激光高能X射線成像中探測器表征與電子影響研究?

張?zhí)炜?于明海 董克攻 吳玉遲2) 楊靖 陳佳 盧峰李綱 朱斌 譚放 王少義 閆永宏 谷渝秋2)

1)(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點實驗室,綿陽 621900)2)(上海交通大學IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

(2017年6月25日收到;2017年8月17日收到修改稿)

1 引 言

自Tajima和Dawson[1]提出通過高強度激光驅動等離子體波來加速電子,即激光尾場加速機制以來,國內外已采用氣體噴嘴[2?4]、放電毛細管[5,6]、等離子體密度梯度注入[7,8]、雙束激光束對撞[9,10]等方案,研究獲得了能量幾十至GeV級的高能電子束[11?15].當前大量研究致力于從改進橫向發(fā)射度[16]、能散[9]等方面,提高激光尾場電子束品質.利用激光尾場電子產生高能光子主要有兩種方式:一種是電子與固體靶相互作用產生軔致輻射[17?19],另一種是電子與第二束激光作用產生湯姆孫散射光子[20,21],獲得的高能光子能夠應用于驅動巨偶極共振[22]、天然鈾中光致裂變[23]等研究.特別是由尾場電子通過軔致輻射機制產生的高能X射線具備高光子能量、小源尺寸及低劑量(輻射防護容易滿足)的優(yōu)點,在高空間分辨無損檢測方面具有十分重要的應用,尤其適合于高面密度客體檢測[18,19,24?27].

基于激光尾場電子的高能X射線源尺寸只有幾十微米[19]至幾百微米[18],比基于傳統(tǒng)加速器的高能X射線源尺寸(其電子束斑一般為1.5—2 mm[28])要小,因此為了在透視照相中盡可能提高空間分辨率,必須發(fā)展匹配激光高能X射線的成像探測器.當前實驗中主要采用鍺酸鉍(BGO)陣列[18]、成像板[19,26]等成像介質,對閃爍體等探測器本征空間分辨、X射線能量響應等研究較少.此外,由于激光尾場加速電子能量比高能照相采用的傳統(tǒng)加速器電子能量(一般為2—15 MeV[28])高,因此穿透一定厚度高Z轉換靶后的殘余電子更多,在穿過2 mm厚度W轉換靶后,能量9 MeV電子殘余份額只有3×10?4,而能量60 MeV電子殘余份額高達2×10?2,因此殘余電子對透射照相的影響必須特別關注.目前研究中一般均采用磁場方式將殘余電子偏離照相方向[18,19],有無殘余電子實驗條件下的對比實驗研究不足.

因此,本文圍繞激光尾場電子與高Z轉換靶作用產生的高能X射線透視照相研究,展開相關工作.首先通過蒙特卡羅方法模擬設計轉換靶;第二測量探測器空間分辨率,并模擬能量沉積響應,獲得多種成像探測的參數(shù);第三模擬高面密度客體透視照相;第四開展客體透視照相實驗,獲得高面密度客體圖像;第五評估電子對照相影響,定量分析殘余電子因素.

2 模擬設計與探測器表征

圖1 (網(wǎng)刊彩色)激光高能X射線照相布局圖Fig.1.(color online)Lay-out of the radiography by laser-driven high energy X-ray.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)不同能量電子轟擊多種厚度Ta,W與Pb靶產生(a)–(c)軔致輻射劑量以及(d)最優(yōu)靶厚Fig.2.(color online)(a)–(c)The bremsstrahlung dose generated by electrons with different energy interaction with Ta,W and Pb targets with different thicknesses,and(d)optimum thickness.

本研究是在中國工程物理研究院激光聚變研究中心45 TW激光裝置上開展,該激光裝置激光到靶能量0.9 J,脈沖寬度24 fs,焦斑6.9μm(能量集中度58%),激光峰值強度約2.9×1019W/cm2.激光高能X射線透視照相布局見圖1,主要過程分為輻射產生、客體透視與圖像記錄三個環(huán)節(jié).首先飛秒激光與噴嘴噴射的氣體通過尾場加速獲得高能電子,電子與高Z轉換靶通過軔致輻射產生高能X射線;第二穿過靶的殘余電子再由磁鐵偏轉,高能X射線對客體進行透視照相;第三通過閃爍屏(或閃爍陣列)將X射線轉換為可見光,由光錐耦合可見光到CCD,從而記錄透視圖像.

2.1 轉換靶設計

首先模擬單能電子(能量設為20,40,60與80 MeV)與多種厚度Ta,W與Pb靶作用,輸運產生軔致輻射,單個電子對應的X射線劑量結果如圖2所示,模擬采用MCNP軟件實現(xiàn).以劑量最大為目標,獲得最優(yōu)靶厚的結果見圖2(d).結果顯示,X射線劑量隨著電子能量提高而顯著提升,三種不同靶材料下劑量基本一致;最優(yōu)靶厚隨著電子能量提高而增加,W與Ta靶的最優(yōu)厚度為1—1.5 mm,Pb靶的最優(yōu)厚度為1.6—2.5 mm.對于能量達60 MeV的高能電子,厚度1—2 mm的Ta靶產生X射線劑量基本不變,因此為保證高能電子打靶下X射線產額,同時兼顧靶的機械強度等,轉換靶優(yōu)化為2 mm的Ta靶.

圖3給出了厚度2 mm的Ta靶在不同能量電子作用下產生軔致輻射譜的比較,隨著電子能量提升,軔致輻射量增加十分顯著.能量1—10 MeV的X射線產額,80 MeV電子約是20 MeV電子的12倍,40 MeV電子約是20 MeV電子的3.8倍.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)厚度2 mm的Ta靶在不同能量電子作用下產生的軔致輻射譜比較Fig.3.(color online)The comparison between bremsstrahlung by the Ta target with a thickness of 2 mm impacted by electrons with different energies.

2.2 探測器空間分辨率測量與能量沉積模擬

表1列出了CsI閃爍針狀屏(由直徑約5μm針狀閃爍體垂直排布于屏表面)[29],BGO閃爍陣列(陣列像素大小500μm)與DRZ閃爍屏三類探測器的技術參數(shù).圖4是X射線光機上測量的探測器本征空間分辨率圖像.測量中將標準分辨率板(厚度0.05 mm Pb,線對數(shù)0.25—10.0 lp/mm)緊貼探測器前表面,X射線光機采用Mo靶,管電流0.2—1.0 mA,管電壓20—40 kV.根據(jù)圖4數(shù)據(jù)計算出調制傳遞函數(shù)(modulation transfer function,MTF)[30,31]曲線見圖5,將MTF值降低至10%對應的空間頻率作為空間分辨率,具體結果見表1第5列.

表1 三類成像探測器技術參數(shù)Table 1.Parameters of three types of imaging detectors.

圖4 探測器空間分辨率測量圖像Fig.4.The images for measuring the spatial resolution of the detectors.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)不同探測器的MTF曲線Fig.5.(color online)The MTF curves of different detectors.

采用蒙特卡羅方法模擬三種類型探測器對不同能量光子的能量沉積,結果如圖6所示,CsI與BGO的能量沉積值隨光子能量提高而增加,而DRZ由于靈敏層厚度很薄,在光子能量大于500 keV后能量沉積基本不變.綜合考慮空間分辨率與探測效率,CsI與BGO兩類探測器能用于激光高能軔致輻射測量,不過也存在各自的缺點:BGO空間分辨率很低,限制了高空間分辨照相的應用,同時存在均勻性差的不足;CsI對高能X射線探測效率過低,限制了在高面密度客體透視照相中的應用.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)探測器對于不同能量光子的能量沉積響應Fig.6.(color online)The energy deposition response of the detectors for the different energy photons.

3 透視照相分析

3.1 高面密度客體透視照相模擬

本研究中設計的高面密度客體如圖7所示,由兩層球殼組成,內層采用鎢銅合金,密度14.7 g/cm3,外徑18 mm;外層采用紫銅,密度8.9 g/cm3,外徑26 mm.為了驗證激光高能X射線源的穿透能力,在內層球殼中心設置中空結構,內徑為4 mm.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)高面密度客體實物圖Fig.7.(color online)Practicality picture of the high area density object.

模擬不同能量的單能X射線對雙層客體的透視照相圖像如圖8所示,圖9為對應的中心線X射線記錄信號強度.結果顯示:當光子能量大于1 MeV,照相結果就能反映客體結構信息;當光子能量大于2 MeV后,可獲得對中空結構分辨更清晰的照相結果,半徑值2,9與13 mm處能夠觀察到由于客體邊界(與客體半徑相對應)引起的數(shù)據(jù)明顯變化.中心像素的強度值在光子能量5 MeV時達到最大值,之后隨著光子能量增加,中心像素強度值略有降低,這表明對應圖7所示客體,穿透性最強的射線能量為5 MeV.

對比高能軔致輻射對雙層客體的照相結果見圖10,軔致輻射譜由40 MeV單能電子與Ta作用獲得,軔致輻射的照相結果介于1 MeV與2 MeV單能X射線照相結果之間,能夠反映照相客體的兩層結構.

3.2 客體透視照相實驗

實驗中采用噴嘴口徑0.7 mm,噴氣氣體He氣(氣壓約3000 kPa),獲得了激光尾場加速電子束電量30—60 pC,能量40—60 MeV,能譜如圖11所示.在此基礎上采用3 mm厚度Ta材料作為轉換靶,開展了透視照相實驗,布局如圖1所示,放大倍數(shù)為2倍,同時設置了高強度磁場強度的偏轉磁鐵,避開電子對照相的干擾.實驗中采用的轉換靶厚度比2.1節(jié)中設計值略大,主要因為與氣體靶作用后的剩余激光將燒蝕轉換靶(轉換靶距離噴嘴出口僅數(shù)毫米),導致轉換靶減薄,因此為了減少更換靶,提高實驗效率,采用略厚的轉換靶.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)不同單能X射線對兩層客體透視照相模擬圖像 (a)0.2 MeV;(b)1 MeV;(c)2 MeV;(d)3 MeV;(e)4 MeV;(f)5 MeV;(g)6 MeV;(h)7 MeVFig.8.(color online)The simulated radiographic images of the two-layer object using the monoenergetic X-ray with different energy:(a)0.2 MeV;(b)1 MeV;(c)2 MeV;(d)3 MeV;(e)4 MeV;(f)5 MeV;(g)6 MeV;(h)7 MeV.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)不同光子能量照相結果水平中心線數(shù)據(jù)Fig.9.(color online)The horizontal lineouts of the radiographic results by the different energy photons.

采用BGO陣列記錄的兩層客體透視照相原始圖像如圖12(a)所示,可以明顯看到兩層結構的交界面,中心空心結構也隱約可見.幾何均值濾波、調和均值與中值濾波方法[32]的結果分別見圖12(b)—(d),照相圖像已經能夠分辨中心空心結構,在圖12(e)所示的中值濾波中心線數(shù)據(jù)中間也能觀察到對應的小峰結構.兩層客體的面密度最高達到33.0 g/cm2,在中空結構處面密度達到27.7 g/cm2,照相圖像中能夠分辨客體內部結構,表明激光高能X射線源的穿透能力已能滿足高面密度客體透視照相的要求.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)軔致輻射能譜照相模擬圖像與水平中心線數(shù)據(jù)Fig.10.(color online)The simulated radiographic image obtained by the photons with bremsstrahlung and the horizontal lineouts.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)實驗測量的尾場電子能譜Fig.11.(color online)The experimental spectrum of the wake fi eld electrons.

圖12 BGO陣列記錄兩層客體照相的原始圖像與濾波結果 (a)原始圖像;(b)幾何均值濾波;(c)調和均值濾波;(d)中值濾波;(e)中值濾波結果水平中心線數(shù)據(jù)Fig.12.The raw radiographic image of the two-layer object recorded by BGO array and its fi lterirng results:(a)Raw image;(b)geometric mean fi ltering;(c)harmonic mean fi ltering;(d)median fi ltering;(e)the horizontal lineout of median fi ltering result.

圖13 CsI針狀屏記錄兩層客體照相的原始圖像與濾波結果 (a)原始圖像;(b)幾何均值濾波;(c)調和均值濾波;(d)中值濾波;(e)中值濾波結果水平中心線數(shù)據(jù)Fig.13.The raw radiographic image of the two-layer object recorded by CsI needlelike screen and its fi lterirng results:(a)Raw image;(b)geometric mean fi ltering;(c)harmonic mean fi ltering;(d)median fi ltering;(e)the horizontal lineout of median fi ltering result.

采用CsI針狀屏記錄的照相圖像及濾波結果見圖13,在濾波圖像上可以看到客體的兩層結構,但是中心空心結構在濾波圖像與中心線數(shù)據(jù)上都觀察不到,主要是由于CsI針狀屏對高能X射線的探測效率過低;此外獲得圖像的信號強度很弱,除去噪聲的圖像計數(shù)約比BGO陣列條件下低一個量級,上述結果與能量沉積響應的模擬結果(圖6)一致.

3.3 電子對照相影響評估

為了研究激光尾場電子對高能X射線照相的影響,分別開展了X射線照相(在轉換靶后加入偏轉磁鐵),X射線與電子混合照相(轉換靶后無偏轉磁鐵)以及電子照相(不加入轉換靶與偏轉磁鐵)三種情況比對實驗,測量圖像見圖14.實驗記錄采用CsI針狀閃爍屏,為了照相客體具有明顯的區(qū)分特征,內層鎢銅合金球殼只放入一半.結果顯示,軔致輻射照相能夠反映客體內部結構信息,但由于X射線探測效率較低,圖像的信號強度很弱,同時也不能反映客體中心的中空結構(如圖13);軔致輻射與電子混合照相的信號強度較高,但是有無內層客體結果的對比度較差;電子單獨照相情況下不能反映客體的內部結構.

為了定量評估電子的影響,在圖14所示圖像中選擇直穿、實心客體照相、空心客體照相三個典型區(qū)域的像素強度進行分析,如圖15所示.在圖15(a)所示像素強度分布中,作為X射線產生的源頭,尾場電子攜帶的能量大于X射線,此外電子在閃爍探測器中能量沉積效率高于X射線,因此電子照相下信號強度很高,約為X射線照相下信號強度的100倍.在直穿區(qū)域,X射線與電子混合照相的強度約為X射線照相強度的6倍,而在穿透空心、實心客體的區(qū)域混合照相的強度約為X射線照相強度的2倍,表明通過轉換靶后的殘余電子貢獻了穿透客體后強度的50%.圖15(b)給出了像素強度比的分布,以直穿強度作為分母,比較穿透實心客體與空心客體強度比的差異,強度比差異越大表明射線對兩種面密度客體區(qū)分能力越好,其中實心區(qū)域面密度27.7—33.0 g/cm2,空心區(qū)域面密度7.1—7.2 g/cm2.分析表明,X射線照相下兩個區(qū)域強度比相差約27%,電子與X射線混合照相下強度比相差12%,而電子照相強度比僅相差2%,因此在目前信噪比情況下從電子照相圖像(圖14(c)與圖14(f))區(qū)分不出實心與空心客體區(qū)域.

值得注意的是,利用通過轉換靶后的殘余電子與X射線混合照相,在空心與實心區(qū)域的強度比差異下降了一半,但在客體照相區(qū)域強度提高了一倍,因此在X射線產額不足或探測效率不夠的情況下,可采用X射線與電子混合透視照相,以犧牲對比度為代價,能較大程度地提高圖像的信號強度.

圖14 (網(wǎng)刊彩色)三種輻射情況下客體照相圖像 (a),(d)X射線;(b),(e)X射線與電子混合;(c),(f)電子;其中(a),(b)與(c)由灰度色標顯示;(d),(e)與(f)由parula的偽彩色標顯示Fig.14.(color online)The object radiographic images by three types of radiation:(a)and(d)X-ray;(b)and(e)mixed of X-ray and electron;(c)and(f)electron;(a),(b)and(c)are shown with gray color scale;(d),(e)and(f)are shown with parula color scale.

圖15 (網(wǎng)刊彩色)三種輻射的照相圖像中典型區(qū)域像素強度分布 (a)強度分布;(b)強度比分布Fig.15.(color online)The pixel intensity distribution of typical region in radiographic images by three types of radiation:(a)Intensity distribution;(b)intensity contrast distribution.

4 結 論

首先,通過蒙特卡羅軟件開展了不同電子與多種厚度高Z轉換靶作用產生軔致輻射模擬,優(yōu)化獲得轉換靶厚度為2 mm.第二,測量了CsI針狀閃爍屏、BGO陣列與DRZ閃爍屏三類探測器的本征空間分辨率,模擬了其對高能X射線的能量沉積響應,其中CsI針狀閃爍屏的空間分辨率高達8.7 lp/mm,可作為激光驅動X射線成像探測器備選,但存在著高能X射線探測效率不足的缺點.第三,在模擬高面密客體透視照相的基礎上,利用激光尾場加速電子與Ta轉換靶作用產生高能X射線,獲得了兩層客體的透視照相圖像,BGO陣列采集圖像中能夠分辨客體中心的空心結構,透視照相面密度最高達到33.0 g/cm2.第四,開展了X射線照相、X射線與電子混合照相以及電子照相三種情況的比對實驗,在定量分析圖像信號基礎上,在X射線產額不足或探測效率不夠情況下采用X射線與電子混合透視照相的方案,以犧牲對比度為代價,能較大程度地提高圖像信號強度.

本工作可對強激光驅動X射線中轉換靶設計、探測器優(yōu)化與照相實驗實施等研究提供有益參考,也可作為一般高能輻射成像研究的借鑒.

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