一種用于Z 箍縮實驗的軟X 射線成像系統

周少彤 任曉東 黃顯賓 徐強

(中國工程物理研究院流體物理研究所, 脈沖功率重點實驗室, 綿陽 621999)

基于塑料閃爍體轉換和光學條紋相機的方法建立了一套用于Z 箍縮實驗中的軟X 射線條紋圖像診斷系統, 解決了以往實驗中使用的X 射線條紋相機易被電磁環境干擾以及相機電極部件易被實驗產生的高速粒子損傷的問題.診斷系統的光譜響應范圍主要集中在0.2—10 keV, 系統的空間分辨率經過理論評估小于120 μm, 通過標定閃爍體對X 射線的時間響應特性給出了系統的時間分辨率約為1 ns.診斷系統拍攝到了鋁絲陣內爆等離子體的一維空間和時間分辨的X 射線條紋圖像, 給出了等離子體的內爆一致性和輻射均勻性等特征信息.

1 引 言

Z 箍縮技術是目前在實驗室產生強軟X 射線輻射源的有效途徑之一[1].在Z 箍縮驅動的慣性約束聚變[2]和X 射線輻射應用[3]等實驗研究中, 箍縮等離子體的向心運動、輻射熱波的傳輸以及靶丸壓縮等主要物理過程, 都伴隨著能量轉換和傳輸問題, 而這些物理過程所遵循的規律都與等離子體自身發射的X 射線所攜帶的信息密切相關.因此,對X 射線的輻射參數及其時空分布特性等物理參量的精密診斷技術[4,5]就成為了Z 箍縮技術的重要研究內容.條紋相機作為重要的時空診斷方法之一, 可以直接拍攝發光光源的一維空間分辨和時間分辨圖像, 獲取其輻射強度的空間和連續時間分布信息[6,7].目前, 用于拍攝紫外到紅外波段的光學條紋相機的最快時間分辨能力已經達到了100 fs, 空間分辨可大于20 lp/mm, 動態范圍也達到10000∶1;而對X 射線光源進行診斷的X 射線條紋相機, 由于其應用范圍較窄, 對時間的分辨能力需求不高,因此, 其最快時間分辨一般為10 ps 量級.但是, 在對X 射線光源進行時間掃描圖像的實驗診斷中,其實驗環境更加復雜, 而實驗目的更注重于如何獲取各類不同條件下產生的X 光源的光譜、特定位置的光強等時空信息, 因此, 研究方向更集中于如何將X 射線條紋相機與濾片、晶體等光譜色散器件耦合使用.在美國的OMEGA 激光裝置和NIF國家點火裝置上的慣性約束聚變實驗研究中, 使用了針孔成像部件、晶體色散器件與X 射線條紋相機耦合的方法拍攝到了不同光譜能段X 射線的空間和時間分布圖像, 從而給出了黑腔壁運動軌跡、輻射熱波傳播軌跡和速度以及等離子體不穩定性發展等動力學特征參量[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驗研究中, 采用多個平面鏡、濾光片配接X 射線條紋相機的診斷方法, 實現了在亞千電子伏特能區內三個不同波段軟 X 射線的時間和空間分辨測量[10].

中國工程物理研究院流體物理研究所于2014 年成功研制了一臺輸出電流峰值8—10 MA、電流上升前沿(10%—90%)約70 ns 的強脈沖功率源裝置[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相關的高能量密度物理實驗,并獲得了較好的實驗結果[12,13].實驗中, 多套用于各類物理數據測量的診斷系統安裝于靶室周圍[14],其中, 一臺位于負載徑向方向的X 射線條紋相機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 射線輻射強度的時空分布信息[15].相機的光譜響應為0.1—10 keV,在實驗中的典型時間分辨率為百皮秒量級, 空間分辨率為百微米量級.根據診斷需求, X 射線條紋相機必須安裝在靶室近端并與靶室診斷窗口連通, 同時相機的陰極正對靶心, 這就導致相機的光電陰極和金屬柵網容易被放電過程中產生的高速帶電粒子和爆炸顆粒損壞; 而裝置放電時產生的瞬態強電磁場[16]也會干擾相機的觸發和掃描電路, 使其無法正常工作.本文設計了一套基于塑料薄膜閃爍體轉換的X 射線條紋相機系統, 利用塑料閃爍體和光纖傳像束將X 射線圖像轉換成可見光圖像并傳輸到靶室遠端的電磁屏蔽柜內, 再使用光學條紋相機對圖像進行掃描, 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參數基本不變的情況下, 避免了高速粒子對條紋相機元器件的損壞, 并最大限度地降低了強電磁場對相機電路的干擾, 提高了相機的使用壽命.

2 診斷系統設計

基于塑料薄膜閃爍體轉換的X 射線條紋相機系統主要由X 射線成像狹縫、塑料薄膜閃爍體、光纖傳像束、光學條紋相機以及同步觸發單元組成,系統的結構和實驗布局如圖1 所示.圓柱形等離子體輻射的X 射線經過成像狹縫, 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 射線圖像轉化為可見光圖像后, 通過傳像束將可見光圖像輸入光學條紋相機; 光學條紋相機利用取樣狹縫沿圖像的空間分辨方向截取圖像, 并對取樣圖像進行掃描, 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 相機記錄.

實驗中, 為了保證光學條紋相機的工作時間與X 射線的發光時間同步, 建立了診斷系統的同步觸發單元.選取驅動裝置激光觸發氣體開關的激光信號作為診斷系統的觸發源信號[17], 經過光電倍增管轉換為電信號后觸發數字延時發生器, 經過延時后輸出三路不同時間間隔的TTL 信號, 分別觸發光學條紋相機的光陰極電壓、像增強器電壓和掃描電路偏壓, 確保條紋相機的工作時間與X 射線發光時間同步.實驗中, 條紋相機工作時間與X 射線發光時間之間的時間抖動主要由觸發源信號與X 射線信號之間的時間抖動、同步觸發單元中各電子器件本身的時間抖動和條紋相機固有延時的抖動來決定.其中, 電子器件和條紋相機的固有延時抖動一般在幾十到幾百皮秒量級, 均遠小于觸發源信號與X 射線信號之間的時間抖動, 因此,診斷系統工作時間與X 射線信號之間的同步時間抖動主要決定于觸發源信號與X 射線信號之間的時間抖動.經過多次測量, 對于同一類型負載的實驗, 激光觸發氣體開關的激光信號與X 射線信號之間的時間抖動小于2 ns, 完全滿足實驗中相機系統工作在全屏掃描時間為50/100 ns 模式下對時間同步的要求[18].

圖1 診斷系統結構和實驗布局Fig.1.Schematic of components of the diagnostic system and experimental setup.

采用這種方法設計的X 射線條紋相機系統的優點在于: 第一, 光學條紋相機通過光纖傳像束與真空靶室隔離, 消除了高速粒子對相機陰極器件的損壞, 實驗中只需要更換被高速粒子損壞的成像狹縫即可; 第二, 光學條紋相機被放置在一個全封閉的電磁屏蔽柜中, 最大限度地降低了強電磁環境對相機電子器件的干擾; 第三, 在診斷設計上可以縮小等離子體與成像狹縫以及成像面之間的距離, 增強了接收X 射線的輻射強度, 同時降低成像狹縫對低能光子的衍射效應, 提高圖像的空間分辨率;第四, 診斷系統不含真空設備, 消除了由于真空帶來的系統結構設計、線路布局、抗電磁干擾以及工作穩定性等方面的問題.

2.1 系統的光譜響應

診斷系統的光譜響應主要由塑料薄膜閃爍體對X 射線的譜響應來決定.另外, 系統采用了擋光濾片來遮擋實驗中發射的可見光, 因此, 還需要考慮擋光濾片對X 射線的透過率.

系統采用了ELJEN 公司生產的EJ-232 型塑料閃爍體, 它由聚苯乙烯(C8H8)作為基質, 摻入微量閃爍物質和移波劑制成, 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, 相機系統的光譜響應可以表示為

式 中, TMylar(E) 和 TAl(E) 分 別 表 示Mylar 膜 和 鋁膜對不同光子能量X 射線的透過率; APS(E) 表示塑料閃爍體對不同光子能量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) 分別表示對于不同光子能量的Mylar 膜的線衰減系數、鋁膜的線衰減系數和塑料閃爍體的線質能吸收系數.圖2分別給出了2 μm 厚的Mylar 膜和200 nm 厚的鋁膜對X 射線的透過率、0.05 mm 厚的EJ-232型塑料閃爍體對X 射線的吸收效率以及診斷系統對X 射線的光譜響應范圍.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, 因此相機系統對于小于1 keV 范圍的光譜響應, 僅分別在280 和530 eV 處有一個透過率約8%的透射窗口, 并且當光子能量大于700 eV 后, 其透射率超過10%.總體來說, 相機系統的光譜響應范圍大約在0.2—10 keV 之間, 響應峰值為1.55 keV.

圖2 Mylar 膜對X 射線的透過率曲線(紅色虛線)、鋁膜對X 射線的透過率曲線(藍色點)、塑料閃爍體對X 射線的吸收效率曲線(綠色實線)以及診斷系統的光譜吸收曲線(黑色實線)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 系統的時間分辨

相機系統的時間分辨主要由光學條紋相機的時間分辨、取樣狹縫寬度以及塑料薄膜閃爍體對X 射線的響應時間決定.其中, 條紋相機在掃全屏時間為50—100 ns 的掃速下的時間分辨小于60 ps;取樣狹縫寬度的典型尺寸為50 μm, 它在條紋相機時間長度上對應的時間分辨也小于60 ps.由于它們遠小于閃爍體對X 射線的響應時間, 因此相機系統的時間分辨能力主要決定于塑料薄膜閃爍體對X 射線的時間響應.

利用X 箍縮[19]產生的X 射線脈沖, 對厚度0.05 mm 的EJ-232 型塑料閃爍體的時間響應進行標定.X 箍縮光源的發射光譜一般在1—10 keV 范圍內, 與系統的光譜響應范圍較一致; X 箍縮光源發射的X 射線脈沖的持續時間為百皮秒量級, 遠小于塑料閃爍體對X 射線的響應時間(納秒量級),可以作為標準時間光源.標定實驗中, 同時獲取X 箍縮產生的X 射線脈沖的輻射強度隨時間變化的信息和X 射線脈沖經過閃爍體轉換后產生的熒光的發光強度隨時間的變化信息, 通過對時間信息的對比就可以獲取塑料閃爍體對X 射線的時間響應參數.實驗測量中, X 射線脈沖由X 射線二極管測量, 閃爍體轉換后產生的熒光通過光電倍增管測量, 測量結果由示波器記錄, 以上測試設備和用于信號傳輸的同軸電纜的時間響應均小于100 ps, 滿足對X 射線脈沖和熒光脈沖時間參數的測量要求.因為在X 箍縮產生的X 射線脈沖中, 低能光子的發射持續時間較長, 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,以保證標定光源具有較短的發光持續時間.

圖3 塑料薄膜閃爍體對X 射線時間響應特性的標定結果Fig.3.The calibration results of the time response of the scintillator foil to X-rays.

圖3 (a)給出了同一實驗發次中示波器記錄的X 射線二極管和閃爍體-光電倍增管的輸出電信號.可以明顯看出, X 射線脈沖經過閃爍體轉換成熒光后, 在時間坐標上存在明顯的展寬現象.信號的半高寬從290 ps 增加到1230 ps; 信號上升沿(10%—90%)從200 ps 增加到310 ps; 信號下降沿(10%—90%)從290 ps 增加到1830 ps.閃爍體對多個X 射線脈沖信號的時間響應如圖3(b)所示.圖中X 射線二極管測量的結果為2 個X 射線脈沖信號,其中第1 個脈沖信號具有雙峰結構, 同時, 從閃爍體-光電倍增管的測量結果中也可以觀察到2 個脈沖信號, 但是無法分辨第1 個脈沖信號的雙峰結構.如果定義第一個脈沖信號的半高寬的中間時刻為這個脈沖信號的峰值時刻, 那么, 2 個脈沖信號峰值時刻的時間間隔為1020 ps.也就是說, 對于2 個時間間隔為1020 ps 的脈沖信號, 閃爍體具有對其進行時間分辨的能力.

2.3 系統的空間分辨

根據診斷系統的構成, 拍攝圖像的空間分辨率可由以下經驗公式給出:

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 是系統中鏡頭的空間分辨率, σSC是光學條紋相機的動態空間分辨率, 通過標定數據給出σSC< 35 μm.

其中, 成像狹縫對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; 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 射線轉換成熒光并輸入傳像束.因此, 塑料閃爍體對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是當熒光從塑料閃爍體內部射出時, 折射角θRe等于傳像束最大入射角時的入射角; 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°.

實驗中, 考慮接受到的X 射線強度對圖像信噪比的影響, 診斷系統的成像狹縫寬度設置為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, 可以計算得出, 系統的理論空間分辨率σ < 125 μm.

3 實驗結果

診斷系統在裝置驅動的鋁絲陣K 殼層輻射光源[20]構建技術的實驗中進行了考核, 拍攝到了鋁等離子體發射的X 射線條紋圖像.首先對診斷系統拍攝的X 射線圖像的本底進行確認, 獲取了未加塑料閃爍體情況下的本底圖像, 圖像強度的平均讀數與用于圖像記錄的CCD 相機的噪音讀數相當, 這說明系統中擋光濾片較好地完成了對光源中發射的可見光的屏蔽.

診斷系統拍攝的X 射線條紋圖像如圖4(a)所示.圖像中的本底信號強度讀數的平均值約450,最強信號的讀數大于10000, 圖像的信噪比大于20.圖中橫坐標為時間軸, “0”時刻對應X 射線輻射功率的峰值時刻; 縱坐標為負載的軸向方向.可以明顯看出, 鋁等離子體的發光持續時間較長,可分為兩個階段: 以“0”時刻為中心持續時間約10 ns 的主要發光階段和超過50 ns 的發光拖尾階段.這也與實驗中拍攝到的X 射線分幅圖像所顯示出的等離子體出現較強的不穩定性現象相符合.

在圖4(a)的時間坐標上分別選取–2, 0, 2 和10 ns 四個內爆時刻, 每個時刻沿軸向方向給出X 射線圖像的強度分布曲線圖, 如圖4(b)所示.可以看出, 在–2 到2 ns 的時間內, 等離子體在軸向不同位置的發光強度并不一致, 這說明了等離子體向心運動的同步性較差.以X 射線條紋圖像的時間軸為橫坐標, 對圖像在軸向方向上的曝光強度進行積分并歸一化, 可以獲得等離子體發射的X 射線的輻射功率, 將它與X 射線二極管探測器獲得的X 射線的輻射功率波形的歸一化曲線進行比較,結果如圖4(c)所示.圖中, 紅色曲線通過掃描圖像處理得到, 藍色曲線為X 射線二極管測量獲得.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間都略大于X 射線二極管的測量結果.經分析, 導致這兩套診斷設備獲取的X 射線脈沖在時間特性上的差別可能有兩個原因: 一是兩套診斷設備的光譜響應不同; 二是相機系統對于能量小于1.5 keV 光子的時間響應較長.在所有的10 發次考核實驗中, 診斷系統沒有出現相機電路被強電磁場干擾的現象,獲取圖像的成功率達到100%; 另外, 從診斷系統開始使用到目前為止, 共參與實驗近100 發次, 相機始終工作正常, 沒有任何器件出現故障.

圖4 診斷系統拍攝的X 射線條紋圖像結果 (a)鋁等離子體的X 射線條紋圖像; (b)X 射線在不同時刻沿軸向方向的輻射強度分布曲線; (c)成像系統和XRD 探測器獲取的X 射線輻射強度隨時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 小結與展望

設計了基于閃爍體轉換的X 射線條紋成像系統.利用塑料閃爍體和光纖傳像束將X 射線圖像轉換成可見光圖像并傳輸到遠離真空靶室的位于電磁屏壁柜內的光學條紋相機, 既保護了條紋相機的元器件不會被實驗中發射的高速粒子損壞, 同時又解決了條紋相機易被強電磁環境干擾的問題.系統的光譜響應范圍主要集中在0.2—10 keV, 其空間分辨率的理論評估結果小于125 μm, 通過塑料閃爍體對X 射線的時間響應特性的標定實驗給出了系統的最高時間分辨率約為1 ns.系統在考核實驗中獲取了鋁等離子體光源的X 射線一維空間分辨和時間分辨條紋圖像, 給出了光源輻射強度的時空分布信息.

成像系統對光譜的非平響應特征影響了對圖像數據的物理分析, 尤其是系統在光子能量小于1.5 keV 范圍內的非平響應特征, 對于X 射線光源的總能量在這一范圍內占有較大比例的Z 箍縮實驗進行物理分析時, 其影響不能忽略.因此, 下一步將通過開展對塑料閃爍體的光譜響應曲線的實驗標定工作, 給出診斷系統較精確的光譜響應數據;另外, 試圖通過對阻擋本底可見光的方法進行優化, 消除擋光濾片對相機系統在低能段光譜響應效率的影響.