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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621900)2)(上海交通大學(xué)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(qiáng)度激光驅(qū)動(dòng)等離子體波來加速電子,即激光尾場加速機(jī)制以來,國內(nèi)外已采用氣體噴嘴[2?4]、放電毛細(xì)管[5,6]、等離子體密度梯度注入[7,8]、雙束激光束對(duì)撞[9,10]等方案,研究獲得了能量幾十至GeV級(jí)的高能電子束[11?15].當(dāng)前大量研究致力于從改進(jìn)橫向發(fā)射度[16]、能散[9]等方面,提高激光尾場電子束品質(zhì).利用激光尾場電子產(chǎn)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(chǎn)生軔致輻射[17?19],另一種是電子與第二束激光作用產(chǎn)生湯姆孫散射光子[20,21],獲得的高能光子能夠應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)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(jī)制產(chǎn)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(hù)容易滿足)的優(yōu)點(diǎn),在高空間分辨無損檢測方面具有十分重要的應(yīng)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(dāng)前實(shí)驗(yàn)中主要采用鍺酸鉍(BGO)陣列[18]、成像板[19,26]等成像介質(zhì),對(duì)閃爍體等探測器本征空間分辨、X射線能量響應(yīng)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(zhuǎn)換靶后的殘余電子更多,在穿過2 mm厚度W轉(zhuǎn)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(dá)2×10?2,因此殘余電子對(duì)透射照相的影響必須特別關(guān)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(shí)驗(yàn)條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究不足.

因此,本文圍繞激光尾場電子與高Z轉(zhuǎn)換靶作用產(chǎn)生的高能X射線透視照相研究,展開相關(guān)工作.首先通過蒙特卡羅方法模擬設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換靶;第二測量探測器空間分辨率,并模擬能量沉積響應(yīng),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(shí)驗(yàn),獲得高面密度客體圖像;第五評(píng)估電子對(duì)照相影響,定量分析殘余電子因素.

2 模擬設(shè)計(jì)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(chǎn)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(qiáng)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(chǎn)生、客體透視與圖像記錄三個(gè)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(zhuǎn)換靶通過軔致輻射產(chǎn)生高能X射線;第二穿過靶的殘余電子再由磁鐵偏轉(zhuǎn),高能X射線對(duì)客體進(jìn)行透視照相;第三通過閃爍屏(或閃爍陣列)將X射線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換靶設(shè)計(jì)

首先模擬單能電子(能量設(shè)為20,40,60與80 MeV)與多種厚度Ta,W與Pb靶作用,輸運(yùn)產(chǎn)生軔致輻射,單個(gè)電子對(duì)應(yīng)的X射線劑量結(jié)果如圖2所示,模擬采用MCNP軟件實(shí)現(xiàn).以劑量最大為目標(biāo),獲得最優(yōu)靶厚的結(jié)果見圖2(d).結(jié)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(duì)于能量達(dá)60 MeV的高能電子,厚度1—2 mm的Ta靶產(chǎn)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(chǎn)額,同時(shí)兼顧靶的機(jī)械強(qiáng)度等,轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)參數(shù).圖4是X射線光機(jī)上測量的探測器本征空間分辨率圖像.測量中將標(biāo)準(zhǔn)分辨率板(厚度0.05 mm Pb,線對(duì)數(shù)0.25—10.0 lp/mm)緊貼探測器前表面,X射線光機(jī)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(jì)算出調(diào)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(duì)應(yīng)的空間頻率作為空間分辨率,具體結(jié)果見表1第5列.

表1 三類成像探測器技術(shù)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(duì)不同能量光子的能量沉積,結(jié)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(diǎn):BGO空間分辨率很低,限制了高空間分辨照相的應(yīng)用,同時(shí)存在均勻性差的不足;CsI對(duì)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(yīng)用.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)探測器對(duì)于不同能量光子的能量沉積響應(yīng)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(shè)計(jì)的高面密度客體如圖7所示,由兩層球殼組成,內(nèi)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(yàn)證激光高能X射線源的穿透能力,在內(nèi)層球殼中心設(shè)置中空結(jié)構(gòu),內(nèi)徑為4 mm.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)高面密度客體實(shí)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(duì)雙層客體的透視照相圖像如圖8所示,圖9為對(duì)應(yīng)的中心線X射線記錄信號(hào)強(qiáng)度.結(jié)果顯示:當(dāng)光子能量大于1 MeV,照相結(jié)果就能反映客體結(jié)構(gòu)信息;當(dāng)光子能量大于2 MeV后,可獲得對(duì)中空結(jié)構(gòu)分辨更清晰的照相結(jié)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(duì)應(yīng))引起的數(shù)據(jù)明顯變化.中心像素的強(qiáng)度值在光子能量5 MeV時(shí)達(dá)到最大值,之后隨著光子能量增加,中心像素強(qiáng)度值略有降低,這表明對(duì)應(yīng)圖7所示客體,穿透性最強(qiáng)的射線能量為5 MeV.

對(duì)比高能軔致輻射對(duì)雙層客體的照相結(jié)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(jié)果介于1 MeV與2 MeV單能X射線照相結(jié)果之間,能夠反映照相客體的兩層結(jié)構(gòu).

3.2 客體透視照相實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上采用3 mm厚度Ta材料作為轉(zhuǎn)換靶,開展了透視照相實(shí)驗(yàn),布局如圖1所示,放大倍數(shù)為2倍,同時(shí)設(shè)置了高強(qiáng)度磁場強(qiáng)度的偏轉(zhuǎn)磁鐵,避開電子對(duì)照相的干擾.實(shí)驗(yàn)中采用的轉(zhuǎn)換靶厚度比2.1節(jié)中設(shè)計(jì)值略大,主要因?yàn)榕c氣體靶作用后的剩余激光將燒蝕轉(zhuǎn)換靶(轉(zhuǎn)換靶距離噴嘴出口僅數(shù)毫米),導(dǎo)致轉(zhuǎn)換靶減薄,因此為了減少更換靶,提高實(shí)驗(yàn)效率,采用略厚的轉(zhuǎn)換靶.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)不同單能X射線對(duì)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(jié)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(jié)構(gòu)的交界面,中心空心結(jié)構(gòu)也隱約可見.幾何均值濾波、調(diào)和均值與中值濾波方法[32]的結(jié)果分別見圖12(b)—(d),照相圖像已經(jīng)能夠分辨中心空心結(jié)構(gòu),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(duì)應(yīng)的小峰結(jié)構(gòu).兩層客體的面密度最高達(dá)到33.0 g/cm2,在中空結(jié)構(gòu)處面密度達(dá)到27.7 g/cm2,照相圖像中能夠分辨客體內(nèi)部結(jié)構(gòu),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(shí)驗(yàn)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(jié)果 (a)原始圖像;(b)幾何均值濾波;(c)調(diào)和均值濾波;(d)中值濾波;(e)中值濾波結(jié)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(jié)果 (a)原始圖像;(b)幾何均值濾波;(c)調(diào)和均值濾波;(d)中值濾波;(e)中值濾波結(jié)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(jié)果見圖13,在濾波圖像上可以看到客體的兩層結(jié)構(gòu),但是中心空心結(jié)構(gòu)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(duì)高能X射線的探測效率過低;此外獲得圖像的信號(hào)強(qiáng)度很弱,除去噪聲的圖像計(jì)數(shù)約比BGO陣列條件下低一個(gè)量級(jí),上述結(jié)果與能量沉積響應(yīng)的模擬結(jié)果(圖6)一致.

3.3 電子對(duì)照相影響評(píng)估

為了研究激光尾場電子對(duì)高能X射線照相的影響,分別開展了X射線照相(在轉(zhuǎn)換靶后加入偏轉(zhuǎn)磁鐵),X射線與電子混合照相(轉(zhuǎn)換靶后無偏轉(zhuǎn)磁鐵)以及電子照相(不加入轉(zhuǎn)換靶與偏轉(zhuǎn)磁鐵)三種情況比對(duì)實(shí)驗(yàn),測量圖像見圖14.實(shí)驗(yàn)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(nèi)層鎢銅合金球殼只放入一半.結(jié)果顯示,軔致輻射照相能夠反映客體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,但由于X射線探測效率較低,圖像的信號(hào)強(qiáng)度很弱,同時(shí)也不能反映客體中心的中空結(jié)構(gòu)(如圖13);軔致輻射與電子混合照相的信號(hào)強(qiáng)度較高,但是有無內(nèi)層客體結(jié)果的對(duì)比度較差;電子單獨(dú)照相情況下不能反映客體的內(nèi)部結(jié)構(gòu).

為了定量評(píng)估電子的影響,在圖14所示圖像中選擇直穿、實(shí)心客體照相、空心客體照相三個(gè)典型區(qū)域的像素強(qiáng)度進(jìn)行分析,如圖15所示.在圖15(a)所示像素強(qiáng)度分布中,作為X射線產(chǎn)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(hào)強(qiáng)度很高,約為X射線照相下信號(hào)強(qiáng)度的100倍.在直穿區(qū)域,X射線與電子混合照相的強(qiáng)度約為X射線照相強(qiáng)度的6倍,而在穿透空心、實(shí)心客體的區(qū)域混合照相的強(qiáng)度約為X射線照相強(qiáng)度的2倍,表明通過轉(zhuǎn)換靶后的殘余電子貢獻(xiàn)了穿透客體后強(qiáng)度的50%.圖15(b)給出了像素強(qiáng)度比的分布,以直穿強(qiáng)度作為分母,比較穿透實(shí)心客體與空心客體強(qiáng)度比的差異,強(qiáng)度比差異越大表明射線對(duì)兩種面密度客體區(qū)分能力越好,其中實(shí)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(gè)區(qū)域強(qiáng)度比相差約27%,電子與X射線混合照相下強(qiáng)度比相差12%,而電子照相強(qiáng)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(shí)心與空心客體區(qū)域.

值得注意的是,利用通過轉(zhuǎn)換靶后的殘余電子與X射線混合照相,在空心與實(shí)心區(qū)域的強(qiáng)度比差異下降了一半,但在客體照相區(qū)域強(qiáng)度提高了一倍,因此在X射線產(chǎn)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(duì)比度為代價(jià),能較大程度地提高圖像的信號(hào)強(qiáng)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(biāo)顯示;(d),(e)與(f)由parula的偽彩色標(biāo)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(qiáng)度分布 (a)強(qiáng)度分布;(b)強(qiáng)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(jié) 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(zhuǎn)換靶作用產(chǎn)生軔致輻射模擬,優(yōu)化獲得轉(zhuǎn)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(duì)高能X射線的能量沉積響應(yīng),其中CsI針狀閃爍屏的空間分辨率高達(dá)8.7 lp/mm,可作為激光驅(qū)動(dòng)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(diǎn).第三,在模擬高面密客體透視照相的基礎(chǔ)上,利用激光尾場加速電子與Ta轉(zhuǎn)換靶作用產(chǎn)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(jié)構(gòu),透視照相面密度最高達(dá)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(duì)實(shí)驗(yàn),在定量分析圖像信號(hào)基礎(chǔ)上,在X射線產(chǎn)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(duì)比度為代價(jià),能較大程度地提高圖像信號(hào)強(qiáng)度.

本工作可對(duì)強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)X射線中轉(zhuǎn)換靶設(shè)計(jì)、探測器優(yōu)化與照相實(shí)驗(yàn)實(shí)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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