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具有屏蔽伽 马 辐射效果的X光针孔阵列相机及其装配方法

阅读：1002发布：2020-05-15

专利汇可以提供具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机及其装配方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，每两个平面反射镜相对排布，并顶靠在同一块重金属块材上，构成一个反射镜对；将多个镜对分别置于针孔阵列成像后的光路中，重金属块材用于吸收直穿伽马辐射以保护像面记录设备，平面反射镜用于偏折X光光路，实现入射 X射线与伽马射线的分离；重金属块材具有一定的尺寸和面夹角以控制各镜对的空间姿态和夹角，从而保证各针孔的成像点间隔能够符合像面记录设备的要求；重金属块材沿X光的通过区域开一定宽度和深度的槽，以避免遮挡前序镜对反射后X光和保证后序镜对入射前X光的通过。与现有技术相比，本发明整体结构紧凑，系统耦合精度高，易于实现与像面记录设备的匹配。，下面是具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机及其装配方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，其特征在于，包括多个依次置于针孔阵列成像后的光路中的反射镜对，所述的反射镜对通过将两个平面反射镜相对排布，并顶靠于同一块重金属块材上构成；
平面反射镜用于偏折X光光路，实现入射X射线与伽马射线的分离；
反射镜对的两个平面反射镜的空间姿态和夹角保证针孔阵列各针孔的成像点间隔符合像面记录设备的要求，所述的反射镜对的两个平面反射镜的空间姿态和夹角受重金属块材的尺寸控制；
重金属块材沿X光的通过区域开槽，重金属块的开槽尺寸满足：避免遮挡前序反射镜对反射后X光以及保证后续反射镜对入射前X光的通过。
2.根据权利要求1所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，其特征在于，第i个反射镜对的重金属块材的尺寸包括重金属块材的面夹角αi和重金属块材中心位置厚度ti；
重金属块材的面夹角αi按照式(1)确定：
重金属块材中心位置厚度ti按照式(2)确定：
其中：
pi为重金属块材中心位置与物点距离，
qi为重金属块材中心位置与像面距离，
θi为X射线入射在平面反射镜的掠入射角，
Li为与该反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔最终在像面成像的期望间隔，i为大于等于1的整数。
3.根据权利要求2所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，其特征在于，第i个反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔之间的间隔xi通过式(3)确定：
xi＝2u(θi+αi) (3)
针孔阵列中每一列中相邻针孔之间的间隔yi通过式(4)确定：
yi＝Hiu/v (4)
其中：
u为针孔阵列与物点的距离，
v为针孔阵列与像点的距离，
Hi为针孔阵列中每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔。
4.根据权利要求1所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，其特征在于，第m个反射镜对的重金属块材HMm在厚度方向上开槽尺寸的深度为hm：
hm不大于tm/2－Lmpm/2(pm+qm)以避免有直射的中子或伽马辐射入射到分幅相机的微带，且不小于后序任一反射镜对Mi/Mi′对应的tm/2－pm(θi+αi)中的最大值以避免遮挡入射到后序任一反射镜对成像Mi/Mi′的X光束，同时hm不小于所有前序反射镜对中tm/2－tii/2+(pm-pii)(θii-αii)的最大值以避免遮挡前序任一反射镜对Mii/Mii′反射后的X光束；
其中：
tm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置厚度，
Lm为第m个反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔最终在像面成像的期望间隔，pm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，
qm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离；
Mi/Mi′为后序任一反射镜对的两个平面反射镜，
θi为X射线入射在后序任一反射镜对的平面反射镜的掠入射角，
αi为后序任一反射镜对的重金属块材的面夹角；
Mii/Mii′为前序任一反射镜对的两个平面反射镜，
tii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置厚度，
pii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，
qii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离；
θii为X射线入射在前序任一反射镜对的平面反射镜的掠入射角，
αii为前序任一反射镜对的重金属块材的面夹角，
m为大于等于2的整数。
5.根据权利要求1或4所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，其特征在于，第m个反射镜对的重金属块材HMm在沿光轴方向的开槽尺寸的宽度为wm：
wm不小于nHipm/(pm+qm)的最大值，以避免重金属块材开槽的槽壁遮挡X光光路；
其中：
n为该反射镜对相应的每行的针孔数量，
Hi为针孔阵列中每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔，
pm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，
qm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离，
m为大于等于2的整数。
6.根据权利要求1所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，其特征在于，所述的重金属块材材质为重金属单质材料或合金，包括铅、钨或铅锑合金；重金属块材在沿光轴方向的长度不小于平面反射镜长度以保证顶靠稳定性。
7.根据权利要求1所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，其特征在于，所述的平面反射镜沿X光传播方向上长度的投影尺寸不小于各针孔成像投影的尺寸。
8.如权利要求1所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将两个平面反射镜相对排布，置于针孔阵列后端，并顶靠在同一块重金属块材上，构成第一个反射镜对，两个平面反射镜分别对针孔阵列的一行针孔的投影成像进行反射；
(2)确定金属块材的中心厚度t1、面夹角α1以及第一个反射镜对所对应的针孔阵列的两行针孔之间的间隔x1以及相邻两列之间的间隔y1；
(3)在第一个反射镜对的相邻位置依次放置后续各对平面反射镜，每一对平面反射镜顶靠在一个重金属块材上，获得多个置于针孔阵列成像后的光路中的反射镜对，按照第一个反射镜对的方法确定第i个反射镜对的金属块材的中心厚度ti、面夹角αi以及第一个反射镜对所对应的针孔阵列的两行针孔之间的间隔xi以及相邻两列之间的间隔yi，使得由物点发出的X光经各镜对的反射光路在像面的排布均能符合像面记录设备的要求。

说明书全文

具有屏蔽伽马 辐射效果的X光针孔阵列相机及其装配方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种X光针孔阵列相机，尤其是涉及一种基于反射镜结构实现X光与伽马射线的光路分离，以有效屏蔽伽马辐射对像面记录设备成像干扰的X光针孔阵列相机。

背景技术

[0002] 激光惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变的有效途径之一。它是通过激光驱动对热核燃料进行内爆压缩，使其达到高温高密度状态，在内爆运动过程中惯性约束下实现热核点火和燃烧，从而获取聚变能的方法。ICF领域研究工作的开展无论对国民经济、军事应用，还是对于基础研究探索都有着重要而特殊的意义。

[0003] 辐射的对称性、均匀性和等离子体的流体不稳定性等对激光聚变的成败起着至关重要的作用。对内爆压缩区进行成像分析，是获得这些物理信息的重要手段。当内爆靶丸被压缩时，压缩区域具有很高的等离子体密度和温度，从而导致强烈的X射线辐射，同时当内爆压缩区域发生核聚变反应时，会产生超高通量的中子(美国NIF装置高脚脉冲实验DT聚变15
中子产额已经超过10 )。聚变中子会在整个靶场区域输运，通过散射反应改变能量和运动方向，并通过(n，γ)反应产生次级伽马射线。该区域还将同时辐射α粒子和质子等带电粒子。由于目前高能粒子产额的问题，带电粒子成像和中子成像技术难以奏效，X射线成像手段仍是内爆压缩区域成像的最好选择。

[0004] 常用的X光波段诊断设备是针孔阵列相机，其基于各针孔对靶丸的直射投影成像工作，并利用X光CCD或分幅相机等像面记录设备对信号进行记录，可以获得靶丸在实验过程中的静态积分或动态分辨的图像。在针孔阵列前放置滤光片，可以过滤可见光和部分低能的X光。而在超短超快激光类型的惯性约束聚变中，由于能量密度更高，等离子体辐射包含更多的伽马射线和中子。伽马射线与中子辐射随X光辐射共同入射到像面记录设备，产生大量的本底噪声，使得X 光信号掩盖在其中无法有效记录，同时还对像面面元造成损伤。

[0005] 在针孔阵列后放置镀有X光薄膜(如X光多层膜或单层膜等)的平面反射镜，进而利用薄膜对X光的布拉格衍射将X光光路进行转折，可以将X光从其他信号中提取出来单独记录，从而具有屏蔽伽马射线的效果。但是这种技术在实际应用中存在以下两个关键问题有待解决。首先，X光薄膜工作在掠入射角度，在配合针孔阵列成像时平面反射镜需要具有很大的尺寸，此时掠入射角变化范围大，平面反射镜和X光薄膜制备均比较困难；其次，平面反射镜在掠入射形式下的截面尺寸很小，而针孔阵列各通道成像后必须确保均能入射在平面反射镜上，同时其反射后的像点排布也需要满足X射线CCD或分幅相机等像面记录设备对各通道像点间隔的要求，因此平面反射镜与针孔阵列的耦合难度很大。

发明内容

[0006] 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具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机及其装配方法。

[0007] 本发明的平面反射镜元件能够对特定波长或范围的X光反射，因此实现了X光光路的偏折，从而将有效的X光信号从伽马射线的背景噪声中提取出来。重金属块材本身用于吸收直穿伽马辐射以保护像面记录设备，并具有一定的尺寸和面夹角用于控制镜对的空间姿态和夹角，从而保证由物点发出的X射线经平面镜的反射光路在像面的间隔符合记录设备的要求。

[0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0009] 包括多个依次置于针孔阵列成像后的光路中的反射镜对，所述的反射镜对通过将两个平面反射镜相对排布，并顶靠于同一块重金属块材上构成；

[0010] 平面反射镜用于偏折X光光路，实现入射X射线与伽马射线的分离；

[0011] 反射镜对的两个平面反射镜的空间姿态和夹角保证针孔阵列各针孔的成像点间隔符合像面记录设备的要求，所述的反射镜对的两个平面反射镜的空间姿态和夹角受重金属块材的尺寸控制；

[0012] 重金属块材沿X光的通过区域开槽，重金属块的开槽尺寸满足：避免遮挡前序反射镜对反射后X光以及保证后续反射镜对入射前X光的通过。

[0013] 优选地，第i个反射镜对的重金属块材的尺寸包括重金属块材的面夹角αi和重金属块材中心位置厚度ti；

[0014] 重金属块材的面夹角αi按照式(1)确定：

[0015]

[0016] 重金属块材中心位置厚度ti按照式(2)确定：

[0017]

[0018] 其中：

[0019] pi为重金属块材中心位置与物点距离，

[0020] qi为重金属块材中心位置与像面距离，

[0021] θi为X射线入射在平面反射镜的掠入射角，

[0022] Li为与该反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔最终在像面成像的期望间隔，[0023] i为大于等于1的整数。

[0024] 优选地，第i个反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔之间的间隔xi通过式(3)确定：

[0025] xi＝2u(θi+αi) (3)

[0026] 针孔阵列中每一列中相邻针孔之间的间隔yi通过式(4)确定：

[0027] yi＝Hiu/v (4)

[0028] 其中：

[0029] u为针孔阵列与物点的距离，

[0030] v为针孔阵列与像点的距离，

[0031] Hi为针孔阵列中每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔。

[0032] 优选地，第m个反射镜对的重金属块材HMm在厚度方向上开槽尺寸的深度为hm：

[0033] hm不大于tm/2－Lmpm/2(pm+qm)以避免有直射的中子或伽马辐射入射到分幅相机的微带，且不小于后序任一反射镜对Mi/Mi′对应的tm/2－pm(θi+αi)中的最大值以避免遮挡入射到后序任一反射镜对成像Mi/Mi′的X光束，同时hm不小于所有前序反射镜对中tm/2－tii/2+(pm-pii)(θii-αii)的最大值以避免遮挡前序任一反射镜对Mii/Mii′反射后的X光束；

[0034] 其中：

[0035] tm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置厚度，

[0036] Lm为第m个反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔最终在像面成像的期望间隔，

[0037] pm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，

[0038] qm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离；

[0039] Mi/Mi′为后序任一反射镜对的两个平面反射镜，

[0040] θi为X射线入射在后序任一反射镜对的平面反射镜的掠入射角，

[0041] αi为后序任一反射镜对的重金属块材的面夹角；

[0042] Mii/Mii′为前序任一反射镜对的两个平面反射镜，

[0043] tii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置厚度，

[0044] pii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，

[0045] qii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离；

[0046] θii为X射线入射在前序任一反射镜对的平面反射镜的掠入射角，

[0047] αii为前序任一反射镜对的重金属块材的面夹角，

[0048] m为大于等于2的整数。

[0049] 优选地，第m个反射镜对的重金属块材HMm在沿光轴方向的开槽尺寸的宽度为wm：

[0050] wm不小于nHi pm/(pm+qm)的最大值，以避免重金属块材开槽的槽壁遮挡X光光路；

[0051] 其中：

[0052] n为该反射镜对相应的每行的针孔数量，

[0053] Hi为针孔阵列中每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔，

[0054] pm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，

[0055] qm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离，

[0056] m为大于等于2的整数。

[0057] 优选地，所述的重金属块材材质为重金属单质材料或合金，包括铅、钨或铅锑合金等原子序数大的重金属材料或合金；重金属块材在沿光轴方向的长度不小于平面反射镜长度以保证顶靠稳定性。

[0058] 优选地，所述的平面反射镜沿X光传播方向上长度的投影尺寸不小于各针孔成像投影的尺寸。

[0059] 优选地，基于物理需求的差异，平面反射镜上可以镀制单层金属膜、多层膜等不同结构的膜系材料以实现对不同波长或一定波长范围的X光的高反射率。

[0060] 所述的具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机的装配方法，包括以下步骤：

[0061] (1)将两个平面反射镜相对排布，置于针孔阵列后端，并顶靠在同一块重金属块材上，构成第一个反射镜对，两个平面反射镜分别对针孔阵列的一行针孔的投影成像进行反射；

[0062] (2)确定金属块材的中心厚度t1、面夹角α1以及第一个反射镜对所对应的针孔阵列的两行针孔之间的间隔x1以及相邻两列之间的间隔y1；

[0063] (3)在第一个反射镜对的相邻位置依次放置后续各对平面反射镜，每一对平面反射镜顶靠在一个重金属块材上，获得多个置于针孔阵列成像后的光路中的反射镜对，按照第一个反射镜对的方法确定第i个反射镜对的金属块材的中心厚度ti、面夹角αi以及第一个反射镜对所对应的针孔阵列的两行针孔之间的间隔xi以及相邻两列之间的间隔yi，使得由物点发出的X光经各镜对的反射光路在像面的排布均能符合像面记录设备的要求。

[0064] 装配的方法具体包括以下步骤：

[0065] (a)如图1所示，首先将两个平面反射镜M1和M1′相对排布置于针孔阵列PHA后端，并顶靠在同一块重金属块材HM1上，构成第一个反射镜对，物点T发出的X射线经两个平面反射镜M1和M1′分别对一行针孔Ph1和Ph1′的投影成像进行反射(C1和C1′分别代表其中一个针孔的X光走向，其他针孔与其相同)，最终在像面位置的分幅相机FC的两条微带MS1和MS1′上成像。基于物理需求的差异，平面反射镜上可以镀制单层金属膜、多层膜等不同结构的膜系材料以实现对不同能量X射线的高反射率。

[0066] (b)ICF物理实验需求对针孔阵列成像的放大倍率、工作距离等参数已经有一定要求，因此作为针孔阵列后端放置的反射镜对的空间位置也基本确定，设第一个反射镜对的重金属块材的中心位置与物点和像面的距离分别为p1和q1。ICF物理实验针对感兴趣的X光能区的高反射率，因此X射线入射在平面反射镜的掠入射角θ1也应针对感兴趣的X射线能区预先设计，X射线最终成像在像面上的间隔也应与分幅相机的记录微带MS1和MS1′的间隔L1一致，以确保图像被微带记录。上述参数可以作为已知参数，来决定重金属块材HM1的尺寸结构。如图2所示，重金属块材HM1尺寸主要由其中心位置的厚度t1和对平面反射镜的两个支撑面夹角α1(与中心对称轴的夹角)确定。上述初始结构参数之间在近掠入射条件下具有如下数学关系：

[0067] L1＝t1-2q1(θ1-α1) (5)

[0068] 2(θ1+α1)＝t1/p1 (6)

[0069] 根据初始结构参数之间的关系计算得到重金属块材HM1的中心厚度t1和面夹角α1[0070]

[0071]

[0072] (c)进一步确定第一个镜对所对应的针孔阵列的两行Ph1和Ph1′之间的间隔x1和每一列中相邻针孔之间的间隔y1。如图3所示，若针孔阵列与物点的距离为u，则x1＝2u(θ1+α1)。若针孔阵列与像点的距离为v，每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔为H1，则y1＝H1u/v。

[0073] (d)仍如图1所示，在第一组反射镜对的后续位置依次放置后续的平面反射镜对，每一对平面反射镜中间对靠在重金属块材HMi上，共获得i个反射镜对，重金属块材HMi的中心厚度ti、面夹角αi以及各镜对对应的针孔阵列行列之间的间隔xi和yi的计算方法与步骤(b)和(c)相同，得到的αi、ti、xi和yi参考式(1)～(4)；

[0074] (e)将i组反射镜对依次置入到X光光路中，使得由物点发出的X光经各镜对的反射光路在像面的排布均能符合像面记录设备的要求。

[0075] 预先如图4所示，在各重金属块材应沿X光的通过区域开槽。其开槽参数主要有开槽的深度和宽度所决定。对于第m个反射镜对的重金属块材HMm，其在厚度方向上开槽尺寸的深度范围hm不大于tm/2－Lmpm/2(pm+qm)以避免有直射的中子或伽马辐射Dγ入射到分幅相机的微带，且不小于后序任一反射镜对Mi/Mi′对应的tm/2－pm(θi+αi)中的最大值以避免遮挡入射到后序任一反射镜对成像Mi/Mi′的X光束Ci/Ci′，如图5所示。同时如图6所示，前序任一反射镜对Mii/Mii′反射后在第m个反射镜对的重金属块材位置的间隔为tmi＝tii-2(pm-pii)(θii-αii)，因此hm也应不小于所有前序镜对中tm/2－tmi/2＝tm/2－tii/2+(pm-pii)(θii-αii)的最大值以避免遮挡前序任一反射镜对Mii/Mii′反射成像的X光束Cii/Cii′；如图7所示，沿光轴方向开槽尺寸的宽度范围wm不小于nHi pm/(pm+qm)的最大值，以确保重金属块材开槽的槽壁不会遮挡X光光路，其中n为该反射镜对相应的每行的针孔数量。

[0076] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0077] (1)相机的整体结构紧凑，系统耦合精度高。本发明应用了具有特定尺寸和角度关系的重金属块材作为支撑结构，将多组平面反射镜在狭小空间内集成。重金属块材除了提供对伽马射线的屏蔽效果之外，同时还保证了平面反射镜与针孔阵列的空间关系，因此对平面反射镜的姿态调整不需要额外的调整机构，相机整体结构紧凑，同时耦合精度高。

[0078] (2)易于实现与像面记录设备的匹配。本发明对平面反射镜的姿态控制，实现了对各镜对在像面位置的准确控制，因此针对不同尺寸和类型的像面记录设备，能够实现更为准确的匹配。附图说明

[0079] 图1为本发明提出的抗伽马辐射X光针孔阵列相机的总体结构图；

[0080] 图2为第一个反射镜对M1/M1′的光路结构参数图；

[0081] 图3为第一个反射镜对M1/M1′对应的两行针孔的结构参数图；

[0082] 图4为第m组重金属块材HMm的开槽位置示意图；

[0083] 图5为第m组重金属块材HMm开槽深度范围hm的示意图1；

[0084] 图6为第m组重金属块材HMm开槽深度范围hm的示意图2；

[0085] 图7为第m组重金属块材HMm开槽宽度范围wm的示意图；

[0086] 图8为实施例1中分幅相机微带排布以及物理实验所需的像点排布尺寸图；

[0087] 图9为实施例1所需的针孔阵列板各针孔的空间排布要求；

[0088] 图10为实施例1中第一组重金属块材HM1的结构尺寸图；

[0089] 图11为实施例1中第二组重金属块材HM2的结构尺寸图。

具体实施方式

[0090] 一种具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机，包括多个依次置于针孔阵列成像后的光路中的反射镜对，所述的反射镜对通过将两个平面反射镜相对排布，并顶靠于同一块重金属块材上构成；

[0091] 平面反射镜用于偏折X光光路，实现入射X射线与伽马射线的分离；

[0092] 反射镜对的两个平面反射镜的空间姿态和夹角保证针孔阵列各针孔的成像点间隔符合像面记录设备的要求，所述的反射镜对的两个平面反射镜的空间姿态和夹角受重金属块材的尺寸控制；

[0093] 重金属块材沿X光的通过区域开槽，重金属块的开槽尺寸满足：避免遮挡前序反射镜对反射后X光以及保证后续反射镜对入射前X光的通过。

[0094] 本实施例的X光针孔阵列相机还包括其他必要部件，例如靶丸、针孔阵列以及像面记录设备等。

[0095] 本发明中第i个反射镜对的重金属块材的尺寸包括重金属块材的面夹角αi和重金属块材中心位置厚度ti；

[0096] 重金属块材的面夹角αi按照式(1)确定：

[0097]

[0098] 重金属块材中心位置厚度ti按照式(2)确定：

[0099]

[0100] 其中：

[0101] pi为重金属块材中心位置与物点距离，

[0102] qi为重金属块材中心位置与像面距离，

[0103] θi为X射线入射在平面反射镜的掠入射角，

[0104] Li为与该反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔最终在像面成像的期望间隔，[0105] i为大于等于1的整数。

[0106] 第i个反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔之间的间隔xi通过式(3)确定：

[0107] xi＝2u(θi+αi) (3)

[0108] 针孔阵列中每一列中相邻针孔之间的间隔yi通过式(4)确定：

[0109] yi＝Hiu/v (4)

[0110] 其中：

[0111] u为针孔阵列与物点的距离，

[0112] v为针孔阵列与像点的距离，

[0113] Hi为针孔阵列中每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔。

[0114] 第m个反射镜对的重金属块材HMm在厚度方向上开槽尺寸的深度为hm：

[0115] hm不大于tm/2－Lmpm/2(pm+qm)以避免有直射的中子或伽马辐射入射到分幅相机的微带，且不小于后序任一反射镜对Mi/Mi′对应的tm/2－pm(θi+αi)中的最大值以避免遮挡入射到后序任一反射镜对成像Mi/Mi′的X光束，同时hm不小于所有前序反射镜对中tm/2－tii/2+(pm-pii)(θii-αii)的最大值以避免遮挡前序任一反射镜对Mii/Mii′反射后的X光束；

[0116] 其中：

[0117] tm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置厚度，

[0118] Lm为第m个反射镜对所对应的针孔阵列中的两行针孔最终在像面成像的期望间隔，

[0119] pm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，

[0120] qm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离；

[0121] Mi/Mi′为后序任一反射镜对的两个平面反射镜，

[0122] θi为X射线入射在后序任一反射镜对的平面反射镜的掠入射角，

[0123] αi为后序任一反射镜对的重金属块材的面夹角；

[0124] Mii/Mii′为前序任一反射镜对的两个平面反射镜，

[0125] tii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置厚度，

[0126] pii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，

[0127] qii为前序任一反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离；

[0128] θii为X射线入射在前序任一反射镜对的平面反射镜的掠入射角，

[0129] αii为前序任一反射镜对的重金属块材的面夹角，

[0130] m为大于等于2的整数。

[0131] 第m个反射镜对的重金属块材HMm在沿光轴方向的开槽尺寸的宽度为wm：

[0132] wm不小于nHi pm/(pm+qm)的最大值，以避免重金属块材开槽的槽壁遮挡X光光路；

[0133] 其中：

[0134] n为该反射镜对相应的每行的针孔数量，

[0135] Hi为针孔阵列中每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔，

[0136] pm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与物点距离，

[0137] qm为第m个反射镜对的重金属块材中心位置与像面距离，

[0138] m为大于等于2的整数。

[0139] 重金属块材材质为重金属单质材料或合金，包括铅、钨或铅锑合金等原子序数大的重金属材料或合金；重金属块材在沿光轴方向的长度不小于平面反射镜长度以保证顶靠稳定性。平面反射镜沿X光传播方向上长度的投影尺寸不小于各针孔成像投影的尺寸。

[0140] 上述具有屏蔽伽马辐射效果的X光针孔阵列相机的装配方法，包括以下步骤：

[0141] (1)将两个平面反射镜相对排布，置于针孔阵列后端，并顶靠在同一块重金属块材上，构成第一个反射镜对，两个平面反射镜分别对针孔阵列的一行针孔的投影成像进行反射；

[0142] (2)确定金属块材的中心厚度t1、面夹角α1以及第一个反射镜对所对应的针孔阵列的两行针孔之间的间隔x1以及相邻两列之间的间隔y1；

[0143] (3)在第一个反射镜对的相邻位置依次放置后续各对平面反射镜，每一对平面反射镜顶靠在一个重金属块材上，获得多个置于针孔阵列成像后的光路中的反射镜对，按照第一个反射镜对的方法确定第i个反射镜对的金属块材的中心厚度ti、面夹角αi以及第一个反射镜对所对应的针孔阵列的两行针孔之间的间隔xi以及相邻两列之间的间隔yi，使得由物点发出的X光经各镜对的反射光路在像面的排布均能符合像面记录设备的要求。

[0144] 装配的方法具体包括以下步骤：

[0145] (a)如图1所示，首先将两个平面反射镜M1和M1′相对排布置于针孔阵列PHA后端，并顶靠在同一块重金属块材HM1上，构成第一个反射镜对，物点T发出的X射线经两个平面反射镜M1和M1′分别对一行针孔Ph1和Ph1′的投影成像进行反射(C1和C1′分别代表其中一个针孔的X光走向，其他针孔与其相同)，最终在像面位置的分幅相机FC的两条微带MS1和MS1′上成像。基于物理需求的差异，平面镜上可以镀制单层金属膜、多层膜等不同结构的膜系材料以实现对不同能量X射线的高反射率。

[0146] (b)ICF物理实验需求对针孔阵列成像的放大倍率、工作距离等参数已经有一定要求，因此作为针孔阵列后端放置的反射镜对的空间位置也基本确定，设第一个反射镜对的重金属块材的中心位置与物点和像面的距离分别为p1和q1。ICF物理实验针对感兴趣的X光能区的高反射率，因此X射线入射在平面反射镜的掠入射角θ1也应针对感兴趣的X射线能区预先设计，X射线最终成像在像面上的间隔也应与分幅相机的记录微带MS1和MS1′的间隔L1一致，以确保图像被微带记录。上述参数可以作为已知参数，来决定重金属块材HM1的尺寸结构。如图2所示，重金属块材HM1尺寸主要由其中心位置的厚度t1和对平面反射镜的两个支撑面夹角α1(与中心对称轴的夹角)确定。上述初始结构参数之间在近掠入射条件下具有如下数学关系：

[0147] L1＝t1-2q1(θ1-α1) (5)

[0148] 2(θ1+α1)＝t1/p1 (6)

[0149] 根据初始结构参数之间的关系计算得到重金属块材HM1的中心厚度t1和面夹角α1[0150]

[0151]

[0152] (c)进一步确定第一个镜对所对应的针孔阵列的两行Ph1和Ph1′之间的间隔x1和每一列中相邻针孔之间的间隔y1。如图3所示，若针孔阵列与物点的距离为u，则x1＝2u(θ1+α1)。若针孔阵列与像点的距离为v，每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔为H1，则y1＝H1u/v。

[0153] (d)仍如图1所示，在第一组反射镜对的后续位置依次放置后续的平面反射镜对，每一对平面反射镜中间对靠在重金属块材HMi上，共获得i个反射镜对，重金属块材HMi的中心厚度ti、面夹角αi以及各镜对对应的针孔阵列行列之间的间隔xi和yi的计算方法与步骤(b)和(c)相同，得到的αi、ti、xi和yi参考式(1)～(4)；

[0154] (e)将i组反射镜对依次置入到X光光路中，使得由物点发出的X光经各镜对的反射光路在像面的排布均能符合像面记录设备的要求。

[0155] 预先如图4所示，在各重金属块材应沿X光的通过区域开槽。其开槽参数主要有开槽的深度和宽度所决定。对于第m个反射镜对的重金属块材HMm，其在厚度方向上开槽尺寸的深度范围hm不大于tm/2－Lmpm/2(pm+qm)以避免有直射的中子或伽马辐射Dγ入射到分幅相机的微带，且不小于后序任一反射镜对Mi/Mi′对应的tm/2－pm(θi+αi)中的最大值以避免遮挡入射到后序任一反射镜对成像Mi/Mi′的X光束Ci/Ci′，如图5所示。同时如图6所示，前序任一反射镜对Mii/Mii′反射后在第m个反射镜对的重金属块材位置的间隔为tmi＝tii-2(pm-pii)(θii-αii)，因此hm也应不小于所有前序镜对中tm/2－tmi/2＝tm/2－tii/2+(pm-pii)(θii-αii)的最大值以避免遮挡前序任一反射镜对Mii/Mii′反射成像的X光束Cii/Cii′；如图7所示，沿光轴方向开槽尺寸的宽度范围wm不小于nHi pm/(pm+qm)的最大值，以确保重金属块材开槽的槽壁不会遮挡X光光路，其中n为该反射镜对相应的每行的针孔数量。

[0156] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0157] 实施例1

[0158] 本实施例的相机希望能够对用于激光装置锥壳靶(最大直径1mm)在内爆压缩过程中的低能X射线自发光成像诊断或示踪元素Cu的Kα特征X射线成像诊断。由于在内爆过程中同时会辐射出大量的伽马射线，伽马射线与中子辐射随物理实验感兴趣的X光辐射共同入射到像面记录设备，产生大量的本底噪声，使得X光信号掩盖在其中无法有效记录，同时还对像面面元造成损伤，故应将X射线与伽马射线进行分离。实验希望能够对20个时间点的等离子体状态进行成像，所选用的分幅相机接收面尺寸如图8所示，这也是目前我国强激光装置常用的一种四微带结构的分幅相机。该相机共有四条微带两两对称排布构成，同一条微带上相邻两个像点的间距为7.4mm，不同微带相邻两点的间距为16mm。为此设计分幅相机上的像点排布为:每5个像点在一条微带上成像，4条微带共20个像点上完成成像。为此应用需求设计的抗伽马辐射X光针孔阵列相机可以由针孔阵列和两个反射镜对(共四块反射镜)构成，两个反射镜对分别由一块铅锑合金块材支撑，并起到吸收伽马射线辐射的作用。针孔阵列呈4行5列(4×5)的排布，而每个反射镜对将其中两行的5个针孔分别反射成像，两个反射镜对最终在分幅相机FC上形成20个图像。反射镜对M1/M1'反射的X光设计为在外侧两条微带上成像，即L1＝48mm，反射镜对M2/M2'反射的X光设计为在内侧两条微带上成像，即L2＝16mm。

[0159] 基于物理需求的差异，平面镜上可以镀制单层金属膜、多层膜等不同结构的膜系材料以实现对不同能量X射线的高反射率。由于系统需要对Cu的Kα特征线(8keV)以及更软能区的低能软X射线进行反射，因此针对上述能点镀制W/C周期膜的多层膜结构，以尽可能提高其反射率。由计算可知，其在掠入射角1.0°附近范围内实现对能点在8keV的X射线较高的反射率。每个反射镜对的两块反射镜因为呈对称排布，因此具有相同的工作掠入射角度，在本实施例中我们选择将两个反射镜对的掠入射角θ1和θ2分别选择在0.9°和1.1°。

[0160] 根据图2依次确定各初始结构参数，分幅相机的像面位置必须在激光装置靶室范围以外的一定距离，在用靶室的半径为1350mm，本实施例将分幅相机距离靶室中心(等同于图2中T点)的距离选择为1800mm，即u+v＝p1+q1＝p2+q2＝1800mm。针孔阵列板距离靶室中心的距离为u＝150mm，以避免距离太近时打靶碎片对针孔板的损伤，此时v＝1650mm，即本套系统的放大倍数为11倍。反射镜对在针孔阵列板后方放置，本实施例中反射镜对M1/M1'中心位置与物点T距离设定为p1＝180mm，反射镜对M2/M2'中心位置与物点T距离为p2＝225mm，即q1＝1620mm，q2＝1575mm。此时最大直径1mm的靶丸经两个反射镜对对应的针孔成像后在反射镜的投影尺寸约为12.7mm和26.0mm，两对反射镜的长度不小于上述尺寸，以保证经过针孔成像后的X光均能被反射镜接收。本实施例考虑到装配过程误差也会对反射镜与针孔的相对位置产生影响，为预留一定的误差容限，同时考虑到两块相同尺寸的反射镜容易制备，我们将反射镜表面口径选择为40mm×40mm。

[0161] 针对上述初始结构参数，下面说明本发明内容对应的具体实施步骤。

[0162] (a)如图1所示，首先是将两个平面反射镜M1和M1′相对排布置于针孔阵列PHA后端，并顶靠在同一块主要成分为铅锑合金的重金属块材HM1上，构成第一组反射镜对，物点T发出的X射线经两个平面反射镜M1和M1′分别对一行针孔Ph1和Ph1′的投影成像进行反射(C1和C1′分别代表其中一个针孔的X光走向，其他针孔与其相同)，最终在像面位置的分幅相机FC的两条微带MS1和MS1′上成像。

[0163] (b)如图2所示，重金属块材HM1尺寸主要由其中心位置的厚度t1和对反射镜的两个支撑面夹角α1(与中心对称轴的夹角)确定。上述初始结构参数之间在近掠入射条件下具有如下数学关系：

[0164] L1＝t1-2q1(θ1-α1) (5)

[0165] 2(θ1+α1)＝t1/p1 (6)

[0166] 据此计算得到重金属块材HM1的中心厚度t1和面夹角α1

[0167]

[0168]

[0169] 然后由初始数据与公式(7)和公式(8)可计算得到α1＝1.4839°，t1＝14.9744mm。而HM1在沿光轴方向的长度不应小于平面反射镜长度40mm以保证顶靠稳定性，本实施例中选择与平面反射镜长度40mm相等。

[0170] (c)进一步确定第一个镜对所对应的针孔阵列的两行Ph1和Ph1′之间的间隔x1和每一列中相邻针孔之间的间隔y1。如图3所示，针孔阵列与物点的距离为u＝150mm，则x1＝2u(θ1+α1)＝12.489mm。针孔阵列与像点的距离为v，每一列中相邻针孔最终在像面成像的期望间隔H1＝7.4mm，则y1＝H1u/v＝0.766mm。

[0171] 4)继续计算得到第二个反射镜对M2/M2′所对应的重金属块材HM2的初始结构参数，由初始数据与公式(7)和公式(8)可计算得到α2＝1.0796°，t2＝17.1189mm。而HM2在沿光轴方向的长度不应小于平面反射镜长度40mm以保证顶靠稳定性，本实施例中选择与平面反射镜长度40mm相等。同理可以得到对应的针孔间隔，即x2＝11.418mm，y2＝0.766mm，最终本实施例需要加工的针孔阵列板图纸如图9。

[0172] 预先在各重金属块材应沿X光的通过区域开槽，如图4所示。其开槽参数主要有开槽的深度和宽度所决定。如图5所示，对于第1组重金属块材HM1，其在厚度方向上开槽深度尺寸的范围h1不大于t1/2－L1p1/2(p1+q1)＝5.089mm以避免有直射的中子或伽马辐射入射到分幅相机的微带。其只存在后序反射镜对M2/M2′，因此h1应不小于t1/2－p1(θ2+α2)＝0.6414mm以避免遮挡其他反射镜对成像的X光。如图7所示，沿光轴方向的开槽宽度尺寸w1不小于nH1pm/(pm+qm)以确保重金属块材开槽的槽壁不会遮挡X光光路。本实施例中每行均具有5个针孔，即n＝5，相邻两列针孔的间隔均为H1＝7.4mm，则w1应不小于3.7mm。本实施例最终选择HM1开槽的深度为2mm，开槽的宽度为20mm，图10是其具体的结构尺寸。

[0173] 对于第2组重金属块材HM2，其在厚度方向上开槽深度尺寸的范围h2不大于t2/2－L2p2/2(p2+q2)＝7.559mm以避免有直射的中子或伽马辐射入射到分幅相机的微带。由于其只存在前序镜对M1/M1′，因此如图8所示，h2应不小于t2/2－t1/2+(p2-p1)(θ1-α1)＝0.4884mm以避免遮挡第一组镜对M1/M1′反射后的X光C1/C1′。同理沿光轴方向的开槽宽度尺寸w2也不小于3.7mm，以开槽的槽壁不会遮挡X光光路。本实施例最终选择HM2开槽的深度为
2mm，开槽的宽度为20mm，图11是其具体的结构尺寸。

[0174] 本实施例的相机的整体结构紧凑，系统耦合精度高。本发明应用了具有特定尺寸和角度关系的重金属块材作为支撑结构，将多组平面反射镜在狭小空间内集成。重金属块材除了提供对伽马射线的屏蔽效果之外，同时还保证了平面反射镜与针孔阵列的空间关系，因此对平面反射镜的姿态调整不需要额外的调整机构，相机整体结构紧凑，同时耦合精度高。并且本实施例的相机易于实现与像面记录设备的匹配。本发明对平面反射镜的姿态控制，实现了对各镜对在像面位置的准确控制，因此针对不同尺寸和类型的像面记录设备，能够实现更为准确的匹配。

[0175] 上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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