一种基于皮秒激光驱动的高分辨率高亮度背光照相方法

技术领域

本发明涉及背光成像技术领域，具体而言，涉及一种基于皮秒激光驱动的高分辨率高亮度背光照相方法。

背景技术

在高能量密度物理等领域的实验研究中，对高温高密度物质快速发展变化物理过程信息的获取至关重要。随着超强超短激光脉冲技术的发展，基于皮秒激光驱动金属微丝靶产生的硬X射线源背光照相方法被广泛应用于相关实验的诊断：如惯性约束聚变(ICF)实验中靶丸内爆压缩过程、以及强加载条件下材料动态特性的动态照相等。此类X射线源理论上具有高亮度(>10

然而在实际的高能量密度物理实验的诊断应用中，通常存在强烈的无法避免的背景噪声，如极端条件下物质的自发辐射、物质演化过程中产生的高能粒子束、以及粒子束和环境相互作用产生的γ射线等。背景噪声会严重降低照相图像信噪比，损害诊断精确度。在无法规避此类噪声的条件下，大幅提升背光源亮度是提升成像信噪比的突破口。然而，微丝靶有限的激光拦截效率限制了X射线产额的提升。目前微丝靶直径通常设计为10微米～30微米，在当前皮秒拍瓦激光束的聚焦条件下(～100微米)，激光能量无法被充分利用。但另一方面，微丝靶直径a、连同探测器分辨大小d、成像系统放大倍率M，三者共同决定了成像空间分辨大小Bw

综上，现有基于微丝靶的背光照相方法存在无法既满足高空间分辨率、又能充分利用激光能量的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于皮秒激光驱动的高分辨率高亮度背光照相方法，其作用是解决有基于微丝靶的背光照相方法无法既满足高空间分辨率、又能充分利用激光能量的问题。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种基于皮秒激光驱动的高分辨率高亮度背光照相方法，采用的背光照相装置包括皮秒激光脉冲装置、编码靶、偏转磁铁、金属滤片和X射线记录介质；

所述编码靶、偏转磁铁和X射线记录介质同轴依次排列；所述金属滤片包覆在X射线记录介质靠近偏转磁铁的一面；所述偏转磁铁包括两块相对设置的永磁体；

所述编码靶包括金属发光靶和非金属薄膜衬底，所述金属发光靶为一根空心圆管，金属发光靶的底部附着于所述非金属薄膜衬底上；所述皮秒激光脉冲装置用于产生皮秒激光脉冲驱动所述金属发光靶；

方法包括以下步骤：

将被照客体安置于所述编码靶和所述偏转磁铁之间；

所述皮秒激光脉冲装置启动并通过皮秒激光脉冲驱动所述金属发光靶发出X射线；

通过所述X射线对所述被照客体进行背光照相，X射线依次穿过所述偏转磁铁形成的磁场空间和所述金属滤片后，作用于所述X射线记录介质进而形成原始编码图像；

对所述原始编码图像进行解码，获取所述被照客体的复原图像。

优选地，所述金属发光靶的长度为100-300微米，其外径为50-100微米，其壁厚为2-10微米。

优选地，所述金属发光靶的材质为金或钽或铅或铀。

优选地，所述非金属薄膜衬底的材质为聚乙烯或聚甲基丙稀酸甲酯。

优选地，所述皮秒激光脉冲装置采用大型皮秒拍瓦激光装置，且作用于所述金属发光靶的前端；

所述大型皮秒拍瓦激光装置的最大输出能量为百焦耳级别或千焦耳级别，其峰值功率为拍瓦量级。

优选地，所述X射线记录介质采用成像板或胶片或X射线CCD或闪烁体耦合的CCD。

优选地，所述金属滤片的厚度为50微米-10毫米。

优选地，所述皮秒激光脉冲装置启动并驱动所述金属发光靶发出X射线的方法为：

采用大型皮秒拍瓦激光装置作为所述皮秒激光脉冲装置发出激光脉冲，激光脉冲从侧面打击所述金属发光靶的表面形成超热电子；

超热电子沿空心圆管结构的固体密度区域输运，并产生韧致辐射形成一个和所述金属发光靶的靶截面尺寸相当且强度分布均匀的环形光源；

所述非金属薄膜衬底用于支持固定所述金属发光靶，采用非金属材料用于抑制所述超热电子激发的轫致辐射X射线背景噪声。

优选地，所述对所述原始编码图像进行解码的方法为Richardson-Lucy迭代算法或维纳滤波法。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明设计合理、结构简单，利用皮秒激光脉冲装置、编码靶、偏转磁铁、金属滤片和X射线记录介质实现了既满足高空间分辨率、又能充分利用激光能量的高分辨率高亮度背光照相装置和方法；

本发明通过增大发光金属靶空心圆管的外径，显著提升激光拦截效率，从而提升激光在吸收区域加速的超热电子产额；

本发明利用激光和固体靶相互作用产生的表面自生电磁场，将超热电子有效限制在发光靶的固体区域内，促使其与靶材料原子充分相互作用并产生X射线，显著提升X射线产额，产生高亮度背光源；

本发明通过控制发光金属靶空心圆管的外径和内径尺寸，产生具有一定已知结构的编码X射线源，对被照客体进行背光照相，在X射线记录介质上形成原始编码图像；

本发明利用成熟的数值解码算法，将编码图像进行解码，可获得较高空间分辨率的复原图像，其极限空间分辨尺寸和发光金属靶的空心圆管壁厚相当，显著优于现有基于微丝靶的背光照相方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的背光照相装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的金属发光靶的结构示意图；

图3为本发明实施例7采用的被照客体的横向截面示意图；

图4为本发明实施例7得到的原始编码图像；

图5为本发明实施例7得到的复原图像；

图标：101-编码靶，102-皮秒激光脉冲装置，103-被照客体，104-偏转磁铁，105-金属滤片，106-X射线记录介质，101A-非金属薄膜衬底，101B-金属发光靶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参阅图1，本实施了提供一种基于皮秒激光驱动的高分辨率高亮度背光照相方法，采用的背光照相装置包括皮秒激光脉冲装置102、编码靶101、偏转磁铁104、金属滤片105和X射线记录介质106；

所述编码靶101、偏转磁铁104和X射线记录介质106同轴依次排列；所述金属滤片105包覆在X射线记录介质106靠近偏转磁铁104的一面；所述偏转磁铁104包括两块相对设置的永磁体；

所述编码靶101包括金属发光靶101B和非金属薄膜衬底101A，所述金属发光靶101B为一根空心圆管，金属发光靶101B的底部附着于所述非金属薄膜衬底101A上；所述皮秒激光脉冲装置102用于驱动所述金属发光靶101B；

方法包括以下步骤：

将被照客体103安置于所述编码靶101和所述偏转磁铁104之间；

所述皮秒激光脉冲装置102启动并通过皮秒激光脉冲驱动所述金属发光靶101B发出X射线；

通过所述X射线对所述被照客体103进行背光照相，X射线依次穿过所述偏转磁铁104形成的磁场空间和所述金属滤片105后，作用于所述X射线记录介质106进而形成原始编码图像；

对所述原始编码图像进行解码，获取所述被照客体103的复原图像。

简单来说，本实施例的工作方式为：

编码靶101用于在的皮秒激光脉冲装置102作用下发出X射线，进而照射在进行拍摄时放置的物体上，X射线经过待成像的物体以及偏转磁铁104的磁场照射在X射线记录介质106形成编码图像，编码图像经过解码后可得到该物体的高空间分辨，高信噪比的复原图像，金属滤片105的作用是过滤低能X射线，屏蔽噪声。

本实施例为了屏蔽噪声，提高照相图像信噪比，设置了两处屏蔽措施：

(1)偏转磁铁104：皮秒激光脉冲装置102和金属发光靶101B相互作用，除了产生X射线外，还会产生正负电子、质子等带电粒子束，它们被X射线记录介质106捕获同样会产生信号，从而降低照相图像信噪比。为了消除带电粒子束的影响，在X射线记录介质106靠近被照客体103的一侧设置两块相对的永磁体作为偏转磁铁104，进而产生横向磁场，其纵向范围为2cm-20cm，强度为1000G-8000G，可偏转大部分高能带电粒子。

(2)金属滤片105：如若被照客体103是高温高密度物质，照相过程中，会自发辐射大量较低能段、但亮度较高的X射线，降低照相图像信噪比。为了屏蔽此类低能段X射线背景噪声，对诊断光能段进行选择，在X射线记录介质106朝向被照客体103一侧的表面包覆有一层金属滤片105，其厚度优选为50微米-10毫米，大小以能覆盖X射线记录介质106为准。

实施例2

本实施例基于实施例1的技术方案，参阅图1-图2，进一步对编码靶101进行改进。

在本实施例中，所述金属发光靶101B的长度为100-300微米，其外径为50-100微米，其壁厚为2-10微米。其直径的设置和现有的皮秒拍瓦激光束聚焦尺寸相当，可以充分拦截激光，最大化激光到X射线的能量转化效率。

进一步地，所述金属发光靶101B的材质应尽量选择高原子序数高密度的元素，例如可以优选为金或钽或铅或铀。

另一方面，非金属薄膜衬底101A的材料应尽量选择低原子序数低密度的元素，如此可最大程度上抑制超热电子在非金属薄膜衬底101A中激发的轫致辐射X射线背景噪声。同时可通过金属发光靶101B和非金属薄膜衬底101A不同材料之间形成的界面电磁场限制金属发光靶101B内产生的超热电子逃逸至非金属薄膜衬底101A，从而减少X射线源能量损失。作为优选方案，非金属薄膜衬底101A的材质为聚乙烯或聚甲基丙稀酸甲酯。

特别说明的是，所述非金属薄膜衬底101A一方面需要用于支撑及固定金属发光靶101B，其与金属发光靶101B的后半部分相连接，应尽量减少接触面积，以金属发光靶101B可以保持固定且不受重力影响发生变形为准。减少接触面积的原因是因为可以减少由非金属薄膜衬底101A对金属发光靶101B内超热电子的吸收作用导致的X射线源能量损失，以及减少超热电子在非金属薄膜衬底101A中激发的轫致辐射X射线背景噪声影响。

实施例3

本实施例基于实施例1的技术方案，参阅图1-图2，进一步对皮秒激光脉冲装置102进行改进。

在本实施例中，所述皮秒激光脉冲装置102采用大型皮秒拍瓦激光装置；

所述大型皮秒拍瓦激光装置的最大输出能量为百焦耳级别或千焦耳级别，其峰值功率为拍瓦量级，一般来说脉宽在几百飞秒到几十皮秒。

其和金属发光靶101B相互所用可加速温度为几百keV到几个MeV的超热电子束，继而激发轫致辐射X射线束。除此之外，和金属发光靶101B的相互作用区域应尽量靠近其的前端，可减少X射线在金属发光靶101B中的传播距离和自吸收，增大X射线源亮度。

实施例4

本实施例基于实施例1的技术方案，参阅图1-图2，进一步对X射线记录介质106进行改进。

作为本实施例的优选方案，X射线记录介质106需要具备较高的空间分辨率，一般以空间分辨优于100微米为基本要求，所以这里所述X射线记录介质106可以采用成像板或胶片或X射线CCD或闪烁体耦合的CCD。

此外，所述金属滤片105的厚度为50微米-10毫米，作用是过滤低能X射线，屏蔽噪声。

实施例5

本实施例基于实施例1的技术方案，参阅图1-图2，进一步对X射线的产生方法做进一步说明。

在本实施例中，所述皮秒激光脉冲装置102启动并驱动所述金属发光靶101B发出X射线的方法为：

采用大型皮秒拍瓦激光装置作为所述皮秒激光脉冲装置102发出激光脉冲，激光脉冲从侧面打击所述金属发光靶101B的表面形成超热电子；

超热电子沿空心圆管结构的固体密度区域输运，并产生韧致辐射形成一个和所述金属发光靶101B的靶截面尺寸相当且强度分布均匀的环形光源；

所述非金属薄膜衬底101A用于支持固定所述金属发光靶，采用非金属材料用于抑制所述超热电子激发的轫致辐射X射线背景噪声。

实施例6

本实施例基于实施例1的技术方案，参阅图1-图2，进一步对始编码图像进行解码的方法做进一步说明。

作为优选方案，所述对所述原始编码图像进行解码的方法为Richardson-Lucy迭代算法或维纳滤波法。

实施例7

本实施例基于以上实施例的技术方案，提供一个成像测试的结果。

在本实施例的测试模拟中，采用的金属发光靶101B的外径50微米，内径40微米，壁厚5微米，长度100微米。产生环形光源的尺寸和靶横向截面尺寸相当，即环形光源的外径为50微米，内径为40微米，环带宽度为5微米。

首先要说明的是，这里所采用的光子能量简化为22keV的单能光源，发光强度均匀分布，光源亮度为3×10

测试模拟中，将该类光源对被照客体103投影形成原始编码图像，这里采用的被照客体103的横向截面如图3所示，其宽度130微米，高度70微米，厚度20微米，材料为钽。在X射线记录介质106上得到原始编码图像如图4所示。进行数值解码，得到复原图像如图5所示。特别说明的是，这里的模拟软件是采用蒙特卡洛算法的计算工具Geant4。

测试可以看出，得到了高空间分辨率的复原图像，还原度高，图像清晰且噪声低。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。