本發(fā)明涉及X射線光譜測量和成像領域，尤其涉及一種X射線光譜測量和分幅成像系統。

背景技術：

在慣性約束聚變中，高功率激光產生的等離子體發(fā)射的X射線能譜特征受等離子體狀態(tài)(電子密度、發(fā)射體溫度和電荷態(tài)等)制約，不同的等離子體狀態(tài)其發(fā)射的X射線的譜形和相對強度等均不相同。因此，通過測量等離子體發(fā)射的X射線能譜可以診斷激光產生的等離子體的溫度、電子密度和X射線發(fā)射體的電荷態(tài)。不同波段的X射線，其能譜測量的方法也不完全相同，常用于測量激光等離子體發(fā)射的X射線能譜的儀器有晶體譜儀、光柵譜儀和多層膜反射鏡。在2-20keV波段，用晶體譜儀做能譜測量儀器具有能譜分辨率高，集光效率強等優(yōu)點。因此，晶體譜儀在激光與物質相互作用、X射線激光、慣性約束聚變以及原子過程和凝聚態(tài)物理研究中有著重要應用。特別是在慣性約束聚變(ICF)中，對靶丸燃燒產生的高溫等離子體輻射出的超熱X射線高分辨、高靈敏、大波段的精確測量和與圖譜學分析，對核聚變的研究具有重要意義。

對高溫等離子體的X射線輻射的診斷，除了能譜診斷外，對等離子體的X射線精密成像也是非常重要的。對輻射的X射線進行時間和空間特性的精確診斷，是深入了解等離子體X射線發(fā)射機制、輻射輸運、內爆動力學過程及輻射流體力學過程的重要途徑，可以提供ICF靶中由于做功和能量(電子熱傳導、輻射熱傳導)輸運導致的流體狀態(tài)的空間演化信息。目前，對等離子體輻射的兩維空間分布隨時間變化情況的研究，主要利用的是X射線分幅成像。X光分幅相機由針孔陣列、陰極微帶線、微通道板(MCP)、熒光屏和脈沖發(fā)生器等組成，在記錄面上形成的是按時間順序排布的陣列二維圖像，時間分辨幾十皮秒，二維空間分辨約10微米，光譜響應范圍為0.1—10keV。

現有的X射線能譜測量和分幅成像設備都是獨立的儀器設備，在使用的時候需要獨立的進行安裝、調試、采集等操作，相對復雜，占用空間體積大，特別是在黑腔診斷孔數量有限的情況下，同時獲得靶丸產生等離子體輻射X射線的能譜信息和時空成像是比較困難的。且在現有的光譜測量設備中，單臺彎晶測譜儀器的測譜范圍通常都很窄，很難同時獲得較寬的能譜范圍。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種X射線光譜測量和分幅成像系統。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現上述目的：

本發(fā)明包括濾片、針孔陣列板、屏蔽片、通道一彎晶分析器、通道二彎晶分析器、通道三彎晶分析器、通道四彎晶分析器、限光狹縫Ⅰ、限光狹縫Ⅱ、通道一光譜記錄介質、通道二光譜記錄介質、通道三光譜記錄介質、通道四光譜記錄介質、通道五成像記錄介質和X射線光源，所述濾片位于所述X射線光源和屏蔽片之間，所述針孔陣列板位于所述屏蔽片上，所述屏蔽片位于所述濾片的后方，所述通道一彎晶分析器、所述通道三彎晶分析器、所述通道一光譜記錄介質和所述通道三光譜記錄介質位于所述限光狹縫Ⅰ的四周，所述通道二彎晶分析器、所述通道四彎晶分析器、所述通道二光譜記錄介質和所述通道四光譜記錄介質位于所述限光狹縫Ⅱ的四周，所述通道一、通道二、通道三和通道四均為光譜測量通道，所述通道五為成像通道，其成像記錄介質位于所述針孔陣列板的后方，所述限光狹縫Ⅰ和所述限光狹縫Ⅱ分別位于所述針孔陣列板和所述通道五成像記錄介質之間的兩側。

從X射線光源發(fā)出的X射線穿過濾片后一部分從屏蔽片中心通過針孔陣列板成像到成像記錄介質上，另一部分從屏蔽片的通光孔入射到彎晶分析器的橢圓彎晶上，彎晶衍射后的光譜通過限光狹縫后由光譜記錄介質接受和記錄；所述的針孔陣列板和屏蔽片都有裝調刻線，所述針孔陣列板的裝調刻線與針孔陣列板的每一列及每一行陣列通孔中心對齊，所述屏蔽片的裝調刻線與針孔陣列板的裝調刻線對齊；所述的彎晶分析器包括橢圓彎晶和基底，所述的每一個彎晶分析器的橢圓柱面具有相同的焦距，不同的短半徑和長半徑；所述的每一個光譜測量通道中，X光光源和限光狹縫分別位于所述橢圓的兩彎晶上，位于成像通道外同一側的光譜測量通道使用同一個限光狹縫；所述的光譜測量通道數量為四個、三個或者兩個，所述每一個光譜測量通道使用獨立的彎晶分析器和光譜記錄介質，光譜記錄介質為時間積分的成像板、時間分辨的條文相機、CCD或者膠片；所述的成像記錄介質為時間分辨的分幅相機，X光成像板、CCD或者膠片。

所述屏蔽片上開有成像通道通光孔和光譜測量通光孔，因此，屏蔽片可以阻擋有用光路以外的雜散光進入系統內部。

所述橢圓彎晶分析器包括橢圓彎晶和基底。在所述的基底側面機械加工一個橢圓柱面，彎晶緊貼在基底的橢圓柱面上形成橢圓彎晶。所述的每一個橢圓彎晶分析器的橢圓柱面具有相同的焦距，不同的短半徑和長半徑，橢圓滿足橢圓方程。所述X光光源和限光狹縫分別位于橢圓的兩個焦點上。因此橢圓一個焦點上的X光光源發(fā)出的光經過橢圓彎晶衍射分光后在橢圓另一個焦點上的限光狹縫處匯聚，穿過限光狹縫后再色散開形成光譜被光譜記錄介質探測。

所述橢圓彎晶光譜選擇原理是基于X射線的Bragg衍射原理，衍射布拉格公式：2d sinθ＝nλ，d是晶體的晶格常數，θ是晶面衍射角，n是衍射級次，λ為波長。晶體材料為石英、硅(Si)、鍺(Ge)、云母或其他晶體材料。

所述的光譜測量通道數量為四個、三個或者兩個，所述每一個光譜測量通道使用獨立的橢圓彎晶分析器和光譜記錄介質，成像通道同一側的光譜測量通道具有相同的橢圓焦點，且使用同一個限光狹縫。光譜記錄介質為時間積分的成像板、時間分辨的條文相機、CCD或者膠片。

所述分幅成像通道時有針陣列板和成像記錄介質組成。所述的成像記錄介質為時間分辨的分幅相機，X光成像板、CCD或者膠片。X光光源發(fā)出的光通過屏蔽片中心的針孔陣列板后所成的像由分幅記錄介質記錄。針孔陣列板的每一個針孔都會對光源成一個像，因此在成像記錄介質上可以得到與針孔陣列板針孔數相等的光源像。成像記錄介質若為分幅相機，則可以獲得隨時間變化的X光源二維圖像。

所述濾片放置在屏蔽片前端，濾片可以阻擋可見光進入系統內部，以免對有用X光信號產生干擾，濾片材料為重金屬。

X射線光譜測量和分幅成像系統可以廣泛的應用于激光慣性約束聚變、Z箍縮聚變、實驗室天體物理、X射線激光和激光等離子體等重要研究領域，可以用來診斷等離子體的光譜信息，以及隨時間變化的空間演化過程。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明是一種X射線光譜測量和分幅成像系統，與現有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明的X射線光譜測量和分幅成像系統，相比于單一的光譜測量通道，可以根據測譜范圍的需求，選擇多個橢圓彎晶分析器和光譜記錄介質組成的多個光譜測量通道，極大的擴大了光譜測量范圍，能夠在激光等離子體實驗中一次性獲得寬范圍的X射線光譜信息。

2、本發(fā)明的分光元件采用橢圓彎晶分析器，可以實現長距離測譜，同時提高了光譜測量通道的集光效率。

3、本發(fā)明的X射線光譜測量和分幅成像系統，具有同時測量X射線光譜和分幅成像的功能，可以在同一發(fā)實驗中同時獲得光源的光譜信息和隨時間變化的二維空間成像，避免了等離子體的不穩(wěn)定性和不重復性對實驗產生的干擾。

4、本發(fā)明的X射線光譜測量和分幅成像系統，相比于獨立的X光譜測量儀和X光分幅成像系統，具有體積小、操作簡單等優(yōu)點，且使用時只需要占用一個診斷孔，這對于間接驅動下黑腔診斷孔有限的條件下進行等離子體的光譜和空間診斷非常重要。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中的五通道X射線光譜測量和分幅成像系統；

圖2為本發(fā)明實施例1中屏蔽片4示意圖。

圖3為本發(fā)明中實施例1橢圓彎晶測譜的光路圖。

圖4為本發(fā)明中實施例1中一個光譜記錄介質接收的光譜信號。

圖5為本發(fā)明中實施例1中針孔陣列板示意圖。

圖6為本發(fā)明中實施例1中成像記錄介質分幅相機記錄的成像結果。

圖中：1、濾片；2、針孔陣列板；3、屏蔽片；4、通道一彎晶分析器；5、通道二彎晶分析器；6、通道三彎晶分析器；7、通道四彎晶分析器；8、限光狹縫Ⅰ；9、限光狹縫Ⅱ；10、通道一光譜記錄介質；11、通道二光譜記錄介質；12、通道三光譜記錄介質；13、通道四光譜記錄介質；14、通道五成像記錄介質；15、X射線光源。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1所示：本發(fā)明包括濾片1、針孔陣列板2、屏蔽片3、通道一彎晶分析器4、通道二彎晶分析器5、通道三彎晶分析器6、通道四彎晶分析器7、限光狹縫Ⅰ8、限光狹縫Ⅱ9、通道一光譜記錄介質10、通道二光譜記錄介質11、通道三光譜記錄介質12、通道四光譜記錄介質13、通道五成像記錄介質14和X射線光源15，所述濾片1位于所述X射線光源15和屏蔽片3之間，所述針孔陣列板2位于所述屏蔽片3上，所述屏蔽片3位于所述濾片1的后方，所述通道一彎晶分析器4、所述通道三彎晶分析器6、所述通道一光譜記錄介質10和所述通道三光譜記錄介質12位于所述限光狹縫Ⅰ8的四周，所述通道二彎晶分析器5、所述通道四彎晶分析器7、所述通道二光譜記錄介質11和所述通道四光譜記錄介質13位于所述限光狹縫Ⅱ9的四周，所述通道一、通道二、通道三和通道四均為光譜測量通道，所述通道五為成像通道，其成像記錄介質14位于所述針孔陣列板2的后方，所述限光狹縫Ⅰ8和所述限光狹縫Ⅱ9分別位于所述針孔陣列板2和所述通道五成像記錄介質14之間的兩側。

從X射線光源發(fā)出的X射線穿過濾片后一部分從屏蔽片中心通過針孔陣列板成像到成像記錄介質上，另一部分從屏蔽片的通光孔入射到彎晶分析器的橢圓彎晶上，彎晶衍射后的光譜通過限光狹縫后由光譜記錄介質接受和記錄；所述的針孔陣列板和屏蔽片都有裝調刻線，所述針孔陣列板的裝調刻線與針孔陣列板的每一列及每一行陣列通孔中心對齊，屏蔽片可以通過插銷進行插拔重復定位。因此，每次系統裝調完成后，實驗中需要更換針孔陣列板時，只需要更換裝有針孔陣列板的屏蔽片即可，更換完成后不需要再進行裝調即可進行實驗。所述屏蔽片的裝調刻線與針孔陣列板的裝調刻線對齊；所述的彎晶分析器包括橢圓彎晶和基底，所述的每一個彎晶分析器的橢圓柱面具有相同的焦距，不同的短半徑和長半徑；所述的每一個光譜測量通道中，X光光源和限光狹縫分別位于所述橢圓的兩個焦點上，位于成像通道外同一側的光譜測量通道使用同一個限光狹縫；所述的光譜測量通道數量為四個、三個或者兩個，所述每一個光譜測量通道使用獨立的彎晶分析器和光譜記錄介質，光譜記錄介質為時間積分的成像板、時間分辨的條文相機、CCD或者膠片；所述的成像記錄介質為時間分辨的分幅相機，X光成像板、CCD或者膠片。

實施例

本實施例為五通道X射線光譜測量和分幅成像系統，設計了四個測譜通道和一個分幅成像通道，目的是對目標X光源同時實現寬范圍光譜測量和具有時間分辨的二維空間成像。如圖1所示，該系統由濾片1，針孔陣列板2，屏蔽片3，通道1彎晶分析器4、通道2彎晶分析器5，通道3彎晶分析器6，通道4彎晶分析器7，限光狹縫Ⅰ8，限光狹縫Ⅱ9、通道1光譜記錄介質10，通道2光譜記錄介質11，通道3光譜記錄介質12，通道4光譜記錄介質13，通道5成像記錄介質14以及X光光源15等組成，其中通道1～4為光譜測量通道，通道5為分幅成像通道，光譜測量通道位于分幅成像通道的上下兩側，同一側的光譜測量通道使用同一個限光狹縫。

對于通道1，其測譜過程為：X光光源15發(fā)出的寬譜X光經過屏蔽片3(例如圖2所示的屏蔽片)上的通光孔后輻照到彎晶分析器4的橢圓彎晶上，滿足布拉格晶體衍射條件的光線通過晶體衍射后在上限光狹縫Ⅰ8處匯聚后再在空間色散開，最后色散開的光譜信號由光譜記錄介質10接收。對于通道2、通道3和通道4，其測譜過程與通道1類似，X光光源15發(fā)出的光穿過屏蔽片3上的通光孔后分別輻射到彎晶分析器5、彎晶分析器6和彎晶分析器7的橢圓彎晶上，經過晶體布拉格衍射后的光線在限光狹縫8和限光狹縫9處匯聚后在空間色散開，最后色散的光譜信號分別由光譜記錄介質11、光譜記錄介質12和光譜記錄介質13接收。

橢圓彎晶測譜的光路如圖3所示。X光光源15和限光狹縫Ⅰ8(或限光狹縫Ⅱ9)分別位于橢圓彎晶所在橢圓的兩個焦點F₁和F₂上，且四個光譜測量通道所在橢圓具有相同的焦距c和不同的長半徑a及短半徑b。橢圓彎晶所在橢圓滿足橢圓方程焦距對橢圓上任意一點P₁有其中y₀為點P₁的縱坐標。晶體對X射線的衍射滿足布拉格公式2d sin(θ)＝nλ，d是晶體的晶格常數，θ是晶面的衍射角，n為衍射級次，λ為波長。X光波長λ與能量E的關系為:通過上述公式即可得到橢圓彎晶上點P₁處衍射的X光的能量E與橢圓形狀及晶格常數d的關系。

本實例有四個光譜測量通道，為了獲得2-20keV的寬測譜范圍，每個通道的橢圓彎晶設計都不相同。本實例中，取橢圓焦距c＝450mm，根據上述彎晶的橢圓公式和布拉格衍射公式，可得到四個通道的橢圓參數以及光譜測量范圍，結果如表1所示。

所述橢圓彎晶分析器包括基底和彎晶兩個部分。將基底的一個側面按照表1中的參數加工成橢圓柱面，再將彎晶貼在橢圓柱面上形成橢圓彎晶分析器。本實例的限光狹縫Ⅰ8(或限光狹縫Ⅱ9)位于橢圓彎晶的焦點F2上，如圖1所示，同一側的光譜測量通道使用同一個限光狹縫，即通道1和通道3使用限光狹縫Ⅰ8，通道2和通道4使用限光狹縫Ⅱ9。所述兩個限光狹縫均使用重金屬材料(如鉭、鉛等)制作，狹縫寬度可在1毫米至3毫米之間選擇，其作用是阻擋光譜信號以外的雜散光進入光譜記錄介質中。

本發(fā)明的光譜記錄介質可以是膠片、X光成像版、MCP或CCD，也可以是條紋相機。本實施例中采用X光成像板作為光譜記錄介質(10、11、12和13)，則其中一個光譜測量通道的光譜記錄介質接收的光譜信號如圖4所示。

對于通道5，其成像過程為：X光光源15發(fā)出的X光經針孔陣列板2成像后被通道5成像記錄介質14接收。針孔陣列板2上按4×5陣列規(guī)則排布著20個貫穿通孔，通孔直徑10μm，針孔陣列板材料為鉭、鎢等重金屬。針孔陣列板的四周有用于瞄準的刻線，刻線中心與每一列、每一行通孔中心對齊，最終設計的針孔陣列板如圖5所示。

針孔陣列板2放置在屏蔽片3上，屏蔽片3上除了供五通道使用的通光孔外，還刻有與針孔陣列的每一行、每一列中心對齊的刻線，針孔陣列板2與屏蔽片3在顯微鏡下進行刻線對齊，并用膠將二者粘在一起。

本發(fā)明的光譜記錄介質可以是膠片、X光成像版、MCP或CCD，也可以是條紋相機，本實施例中采用X光成像板作為光譜記錄介質(10、11、12和13)，則其中一個光譜測量通道的光譜記錄介質接收的光譜信號如圖4所示。所述通道5的成像記錄介質14可以是X光成像板、膠片或CCD，也可以是分幅相機。本實施例中采用分幅相機作為成像記錄介質14，所獲得的成像結果如圖6所示。X光光源利用激光打靶方式產生，實驗條件為：8束激光，每束能量800J，脈沖寬度1ns，光波長351nm，靶為柱腔靶。實驗中，X射線光譜測量和分幅成像系統只占用一個診斷孔，同時獲得激光打靶產生等離子體的光譜信息和時間分辨的等離子體演化圖像。

以上所述，僅是本發(fā)明的可選實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。

雖然本發(fā)明已以可選實施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。