此呈现。

1. 简介

X射线成像是对由激光产生的高热致密的等离子体(LPP)进行研究的基础工具。实际上,这一技术在帮助理解激光光束与靶室中心微米级尺寸的靶之间相互作用的物理机制中扮演了主要角色。在法国进行的LPP实验将使用隶属于原子能委员会的32兆焦耳级激光装置(LMJ)。LMJ201410月开始运行,首次实验期间采用两大路,每大路四束光束的方式聚焦到靶上(工作波长为351nm时输出能量20kJ)。LMJ将在随后几年逐步增加其激光能量,来达到176路光束输出1.5MJ能量的目标。我们在此展示的是应用于LMJ的首两套X射线成像诊断系统的设计,度量及测试。它们包含门控制的2D中视场和大视场X射线成像仪(GXI-1GXI-2),并吸收了法国多年来开发的,代表目前技术水平的成像设备。

系统的基础是名为ARGOSX射线显微镜,可将等离子体成像在门控制的远程探测器上。在0.5-15keV的能量范围内,其可传输等离子体的时间和空间分辨率,带宽和X射线图像。显微镜包括有多层镀膜的X射线掠入射反射镜,小孔,以及折射透镜。ARGOS探测器是一种带荧光粉转换器和气冷可见光CCD摄像机的大尺寸微通道板(MCP)探测器。其设计近似于在国家点火装置上运行的门控摄像机。

所有ARGOS组件安装在一个气盒(充满气体的真空密封盒)内来确保这些内部设备得到适当的热扩散和冷却。GXI集成在LMJ的诊断介入系统(DIS)中。

2. 成像系统描述

GXI-1具有12X射线通道,其中八个含有掠入射角反射镜和一个滤波器,四个直通通道则含有小孔和一个滤波器。十二个X射线通道的每个图像沿着四个13.5毫米高,约70毫米宽的带状线产生(图1)。在目前的环境下,最短的脉冲成形模块的光学门宽约为110~130ps。沿着带状线传输的图像在时间上以130ps为间隔进行分隔。为了获得最优的数据返回,可实现一个约1.56ns130ps×12)的准连续时间曲线,即假定激光等离子体辐射持续时间约2ns。通过适当地调整带状线内的时间交错,可获得更好的时间演化,代价是连续时间曲线变得更短。

1 ARGOS微通道带状线图样

GXI-2GXI-1近似,但拥有更大的视场(FOV)。其光学设计包括用折射透镜取代小孔。主要性能总结在表I中。


1 GXI-1GXI-2成像诊断系统性能

3. 显微镜设计

显微镜的设计使用了LMJ的约束条件:光源到光学件的距离很大,且进行多重成像(12×)。紧凑度的要求使我们选择在主成像系统中使用超环面反射镜代替经典的科克帕特里克-贝兹(KB)反射镜。超环面形状与KB反射镜的圆柱形比较,在亮度方面还有某些优势,因为只有一片超环面反射镜要求用于2D聚焦。显微镜的设计包含了对四组两两成对,共八块反射镜的排布。通过在径向和切向方向上使用焦点公式,超环面反射镜的曲率Rr首次进行了估值,即让为光源到光学件的距离,为光学件到探测器的距离,而为入射角(图3)。

光学件的设计见图3


2 径向和切向焦距公式

3 GXI-1成像诊断系统的光学设计(单位为毫米)

4. ARGOS X射线门探测器

ARGOS X射线门探测器包含以下电子和机械组件:密封气盒,冷却系统的安装结构,一个MCP探测器和一个CCD摄像机系统,一个门控电子包,以及一个机载环境传感器包。仪器运行与LMJ相一致,两小时的发射轮次可进行远程仪器监控,并对感光度,时序,电压,电流及健康状况进行调整。

5. GXI-1LMJ上的试运转

2014年晚期,在LMJ上进行首次带GXI-1的测试,启用了LMJ的八条光路,在351nm的工作波长下输出了20kJ的能量。第一种由金箔制成,尺寸为4mm×4mm,具有指示点状形状(尺寸为50μm-200μm)的靶以如图4所示的设计投入了应用。这种靶由MIMOTEC瑞士公司以紫外显微光刻的技术进行生产。

4 通过GXI-1瞄准发射的靶设计


实验结果显示了与准直预测良好的一致性,在XY轴的精度为150μm。由于与反射镜相比,小孔的感光度较低,因此中间一栏是看不到的。

第二轮实验于2015年早期开展,使用网格靶来测量GXI-1的空间性能。实验结果显示在图5中,并与预测的结论一致性良好,在半峰宽处的空间分辨率为35μm

5金箔靶图样及在GXI-1上的实验结果

6. 结论

首套门控制的X射线成像诊断系统已经应用于LMJ上。其包含了X射线显微镜和大型门控X射线探测器,可给出靶的12张图像,并达到100ps的时间分辨率。在GXI-13mm的视场中空间分辨率约为35μm

顾侃摘译自:First set of gated x-ray imaging diagnostics for the Laser Megajoule facility, AIP Review of Scientific Instruments, 87, 033706(2016)



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