阅读说明：本技术 用于磁约束聚变装置中的双膜软x射线荧光高速成像系统 (Double-film soft X-ray fluorescence high-speed imaging system for magnetic confinement fusion device ) 是由 张森 兰涛 毛文哲 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统,包括：探测器和高速可见光相机；其中,所述探测器包括：探测器腔体；小孔,设于所述探测器腔体的第一端部；薄膜,设于所述小孔上；微通道板MCP,被置于所述探测器腔体内,并且面对所述小孔；荧光屏,被置于所述探测器腔体内,并且面对所述微通道板MCP；成像时,软X射线穿透所述小孔,透过所述薄膜,照射在所述微通道板MCP上,软X射线经过所述微通道板MCP后到达所述荧光屏上,所述荧光屏上的可见光射出所述探测器腔体,而后聚焦到所述高速可见光相机上。本发明提高了X射线探测成像的速度,并且可获得软X射线的辐射剖面和温度信息。(The invention provides a double-film soft X-ray fluorescence high-speed imaging system used in a magnetic confinement fusion device, which comprises: a detector and a high-speed visible light camera; wherein the probe comprises: a probe cavity; the small hole is arranged at the first end part of the detector cavity; the film is arranged on the small hole; a microchannel plate (MCP) disposed within the detector cavity and facing the aperture; a phosphor screen disposed within the detector cavity and facing the microchannel plate MCP; during imaging, soft X-rays penetrate through the small holes, penetrate through the film and irradiate the microchannel plate MCP, the soft X-rays reach the fluorescent screen after passing through the microchannel plate MCP, and visible light on the fluorescent screen is emitted out of the detector cavity and then focused on the high-speed visible light camera. The invention improves the speed of X-ray detection imaging and can obtain the radiation profile and temperature information of soft X-rays.)

用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统

技术领域

本发明涉及X射线辐射成像诊断系统，具体涉及一种用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统。

背景技术

工业上X射线成像一般使用X射线相机。X射线相机是由类似CsI的对X射线敏感的闪烁体荧光屏与CCD相机构造而成，X射线首先照射到闪烁荧光屏上，激发出550nm的光子经过聚焦系统成像于相机传感器表面上进而实现X射线成像。这种X射线成像系统的空间分辨率比较高，但是成像速度一般在10帧/秒以内，目前最好的X射线相机速度也在500fps左右，做不到一些特殊领域要求达到的超过10000fps的超高速动态成像。

在托卡马克装置上，为了研究等离子体辐射剖面和温度信息，X射线成像速度要求达到10k fps以上。现有诊断方式采用软X射线阵列在小环截面环绕分布，通过阿贝尔逆变换反演软X射线分布。这种方法需要超过100道信号，对信号数量和质量提出过高要求，在实际使用中，由于托克马克装置等离子体温度、放电磁场和其他诊断的串扰，很难直观得到软X射线辐射剖面。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统，解决了X射线相机成像速度过慢、成像单一、易受磁场影响的问题，实现了软X射线高速成像，成像速度达到50k fps以上。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统，包括：探测器和高速可见光相机；其中，探测器包括：

探测器腔体；

小孔，设于探测器腔体的第一端部；

薄膜，设于小孔上；

微通道板MCP，被置于探测器腔体内，并且面对小孔；

荧光屏，被置于探测器腔体内，并且面对微通道板MCP；

成像时，软X射线穿透小孔，透过薄膜，照射在微通道板MCP上，软X射线经过微通道板MCP后到达荧光屏上，荧光屏上的可见光射出探测器腔体，而后聚焦到高速可见光相机上。

在本发明的某些实施例中，小孔、微通道板MCP和荧光屏处于同一轴线上。

在本发明的某些实施例中，小孔为两个，两个小孔上的薄膜的厚度不同。

在本发明的某些实施例中，薄膜为铍膜。

在本发明的某些实施例中，两个小孔的间距为1cm，小孔的直径为1mm，两个小孔上的铍膜的厚度分别为25μm和50μm。

在本发明的某些实施例中，小孔设置在第一法兰上，第一法兰固定在探测器腔体的第一端部。

在本发明的某些实施例中，探测器腔体的侧壁上设有抽气口和电源口；其中，

抽气口设置有第二法兰，用于连接抽气泵；

电源口设置有第三法兰，用于设置真空电极和电源线。

在本发明的某些实施例中，荧光屏固定在一空心的绝缘底座上，绝缘底座位于探测器腔体中。

在本发明的某些实施例中，探测器腔体的第二端部设有第四法兰，绝缘底座与第四法兰固定连接，并且，第四法兰上留有观察窗口，观察窗口面对荧光屏，成像时，荧光屏上的可见光通过观察窗***出探测器腔体。

在本发明的某些实施例中，探测器腔体的第二端部与高速可见光相机之间设有光纤镜头组；其中，

光纤镜头组包括传像光纤，传像光纤的两端分别设置镜头，利用镜头固定器将一端的镜头固定且面对观察窗口，另一端的镜头面对高速可见光相机。

从上述技术方案可以看出，本发明用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明中的软X射线到达荧光屏后，荧光屏上的可见光聚焦到高速可见光相机进行成像，提高了X射线探测成像的速度，能够达到超过50k [email protected]*256像素；

(2)本发明设置两个不同厚度的铍膜，可以同时获得两个图像，因为温度与图像比值呈对应关系，在获得软X射线的辐射剖面的同时，能够获得软X射线的辐射温度信息；

(3)本发明利用光纤镜头组，使得高速可见光相机远离探测器，有效降低了磁约束聚变装置中磁场对高速可见光相机的影响。

附图说明

图1为本发明实施例双膜软X射线荧光高速成像系统的探测器的结构示意图。

图2为本发明实施例双膜软X射线荧光高速成像系统的探测器的正视示意图。

图3为本发明实施例双膜软X射线荧光高速成像系统的结构示意图。

【主要元件】

10-探测器腔体；11-窄口段；12-宽口段；1-第一法兰；2-小孔；3-薄膜；4-微通道板MCP；5-荧光屏；6-第二法兰；7-第三法兰；8-绝缘底座；9-第四法兰；14-观察窗口；11-镜头固定器；12-光纤镜头组；13-高速可见光相机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的示例性实施例中，提供了一种用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统。如图1-3所示，本发明用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统包括：探测器、光纤镜头组12和高速可见光相机13。成像时，软X射线射入探测器，探测器射出可见光，可见光经过光纤镜头组12后，在高速可见光相机13上成像。

探测器包括：探测器腔体10、小孔2、薄膜3、微通道板MCP4、荧光屏5。

探测器腔体10用于容纳微通道板MCP4和荧光屏5，为容纳微通道板MCP4和荧光屏5提供使其正常工作的真空环境(<1×10^-4Pa)。探测器腔体10为筒状结构，其横截面一般为圆形，具体形状视使用环境而定，对此不做限定，例如，筒状结构的不同位置的横截面的直径相同或者不同，例如，探测器腔体10包括连接的窄口段11和宽口段12，两者可以为一体成型。当然，探测器腔体10的横截面也可以是其他形状，比如三角形、四边形以及其他多边形等，对此不做限制。

小孔2为锥形孔，位于探测器腔体10的窄口段侧的端部(前端)，成像时，软X射线通过小孔2射入探测腔体10的内部。例如，小孔2设置在第一法兰1上，第一法兰1固定在探测器腔体10的上述端部，第一法兰1优选为CF50法兰，其具体尺寸视托卡马克装置可提供的窗口大小而定。

薄膜3设于小孔2上，成像时，软X射线透过薄膜3，薄膜3选优为铍(Be)膜。

作为一种具体实施方式，在第一法兰1上设置两个小孔2，两个小孔2相距1cm，小孔2的直径为1mm，小孔2的倾斜角为15⁰，两个小孔2上的铍膜厚度分别为25μm和50μm，这样可以在高速可见光相机13上看到两个图像，通过两个图像的幅值之比，能够获得软X射线辐射中的等离子体电子温度信息。需要说明的是，小孔2的倾斜角度是以探测器腔体10的纵向轴线为基准的，即探测器腔体10的纵向轴线为倾斜0⁰。

微通道板4(Microchannel Plate，MCP)是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，并具备非常高的时间分辨率。一般情况下，MCP4的响应速度在微秒以下，放大增益超过10的5次方以上。对于X射线的探测效率在0.1-0.15左右。使用MCP4放大探测信号强度，使得高速可见光相机13获得足够的光强，即可实现超高速成像。微通道板MCP4被集成在探测器腔体10内，位于两个小孔2的下方，成像时，软X射线穿透第一法兰1上的两个小孔2，透过左右两个不同厚度的铍膜，照射在微通道板MCP4上，进行信号强度倍增，微通道板MCP4优选为F2222-21P型号。

微通道板MCP4工作的环境在1×10^-4Pa的环境下，同时需要由正负3kv的高压电源，因此，在探测器腔体10的侧壁上设有抽气口，抽气泵与抽气口连接，优选地，抽气泵与抽气口通过第二法兰6进行连接，第二法兰6采用CF35法兰，如图1-3所示，抽气口可以是一空心管状结构，用于连通探测器腔体10与抽气泵。

同时，在探测器腔体10的侧壁上设有电源口，电源口处设置第三法兰7，电源线通过真空电极穿透第三法兰7，接线方式需要耐高压绝缘。第三法兰7采用CF35法兰，如图1-3所示，电源口可以是一空心管状结构，管状结构的一端连通探测器腔体10，另一端设置第三法兰7。抽气口和电源口可以同轴设置并位于探测器腔体10的直径方向上。

荧光屏5被集成在探测器腔体10内，位于微通道板MCP4的下方，成像时，软X射线经过微通道板MCP4后达到荧光屏5上，荧光屏5选用P47闪烁体，发出光的峰值波长为430nm，响应时间可达0.11μs。荧光屏5固定在绝缘底座8上，绝缘底座8位于探测器腔体10中，作为一种具体实施方式，探测器腔体10的宽口段侧的端部设置有第四法兰9，绝缘底座8的底端与第四法兰9固定连接，绝缘底座8的底端设有凸耳，将凸耳与第四法兰9通过螺钉实现固定连接。需要注意的是，为了使探测器射出可见光，绝缘底座8必须是中空的，预留荧光屏5上的可见光的传输通道，避免荧光屏5上的可见光被阻碍射出探测器，比如，绝缘底座8可以为一空心筒状结构，两个端口为开口，绝缘底座8的制作材料为聚四氟乙烯。

第四法兰9可以为CF65法兰，第四法兰9上留有观察窗口14，此观察窗口14面对荧光屏5，可以观察到探测器腔体10的内部，观察窗口14处设置玻璃，便于荧光屏5上的可见光射出探测器腔体10。

如图3所示，成像时，软X射线经过微通道板MCP4后达到荧光屏5上，荧光屏5上的可见光穿过绝缘底座8，透过观察窗口14，通过光纤镜头组12到达高速可见光相机13。光纤镜头组12包括传像光纤和镜头组，传像光纤的两端设置镜头，一端的镜头面对观察窗口14，另一端的镜头面对高速可见光相机13。利用镜头固定器11将观察窗口14面对的镜头固定，镜头固定器11可以固定在第四法兰9上。利用光纤镜头组12，使得高速可见光相机13远离探测器，有效降低磁约束聚变装置放电期间存在的强磁场对高速可见光相机13的影响，高速可见光相机13选用Phantom V2012型号，帧率可达[email protected]。

小孔2、微通道板MCP4、荧光屏5以及观察窗口14处于同一轴线上，例如，探测器腔体(10)的纵向中心轴线上。

本发明的用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统的成像过程如下：软X射线穿透第一法兰1上的两个小孔2，透过左右两个不同厚度的铍膜，照射在微通道板MCP4上，进行信号强度倍增，软X射线经过微通道板MCP4后到达荧光屏5上，荧光屏5上的可见光穿过绝缘底座8，透过观察窗口14射出探测器腔体10后，经由镜头-传像光纤-镜头后聚焦到高速可见光相机13上，相机的拍摄速度可达到[email protected]*256像素，同时在相机上可以看到两个图像，同时获得软X射线辐射剖面和温度信息。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于磁约束聚变装置中的双膜软X射线荧光高速成像系统有了清楚的认识。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。