一种多通道弯晶成像系统及其装调方法与流程

本发明涉及等离子体诊断用x射线光学系统装调领域，尤其是涉及一种多通道弯晶成像系统及其装调方法。

背景技术：

弯晶显微成像是惯性约束聚变(inertialconfinementfusion，icf)中进行高温等离子体x射线诊断的方式之一，具有空间分辨率高，能谱分辨率高，集光立体角大的特点。其通过多通道集成手段，配合x射线荧光成像技术及时间分辨的分幅相机，可以得到二维方向上不同时刻高温等离子体的演化行为，揭示极端条件下复杂流体的运动规律。具有随动、局域、特异等优点，在惯性约束聚变、实验室天体物理研究中具有广泛的应用。

多通道弯晶成像系统的研制难点主要有两方面：一方面，弯晶成像系统的视场小、景深小，因此多通道弯晶成像系统对物点的瞄准定位精度至少需要达到百微米级别，对弯晶的定位偏差需要在5角分以内，才可实现高空间分辨的成像指标；另一方面多通道弯晶成像系统需要在较长工作距离下精确控制每个通道的像点位置，以配接分幅相机的微带，从而对弯晶装调的精度有了更高的要求。另外，弯晶成像是基于布拉格衍射条件，在加工过程中，衍射晶面与弯晶的实际表面存在一定的偏差，因此无法通过可见光等传统光学装调方式进行装调，只能通过x射线装调的方式，而传统x射线装调方式难以满足多通道系统的装调，无法解决共视场问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多通道弯晶成像系统及其装调方法，本发明可靠性高、结构简单、成本低，借助icf诊断设备中常用的模拟定位物点、精密转台和电控或手动调整机构即可完成多通道弯晶成像系统最佳物像关系的精确装配。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多通道弯晶成像系统，包括弯晶组件、模拟定位物点、底座、通道底板、碎片防护组件和像面指示激光，所述通道底板设于所述底座上，所述弯晶组件对称装载于所述通道底板上，所述模拟定位物点通过滑块从所述底座后端延伸至理想物点位置，所述碎片防护组件、所述像面指示激光装载于所述通道底板上，所述碎片防护组件设有碎片防护外壳，所述碎片防护外壳上设有多个碎片防护窗以及激光出光孔，所述碎片防护窗内设有多组滤片，多路所述像面指示激光通过所述碎片防护外壳上的激光出光孔射出激光指示理想像面，所述弯晶组件与所述碎片防护组件相互独立设于所述通道底板上。

所述弯晶组件包括晶体、晶体盒和晶体外框，所述晶体盒的底部设有用以调整晶体姿态的转接件安装孔，所述晶体与晶体外框之间预设装调余量。所述弯晶组件的晶体的摇摆曲线由x射线衍射仪实测决定，用以确定单通道弯晶组件初始装配倾角和装调余量。

所述碎片防护组件与弯晶组件相互独立，通过改变碎片防护组件滤片尺寸，改变成像系统激光出光孔的孔径，进而调整该多通道弯晶成像系统的分辨率和光谱接受度。

一种多通道弯晶成像系统的装调方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、将升降平台固定在光学平台的一侧，并将模拟定位物点、光学瞄准镜头、方形网孔、x射线光源、像面探测ccd装配至光学平台上。

步骤二、装调模拟定位物点于精密转台的中心轴线上，使物距为合适值，锁定物点空间位置。具体地，将载有模拟定位物点的多通道弯晶成像系统整体固定于精密转台上，令其随精密转台转动，在瞄准镜头观察下，利用顶丝逐步改变模拟定位物点的空间位置，直至模拟定位物点在观察镜头内基本不动，此时，模拟定位物点与精密转台的转轴重合，记录此时模拟定位物点的位置后取下模拟定位物点。

步骤三、采用x射线成像实验方法控制弯晶组件工作表面向轴线倾斜特定角度和距离，使各通道成像分辨率最高，弯晶组件响应能点符合设计要求，且像点准确分布于分幅相机微带上，最后固化弯晶组件，采用像面指示激光指示像面中心。

具体操作步骤如下：

3.1)在多通道弯晶成像系统的初始结构设计中，设定弯晶表面中心点为a，分幅相机微带所在点为b，弯晶表面法线指向点为c，光源为o；在弯晶反射面中心处引入排布半径r和向心倾斜角β，其中r为轴线到弯晶工作表面中心的距离，β为工作反射面中心a点法线ac与轴线oc的夹角，排布半径r和向心倾斜角β、显微镜放大倍率m、弯晶入射光线oa和反射光线ab的夹角α、物距p、晶体的布拉格角θ、中心能点e、像点到轴线oc的间距d、能量差δe和像点偏离δd之间满足下列数学关系式：

r＝psin(β+α/2)

qsin(β-α/2)-psin(β+α/2)＝d

3.2)在光学平台上夹持方形网孔，使方形网孔中心与像素位置重合，完成模拟定位物点的替换操作，并将x射线光源紧贴在方形网孔后方，模拟方形网孔自发光成像；

3.3)旋转精密转台，将多通道弯晶成像系统一个通道调整至水平，打开x射线光源和像面探测ccd，进行x射线成像实验，微调弯晶姿态，使像面网孔分辨率达到设计要求，随后将调整好的弯晶通过顶丝固定于通道内壁，确保弯晶姿态不发生偏离，点胶固化晶体四周，待完全凝固后，分离晶体和调整件；

本步骤通过电控六轴调整架调节弯晶姿态，通过将弯晶组件的晶体及晶体盒装载在转接件上，转接件的另一端连接电控六轴调整架，使晶体工作面与六轴调整架竖直中轴线重合，随后将晶体盒推入晶体外框，完成角度装调，所述方形网孔的像面中心与像面探测ccd中心距离符合设计值，所述方形网孔的像面孔间距符合系统放大倍率要求，且成像最清晰，记录此时网孔中心位置。

3.4)重复步骤3.3)，将下一个通道旋转至水平，调整弯晶姿态，使像面探测ccd中该通道网孔中心像点与像面探测ccd像面中心间距为设计值，且像面网孔清晰度最佳；

3.5)若所有通道装调完毕，安装像面指示激光，当光斑重合于像面探测ccd的中心，则装回模拟定位物点，完成多通道弯晶成像系统的装调工作。

进一步地，所述方形网孔通过调整架固定在光学平台上，所述光学瞄准镜头通过调整架固定在光学平台上，所述调整架可采用手动或电控三维调整架。

进一步地，所述模拟定位物点通过定位螺孔结构实现上下左右可调。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、系统装调精度高：本发明通过直接的x射线成像实验对弯晶姿态进行六个维度(三个角度量和三个平移量)微调，可以找到最佳的物像关系；采用先确定物点空间位置，后基于绕物点同轴的轴线旋转对称的装配思路，实现了多通道弯晶成像结果的高度可控，使得多通道弯晶成像系统配接分幅相机进行时间分辨的成像结果具有更高的可信度。

二、结构简单：本发明适配国内icf诊断平台，系统装配完成后自身物像关系固定，且有多路激光作为像点指示，弯晶组件与碎片防护组件独立，每次打靶结束后仅需更换碎片防护窗中的滤片，无需再次调整多通道弯晶成像系统姿态，经久耐用；

三、成本低：本发明所采用的精密转台、调整架在工业自动化领域已具有成熟产品，购买成本低；

四、光学元件加工难度低，装配精度高：弯晶在加工过程中，晶体表面与晶面存在误差难以避免，加之晶体表面并非平面，从而导致采用激光装配方式不确定性大，本发明采用x射线成像实验作为装调依据，避免了上述问题，使装配精度更优。

附图说明

图1为实施例中现有多通道弯晶成像系统的光学结构示意图；

a、弯晶表面中心；b、分幅相机微带，c为弯晶表面法线指向点，o为光源；

图2为实施例中多通道弯晶成像系统的装调排布关系图，图中标号所示：

1、模拟定位物点；2、x射线光源；3、双光路光学瞄准镜头；4、升降平台；5、精密转台；6、氦气管道；7、像面探测ccd；8、方形网孔；9、调整架；10、电控六轴调整架；11、光学平台；12、弯晶组件，13、机械板件；14、定轴激光器；

图3为实施例中四通道弯晶成像系统的前端主机示意图，图中标号所示：

1、模拟定位物点；23、定位螺孔；14、碎片防护窗；15、碎片防护外壳；16、像面指示激光；17、滑轨；18、底座转接件；19、底座；20、滑块；21、通道底板；22、激光出光孔；

图4为实施例中四通道多通道弯晶成像系统的弯晶组件加工要求图，图中标号所示：121、晶体盒；122、晶体外框；123、晶体；

图5为实施例中电控转台微调晶体姿态示意图，图中标号所示：121、晶体盒；123、晶体；24、转接件；10、电控六轴调整架；25、中轴线。

图6为实施例中四通道多通道弯晶成像系统的氦气管道加工要求图；图中标号所示：61、出气阀门；62、进气阀门；63、进光孔；64、反射孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种多通道弯晶成像系统，该多通道弯晶成像系统包括弯晶组件12、模拟定位物点、底座、通道底板21、碎片防护组件、像面指示激光。

弯晶组件12对称装载于通道底板21上，完成实验装调后，利用顶丝固定姿态，点胶固化通道。底座19通过底座转接件18可拆卸连接在安装台(图中未示出)上，底座19上连接通道底板21。模拟定位物点1用来记录物点位置，模拟定位物点1与底座19下端通过滑轨17、滑块20连接，滑块20连接一长杆延伸至理想物点位置。碎片防护组件设于通道底板21上，碎片防护组件包括碎片防护外壳15及外壳上的多个碎片防护窗14，窗口内可放置多组滤片，允许透光及保护弯晶器件不受损伤。多路像面指示激光16装载于通道底板21上，透过碎片防护组件外壳15上的激光出光孔22指示理想像面。多通道弯晶成像系统的装调方法首先装调模拟定位物点1位于一精密转台5中心轴线上，使物距为合适值，锁定物点空间位置，通过x射线成像实验，控制弯晶组件12工作表面向轴线倾斜特定角度和距离，使得各通道成像分辨率最高，弯晶响应能点符合设计要求，且像点准确分布于分幅相机微带上，最后固化弯晶组件12，用像面指示激光16指示像面中心。

弯晶组件12包括晶体盒121、晶体外框122、晶体123。晶体外框122四周及底部钻孔，便于固定晶体，晶体与晶体外框之间预设装调余量，晶体盒121底部留孔以转接调整件调整晶体的姿态。弯晶的摇摆曲线由x射线衍射仪实测给出，以确定单通道弯晶组件12初始装配倾角和装调余量。碎片防护组件与弯晶组件12相互独立，碎片防护组件与弯晶组件12相互独立，通过改变碎片防护组件的滤片尺寸，改变成像系统孔径，进而调整该多通道弯晶成像系统的分辨率和光谱接受度。

本实施例以4.51kev能点ge(400)型四通道球面多通道弯晶成像系统的装配为例进一步说明本发明多通道弯晶成像系统及其装调方法的内容。具体地：

该套显微镜(四通道球面多通道弯晶成像系统)希望能够对直径500微米靶丸内掺杂的钛元素动态荧光成像，实现能谱分辨率e/δe在200以上，500微米视场内空间分辨率优于10微米，四通道视场一致性优于50微米。为实现上述目标，采用在4.51kev能点下布拉格角较大的ge(400)球面弯晶作为反射元件，设计多通道弯晶成像系统初始结构参数如下表所示，设计放大倍率×15，各通道像点间隔相同。

表1四通道多通道弯晶成像系统的初始结构参数

四通道多通道弯晶成像系统四个通道排布设计如图1所示，左右两个通道之间设计成45°夹角，设计每个通道弯晶圆锥体半径73.7mm。物距150.35mm，晶体表面法线指向点c。设计像点间隔20×53mm。这种排布充分考虑了分幅相机的配接和icf诊断平台的空间限制，避免空间立体角垂向过大。交叉光路的设计，使得视场一致性更容易实现。多通道弯晶成像系统上配有3束像面指示激光，便于在线诊断时完成像面的精确复位。对待诊断目标直径约500微米的靶丸成像，理论像面尺寸为7.5mm。分幅相机微带宽10mm，理论上像点上下偏差不得超过2.5mm。

设定弯晶表面中心点为a，分幅相机微带所在点为b，弯晶表面法线指向点为c，光源为o；在弯晶反射面中心处引入排布半径r和向心倾斜角β，其中r为轴线到弯晶工作表面中心的距离，β为工作反射面中心a点法线ac与轴线oc的夹角，排布半径r和向心倾斜角β、显微镜放大倍率m、弯晶入射光线oa和反射光线ab的夹角α、物距p、晶体的布拉格角θ、中心能点e、像点到轴线oc的间距d、能量差δe和像点偏离δd之间满足下列数学关系式：

r＝psin(β+α/2)

qsin(β-α/2)-psin(β+α/2)＝d

本实施例中ge(400)型四通道多通道弯晶成像系统按如下步骤进行装调，如图2、图3所示，所有步骤均在光学平台11上完成。用以装配的升降平台4固定于光学平台11的一端上。重载型的精密转台5连接多通道弯晶成像系统，并垂直固定于机械板件13，模拟定位物点1通过图3中的底部滑轨6连接到光学平台11上。定轴激光器14固定于升降平台4的末端，高度与精密转台5的转轴重合。双光路光学瞄准镜头3固定于多通道弯晶成像系统两侧的调整架9上。调整架9可采用手动或电控三维调整架，例如采用北京光学仪器厂生产的三维手动平移台，并固定于光学平台11上。方形网孔8与双光路光学瞄准镜头3的调整方式一样，同样通过调整架9设于光学平台11上。弯晶采用电控六轴调整架10调节晶体状态，电控六轴调整架10配合转接件24，用于夹持晶体盒121，如图5所示，电控六轴调整架10设于转接件24上，转接件24连接弯晶组件12的晶体盒121，以便在实验过程中调节晶体，调节好该晶体后，再脱去转接件24。x射线光源2为ti靶x射线管(4.51kev)；氦气管道6架在光学平台11上，保持其高度与光轴高度相同。氦气管道6为定制v型管，覆盖物方和像方光路90％以上，用于降低x射线在光路中的强度衰减问题。多路的像面指示激光5装载于通道底板21上；碎片防护组件包括碎片防护外壳15及碎片防护外壳15上的多个碎片防护窗14，碎片防护窗14内可放置多组滤片，碎片防护外壳15上还设有多个激光出光孔22，多路所述像面指示激光5通过碎片防护外壳15上的激光出光孔22射出激光指示理想像面。具体装调步骤如下：

a)将带有十字叉丝模拟物点装入模拟定位物点1，用以模拟目标标准位置。

b)如图3所示，模拟定位物点1的底部及四周设有螺孔，调节十字叉丝位置，同时缓慢来回转动精密转台5。精密转台5摆动角度约为左右30°。在双光路光学瞄准镜头3显示屏幕上观察十字叉丝的移动轨迹。并利用椭圆拟合十字叉丝在屏幕上的移动轨迹。用顶丝调整十字叉丝位置至椭圆移动轨迹中心。重复该过程，直至十字叉丝中心基本不变。

c)取下模拟定位物点1，利用调整架9调整方形网孔8至双光路屏幕像素重合的位置，锁定调整架9，调整x射线光源2的角度和方位到方形网孔8的背面，使其与方形网孔8保持1mm以内的距离。确保方形网孔8对准x射线光源2的出光口。

d)氦气管道6的出口处均采用聚碳酸酯薄膜密封，将氦气管道6推进晶体外框122的前部5mm位置，并使一端出口对准方形网孔8，另一端对准像面探测ccd7中心。

e)将晶体装载在转接件24上，转接件24另一端连接电控六轴调整架10，并使得晶体工作面与六轴水平旋转轴线重合。将晶体推入晶体外框122，完成角度装调，使网孔像清晰，方形网孔8的中心与像面探测ccd7的像面中心距离符合设计值，记录此时网孔中心位置。

f)完成单个通道弯晶的装配步骤后，晶体外框122外四周装入顶丝，并在晶体盒121外部与晶体外框122缝隙之间点入少量环氧树脂，24小时后，环氧树脂固化，松开转接件与晶体盒121后端的螺丝，用电控六轴调整架10，移开转接件24。待下一个通道旋转水平且对准x射线光源2的出光口，在转接件24上装上新的晶体部件，随电控六轴调整架10缓慢推入晶体外框122。

g)重复上述装配过程，至所有通道装配完毕，装上像面指示激光16，指示像面探测ccd7的像面中心，锁定物像关系。

本实施例四通道多通道弯晶成像系统前端主机设计示意图如图3所示，通过定位螺孔23等可实现模拟定位物点1上下左右可调，便于其中心十字叉丝与理想的中心轴线重合；碎片防护组件采用碎片防护窗14，用于阻挡来自靶丸聚变产生的高速冲击碎片，保护晶体。

本实施例的用于装配晶体的晶体盒121和晶体外框122如图4所示，晶体外框122设计倾斜16°，外框内径20×21mm，较晶体盒121尺寸大1～2mm，可以实现水平(子午)和竖直(弧矢)方向约±15°可调。沿景深方向±2.5mm可调。满足装配要求。

如图5所示，本实施例中采用电控六轴调整架10微调弯晶姿态，应当使晶体123表面中心尽量与调整架中轴线25重合，转接件24通过螺丝连接弯晶组件12的晶体盒121后端螺孔，方便装卸和调整。

如图6所示，本实施例的氦气管道6采用v型氦气管道，氦气管道6的进光孔63贴近方形网孔8约10mm，反射孔64贴近弯晶组件12表面处10mm，尾端位于像面探测ccd7前表面30mm，覆盖整个光路97％，将整个光路x射线强度衰减减少到27.7％。再利用延时拍摄就可以拍到清晰的网孔图像。

本发明通过直接的x射线成像实验对弯晶姿态进行六个维度(三个角度量和三个平移量)微调，可以找到最佳的物像关系；采用先确定物点空间位置，后基于绕物点同轴的轴线旋转对称的装配思路，实现了多通道弯晶成像结果的高度可控，使得多通道弯晶成像装置配接分幅相机进行时间分辨的成像结果具有更高的可信度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。