基于辐射转换和光谱滤波的X射线超快成像系统及方法

技术领域

本发明属于X射线超快成像领域，具体涉及一种基于辐射转换和光谱滤波分幅读取的X射线多分幅超快成像系统及方法。

背景技术

X射线超快成像技术在高能物理等领域应用较为广泛，如激光驱动惯性约束聚变实验中，激光驱动氘氚靶丸，使其内爆压缩并发生聚变，内爆压缩达到最大程度时产生的高温高密度物质为芯部，芯部热斑的对称性影响着聚变效率。由于芯部热斑演化过程在百皮秒量级，自发X射线谱段可到硬X射线，因此，皮秒级时间分辨的X射线超快成像技术对于研究芯部热斑的演化过程来说必不可少，对于提升聚变效率具有重要意义。

传统超快X射线成像技术包括主动泵浦探针法、行波选通分幅技术、固态分幅技术等。主动泵浦探针法使用亚皮秒量级的自由电子激光照射目标，使用目标的超快衍射图样反演目标结构，然而，主动的成像方式限制了其在惯性约束聚变等实验中的应用，无法捕获高温高密度等离子体自发X射线演化过程。行波选通分幅技术的时间分辨在百皮秒量级，无法满足时间尺度短于百皮秒量级的动态事件的捕获。固态分幅技术由劳伦斯利福摩尔国家实验室K.L.Baker等人提出(K.L.Baker,R.E.Stewart,P.T.Steele,S.P.Vernon,W.W.Hsing,andB.A.Remington,“Solid-state framing camera with multiple timeframes,”Appl.Phys.Lett.,vol.103,p.151111,Oct.2013.K.L.Baker,P.T.Steele,R.E.Stewart,S.P.Vernon,W.W.Hsing,andB.A.Remington,“Solid-state framing cameraoperating in interferometric mode,”Rev.Sci.Instrum.,vol.89,no.10,p.10G107,2018.)，采用半导体芯片实现辐射转换，将X射线信号转换到短波红外探针光上，并通过对探针光的多分幅成像，实现时间分辨在5ps的被动超快X射线成像。然而，固态分幅技术中探针光的多分幅成像是通过偏振延时及偏振分光实现的，分幅数量限制在两幅，无法精细化连续冻结目标动态信息。因此，亟需发展一种时间分辨在皮秒量级，分幅数量在几十幅量级的超快X射线成像手段。

发明内容

为了解决现有超快X射线成像技术，存在或通用性较差，或时间分辨在百皮秒量级，无法满足时间尺度短于百皮秒量级动态事件的捕获，或分幅数量有限的技术问题，本发明提供了一种基于辐射转换和光谱滤波的X射线超快成像系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种基于辐射转换和光谱滤波的X射线超快成像系统，其特殊之处在于：包括X射线耦合模块、半导体芯片模块、啁啾脉冲光产生模块、啁啾脉冲光耦合模块、相位提取模块、光谱滤波分幅读取模块、数据采集模块、图像处理模块以及同步控制模块；

所述X射线耦合模块用于将目标的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块上；

所述半导体芯片模块用于探测目标的X射线信号，将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

所述啁啾脉冲光产生模块用于产生线性啁啾脉冲光；

所述啁啾脉冲光耦合模块用于将啁啾脉冲光产生模块产生的线性啁啾脉冲光扩束、准直后，照射至半导体芯片模块，以及用于将经半导体芯片模块反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光耦合进相位提取模块；

所述相位提取模块用于将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

所述光谱滤波分幅读取模块用于将相位提取模块输出的线性啁啾光强度时空分布信号分幅成像于数据采集模块，其包括沿光束传输方向依次设置的第一凸透镜、衍射光学元件、窄带滤波片和第二凸透镜，且窄带滤波片与光束的光轴倾斜设置，所述衍射光学元件用于将入射光束分为多个子光束，并成像于数据采集模块中探测器的不同区域；

所述数据采集模块用于在单次曝光内采集光谱滤波分幅读取模块输出的图像，并传输给图像处理模块；

所述图像处理模块用于处理数据采集模块输出的图像，从图像中提取线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演出目标的时变X射线信号多分幅图像；

所述同步控制模块用于目标、啁啾脉冲光产生模块和数据采集模块之间的皮秒级同步。

进一步地，所述啁啾脉冲光耦合模块为分束镜；

所述分束镜对啁啾脉冲光产生模块产生的线性啁啾脉冲光反射，对经半导体芯片模块反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光透射。

进一步地，所述分束镜与啁啾脉冲光产生模块之间设置有光纤，光纤的一端与啁啾脉冲光产生模块相连，另一端与分束镜耦合。

进一步地，所述分束镜与啁啾脉冲光产生模块之间设置有反射镜。

进一步地，所述半导体芯片模块响应时间在皮秒量级；

所述线性啁啾脉冲光的脉宽为纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm。

第二方面，本发明还提供一种基于辐射转换和光谱滤波的X射线超快成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)X射线耦合模块将目标的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块上，同时目标发射一个触发信号给同步控制模块，同步控制模块根据触发信号发射第一控制信号和第二控制信号；

2)半导体芯片模块将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

3)啁啾脉冲光产生模块接收同步控制模块发出的第一控制信号，产生线性啁啾脉冲光，然后线性啁啾脉冲光经啁啾脉冲光耦合模块扩束、准直后，照射至半导体芯片模块，并由半导体芯片模块反射，经啁啾脉冲光耦合模块后进入相位提取模块；

4)相位提取模块将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

5)线性啁啾光强度时空分布信息进入光谱滤波分幅读取模块，经第一凸透镜后，由衍射光学元件分为N个子光束，N个子光束以不同的角度入射倾斜放置的窄带滤波片，经滤波后N个子光束经第二凸透镜耦合成像于数据采集模块；

其中，不同子光束的中心波长不同，携带不同时刻的信号信息，不同子光束成像于数据采集模块中探测器的不同区域；

6)数据采集模块接收同步控制模块发出的第二控制信号，在单次曝光内，采集光谱滤波分幅读取模块输出的信号，并将采集到的数据传输到所述图像处理模块，提取图像不同区域处对应的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演出目标的时变X射线信号多分幅图像；

进一步地，步骤6)中，所述X射线信号反演算法使用X射线强度-半导体芯片折射率变化量-啁啾脉冲光相位变化量-相位提取系统强度变化量-图像强度变化量之间的对应关系进行反演。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明系统及方法采用半导体芯片实现X射线时变信号到短波红外啁啾脉冲探针光信号的辐射转换，并对啁啾脉冲探针光进行光谱滤波式分幅读取，采用光学衍射元件分束、窄带滤波、大阵面探测器成像的方式，在保障皮秒级时间分辨率的情况下，重建的分幅数量可提升到几十幅量级，由于每幅图像成像于探测器有效像面的不同位置，因此单幅图像具有大动态范围的优点，可实现大动态范围动态现象的连续高灵敏度精细化X射线成像。

附图说明

图1是本发明基于辐射转换和光谱滤波的X射线超快成像系统的原理结构示意图；

图2是本发明实施例中光谱滤波分幅读取模块的工作原理图；

其中，附图标记如下：

101-目标，102-X射线耦合模块，103-半导体芯片模块，104-啁啾脉冲光产生模块，105-啁啾脉冲光耦合模块，106-反射镜，107-相位提取模块，108-光谱滤波分幅读取模块，109-第一凸透镜，110-衍射光学元件，111-窄带滤波片，112-第二凸透镜，113-数据采集模块，114-图像处理模块，115-同步控制模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明基于辐射转换和光谱滤波的X射线超快成像系统，包括X射线耦合模块102、半导体芯片模块103、啁啾脉冲光产生模块104、啁啾脉冲光耦合模块105、相位提取模块107、光谱滤波分幅读取模块108、数据采集模块113、图像处理模块114以及同步控制模块115。

X射线耦合模块102用于将目标101的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块103上。

半导体芯片模块103用于探测目标101的X射线信号，将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；半导体芯片模块103响应时间在皮秒量级。

啁啾脉冲光产生模块104用于产生脉宽在纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm的线性啁啾脉冲光。

啁啾脉冲光耦合模块105用于将啁啾脉冲光产生模块104产生的线性啁啾脉冲光扩束、准直后，照射至半导体芯片模块103，以及将经半导体芯片模块103反射回的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光耦合进相位提取模块107。

相位提取模块107用于将线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息。

光谱滤波分幅读取模块108由沿光束传输方向依次设置的第一凸透镜109、衍射光学元件110、窄带滤波片111和第二凸透镜112组成，窄带滤波片111倾斜与光束光轴设置；光谱滤波分幅读取模块108用于将所述相位提取模块107输出的时变强度信号分幅成像于所述数据采集模块113，不同的时刻的信号成像于所述数据采集模块113中探测器的不同区域。

数据采集模块113用于在单次曝光内采集所述光谱滤波分幅读取模块108输出的信号。

图像处理模块114用于处理所述数据采集模块113输出的图像，从图像中提取所述线性啁啾光携带的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演目标101的时变X射线信号多分幅图像。

同步控制模块115用于目标101、啁啾脉冲光产生模块104和数据采集模块113之间的皮秒级同步。

本实施例啁啾脉冲光耦合模块105为分束镜，分束镜对啁啾脉冲光产生模块104产生的线性啁啾脉冲光反射至半导体芯片模块103，对经半导体芯片模块103反射的携带芯片折射率时空分布的线性啁啾脉冲光透射耦合至相位提取模块107。本实施例啁啾脉冲光耦合模块105在分束镜与啁啾脉冲光产生模块104之间设置有反射镜106，用于对啁啾脉冲光产生模块104产生的线性啁啾脉冲光进行折转，以实现系统的小型化；在其他实施例中分束镜与啁啾脉冲光产生模块104之间设置有光纤，光纤的入射端与啁啾脉冲光产生模块104相连，出口端朝向分束镜，光纤出口端出射的光束入射分束镜，并经分束镜发射至半导体芯片模块103。

基于上述的X射线超快成像系统，本实施例提供了一种基于辐射转换和光谱滤波的X射线超快成像方法，包括以下步骤：

1)X射线耦合模块102将目标101的X射线信号耦合成像在半导体芯片模块103上，同时目标101的X射线发生装置发射一个触发信号给同步控制模块115，同步控制模块115根据触发信号进行时钟延迟并向啁啾脉冲光产生模块104发射第一控制信号以及向数据采集模块113发射第二控制信号，以实现目标101、啁啾脉冲光产生模块104和数据采集模块113之间的同步；

2)半导体芯片模块103将X射线强度时空分布转换为芯片折射率时空分布；

3)啁啾脉冲光产生模块104接收所述同步控制模块115发出的第一控制信号，产生脉宽在纳秒到皮秒量级，中心波长在700nm～850nm的线性啁啾脉冲光，线性啁啾脉冲光经所述啁啾脉冲光耦合模块105扩束、准直后照射至半导体芯片模块103，并由所述半导体芯片模块103反射，经所述啁啾脉冲光耦合模块105后进入所述相位提取模块107；

4)相位提取模块107将所述线性啁啾脉冲光携带的芯片折射率时空分布提取为线性啁啾光强度时空分布信息；

5)线性啁啾光强度时空分布信息进入所述光谱滤波分幅读取模块108，经第一凸透镜109后，由衍射光学元件110分为N个子光束，N个子光束以不同的角度入射倾斜放置的窄带滤波片111，滤波后不同子光束的中心波长不同，携带不同时刻的信号信息，最后，N个子光束经第二凸透镜112耦合成像于所述数据采集模块113，不同子光束成像于所述数据采集模块113中探测器的不同区域；

6)所述数据采集模块113接收所述同步控制模块115发出的第二控制信号，在单次曝光内，采集所述光谱滤波分幅读取模块108输出的信号，并将采集到的数据传输到所述图像处理模块114，提取图像不同区域处对应的不同时刻信号的多分幅图像，并使用X射线信号反演算法反演目标101的时变X射线信号多分幅图像。

其中，步骤5)中光谱滤波分幅读取模块108工作原理如图2所示，本实施例中物面尺寸为d，第一凸透镜109焦距为f

步骤6)中，X射线信号反演算法使用X射线强度-半导体芯片折射率变化量-啁啾脉冲光相位变化量-相位提取系统强度变化量-图像强度变化量之间的对应关系进行反演。

本实施例采用半导体芯片实现X射线时变信号到短波红外啁啾脉冲探针光信号的辐射转换，并对啁啾脉冲探针光进行光谱滤波式分幅读取，采用光学衍射元件分束、窄带滤波、大阵面探测器成像的方式，在保障皮秒级时间分辨率的情况下，重建的分幅数量可提升到几十幅量级，由于每幅图像成像于探测器有效像面的不同位置，因此单幅图像具有大动态范围的优点，可实现大动态范围动态现象的连续高灵敏度精细化X射线成像。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。