一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于辐射探测与成像的能量选择成像装置，具体涉及一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置。


背景技术：

2.脉冲伽马射线束成像是研究惯性约束聚变等装置性能的关键测量技术之一，通过脉冲伽马射线束成像可以直观获得聚变燃烧区的空间分布，测量结果对于评估聚变点火成败具有重要的参考价值。
3.现有的脉冲伽马射线束成像方法主要是基于针孔成像和闪烁探测原理，不同能量的伽马射线图像难以区分，而不同能量的伽马射线图像反映了不同的物理过程，例如dt聚变反应中，聚变中子与烧蚀层中c元素发生非弹性散射，产生的4.44mev伽马射线的空间分布可用于诊断烧蚀层的状态。特定能量的伽马射线蕴含特定的反应类型，针对脉冲伽马射线束实现准单能成像，可以获得物理含义更为清晰的图像信息。因此，发展脉冲伽马射线束能量选择成像技术对于惯性约束聚变等装置性能研究具有重要意义。
4.针对脉冲伽马射线束成像的特点，有研究者在中国专利cn114757105a中采用三块阵列闪烁体和两块衰减片的组合以实现三能段伽马成像，该方法可以通过单次测量获得三个能段的伽马射线图像，其空间分辨和探测效率均较高，但不足之处在于能量分辨不够高，无法根据应用需求针对特定能量点的伽马射线实现能量选择成像，影响对惯性约束聚变等装置性能的精确评估，并限制该技术的进一步研究和应用，因此很有必要发展新的方法以实现目标能量可调、能量分辨较高的脉冲伽马射线束能量选择成像。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有脉冲伽马射线束成像能量分辨较低，难以根据需要实现特定能量点的伽马射线成像的技术问题，而提供一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，其特殊之处在于：包括伽马射线源、辐射转换靶、电子选能系统和光学成像系统；
8.所述伽马射线源用于产生具有能量分布的脉冲伽马射线束；
9.所述辐射转换靶设置在伽马射线源的脉冲伽马射线束出射路径上，用于将脉冲伽马射线束转换为康普顿散射电子束；
10.所述电子选能系统包括沿康普顿散射电子束出射路径依次设置的角度限制器、第一二极磁铁、能量限制器和第二二极磁铁；
11.所述角度限制器设置在康普顿散射电子束的出射路径上并位于第一二极磁铁入口处，用于使符合发射角度要求的康普顿散射电子束通过并进入第一二极磁铁内；
12.所述辐射转换靶和能量限制器的位置以第一二极磁铁的径向中分面为对称面呈镜像对称设置；
13.所述能量限制器设置在第一二极磁铁和第二二极磁铁之间并位于中点位置处，用于使符合能量要求的康普顿散射电子通过；
14.所述第一二极磁铁和第二二极磁铁以能量限制器的径向中心线为轴线呈旋转对称设置；所述第一二极磁铁和第二二极磁铁用于通过磁场控制康普顿散射电子的运动轨迹，使康普顿散射电子从第一二极磁铁入射并从第二二极磁铁出射；
15.所述光学成像系统设置在第二二极磁铁出射的康普顿散射电子束出射路径上，用于将第二二极磁铁出射的康普顿散射电子束进行成像。
16.进一步地，所述第一二极磁铁和第二二极磁铁均为圆弧状结构，且结构参数均相同；
17.所述康普顿散射电子束在第一二极磁铁和第二二极磁铁内的传输矩阵为六阶矩阵a，且六阶矩阵a满足以下条件：
18.a
11
＝0、a
22
＝0、a
33
＝0、a
44
＝0
19.其中，六阶矩阵a中a
11
、a
22
、a
33
、a
44
分别代表第1行第1列的元素、第2行第2列的元素、第3行第3列的元素、第4行第4列的元素；
20.所述第一二极磁铁和第二二极磁铁的磁场强度b满足以下公式：
[0021][0022]ek
代表带电粒子束的中心能量；
[0023]
c代表光速；
[0024]
q代表单个带电粒子所带电荷量；
[0025]
e0代表单个带电粒子的静止能量；
[0026]
r代表二极磁铁的圆弧所在圆的半径。
[0027]
进一步地，所述光学成像系统包括位于第二二极磁铁出射的康普顿散射电子束路径上的电光转换屏，以及沿电光转换屏出射光路依次设置的反射镜和相机；
[0028]
所述电光转换屏和能量限制器的位置以第二二极磁铁的径向中分面为对称面呈镜像对称设置；
[0029]
所述电光转换屏和辐射转换靶的位置以能量限制器的径向中心线为轴线呈旋转对称设置；
[0030]
所述第二二极磁铁出射的康普顿散射电子束经过电光转换屏转换成可见光，可见光经反射镜反射进入到相机内进行成像。
[0031]
进一步地，所述电光转换屏材料选用yag；
[0032]
所述辐射转换靶材料选用铍或铝。
[0033]
进一步地，所述第一二极磁铁和第二二极磁铁的偏转半径r为500mm，偏转角度θ为50度，边缘角α为14.8度；
[0034]
其中，偏转角θ为二极磁铁圆弧所在圆的圆心角，偏转半径r为二极磁铁圆弧所在圆的半径，边缘角α为二极磁铁的中心轴线与两端面的交点所在直径与对应端面的夹角；
[0035]
辐射转换靶与第一二极磁铁入口距离为1.2米，第一二极磁铁出口与第二二极磁铁入口距离为2.4米，第二二极磁铁出口与电光转换屏距离为1.2米；
[0036]
所述辐射转换靶的材料为铍，厚度为0.3毫米。
[0037]
本发明的有益效果：
[0038]
本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，通过辐射转换靶将脉冲伽马射线束转换为康普顿散射电子束，通过角度限制器和能量限制器实现脉冲伽马射线束的能量选择，再通过设计两个二级磁铁控制康普顿散射电子束的运动轨迹，实现康普顿散射电子束的消色差、点对点成像，进而实现从能量连续分布的伽马射线束中选择特定能量的伽马射线进行清晰成像的目的，本发明为惯性约束聚变等装置性能的精确评估提供了保障，并为该技术的进一步研究和应用提供了良好的物理基础。
[0039]
本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，通过调节二极磁铁结构参数和磁感应强度，可以获得不同能量伽马射线的准单能图像，进而针对具体应用需求实现对不同目标能量伽马射线的能量选择成像，获得反映不同物理过程的图像信息，为惯性约束聚变等装置性能的精确评估提供更丰富的信息。
[0040]
本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，二极磁铁的参数r、θ、α、入口距离，符合六阶矩阵a并满足以下条件：a
11
＝0、a
22
＝0、a
33
＝0、a
44
＝0，且匹配结果较优，使得图像成像清晰。
[0041]
本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，通过能量限制器可以限制到达探测面的电子的能散，从而实现较高的能量分辨，相比于现有技术，本发明装置能量分辨较高，单次测量可以获得能量分辨较高的准单能脉冲伽马射线束图像。
附图说明
[0042]
图1是本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置实施例的结构示意图；
[0043]
图2是本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置实施例中二极磁铁的结构示意图；
[0044]
图3是本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置实施例实现脉冲伽马射线能量选择成像的模拟结果：其中，(a)为原图，(b)为相机获得的高能伽马射线图像，(c)为相机获得的低能伽马射线图像。
[0045]
附图标记：1-辐射转换靶；2-电子选能系统，201-第一二极磁铁，202-第二二极磁铁，203-角度限制器，204-能量限制器；3-光学成像系统，301-电光转换屏，302-反射镜，303-相机，401-脉冲伽马射线束，402-康普顿散射电子束，403-能量在中心能量附近的电子束，404-能量大于中心能量的电子束，405-能量小于中心能量的电子束，406-可见光，407-能量为中心能量的参考粒子运动轨迹。
具体实施方式
[0046]
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0047]
本发明一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，如图1所示，包括伽马射线源、辐射转换靶1、电子选能系统2和光学成像系统3。伽马射线源用于产生具有能量分布的脉冲伽马射线束；
[0048]
辐射转换靶1设置在伽马射线源的脉冲伽马射线束出射路径上，用于将脉冲伽马射线束转换为康普顿散射电子束，辐射转换靶1为低z毫米靶，材料选用低z物质如铍、铝等。
[0049]
电子选能系统2包括沿康普顿散射电子束出射路径依次设置的角度限制器203、第
一二极磁铁201、能量限制器204和第二二极磁铁202。角度限制器203设置在康普顿散射电子束的出射路径上，放置于第一二极磁铁201的入口位置，用于对电子束进行角度限制，使符合发射角度要求的康普顿散射电子束通过。辐射转换靶1和能量限制器204的位置以第一二极磁铁201的径向中分面为对称面呈镜像对称设置；能量限制器204设置在第一二极磁铁201和第二二极磁铁202之间并位于中点位置处，用于使符合能量要求的康普顿散射电子通过；第一二极磁铁201和第二二极磁铁202以能量限制器204的径向中心线为轴线呈旋转对称设置；第一二极磁铁201和第二二极磁铁202用于通过磁场控制康普顿散射电子的运动轨迹，使康普顿散射电子从第一二极磁铁201入射并从第二二极磁铁202出射，能量为中心能量的参考粒子运动轨迹407如图2所示。光学成像系统3设置在第二二极磁铁202出射的康普顿散射电子束出射路径上，用于将第二二极磁铁202出射的康普顿散射电子束进行成像。
[0050]
光学成像系统3包括位于第二二极磁铁202出射的康普顿散射电子束路径上的电光转换屏301，以及沿电光转换屏301出射光路依次设置的反射镜302和相机303。电光转换屏301用于将能量在中心能量附近的电子束403转换为可被相机拍摄的可见光406，电光转换屏301材料选用yag；反射镜302用于反射从电光转换屏301出射的可见光406，反射镜302与电光转换屏301表面出射可见光406的出射方向呈45度放置；相机303用于拍摄反射镜302反射的可见光406以形成图像。电光转换屏301和能量限制器204的位置以第二二极磁铁202的径向中分面为对称面呈镜像对称设置；电光转换屏301和辐射转换靶1的位置以能量限制器204的径向中心线为轴线呈旋转对称设置；第二二极磁铁202出射的康普顿散射电子束经过电光转换屏301(即像平面处)转换成可见光，可见光经反射镜302反射进入到相机303内进行成像。
[0051]
本发明中第一二极磁铁201和第二二极磁铁202均为圆弧状结构，且结构参数均相同。康普顿散射电子束在第一二极磁铁201和第二二极磁铁202内的传输矩阵为六阶矩阵a，且六阶矩阵a满足以下条件：
[0052]a11
＝0、a
22
＝0、a
33
＝0、a
44
＝0
[0053]
其中，六阶矩阵a中a
11
、a
22
、a
33
、a
44
分别代表第1行第1列的元素、第2行第2列的元素、第3行第3列的元素、第4行第4列的元素。第一二极磁铁201和第二二极磁铁202的磁场强度b满足以下公式：
[0054][0055]ek
代表带电粒子束的中心能量；
[0056]
c代表光速；
[0057]
q代表单个带电粒子所带电荷量；
[0058]
e0代表单个带电粒子的静止能量；
[0059]
r代表二极磁铁的圆弧所在圆的半径。
[0060]
本发明装置的工作原理如下：脉冲伽马射线束401与辐射转换靶1相互作用产生康普顿散射电子束402，从辐射转换靶1出射的康普顿散射电子束402携带入射伽马射线束的能量和图像信息进入电子选能系统2；从辐射转换靶1出射的康普顿散射电子束402首先进入角度限制器203，在经过角度限制器203时，发射角度较小的电子可以穿过，而发射角度过大的电子会被角度限制器203阻挡无法继续输运，从而利用角度限制器203可以实现对电子
束发射角度的限制；康普顿散射电子束402从角度限制器203出射后，依次经过第一二极磁铁201、能量限制器204和第二二极磁铁202。电子选能系统2利用呈中心对称放置的第一二极磁铁201和第二二极磁铁202提供的磁场对电子束的运动轨迹进行控制并在像平面处形成消色差、点对点成像：电子在经过第一二极磁铁201后，能量在中心能量附近的电子束403在能量限制器204的中心形成聚焦，穿过能量限制器204的电子继续输运并经过第二二极磁铁202，在第二二极磁铁202提供的磁场作用下，被聚焦的电子重新分散开来，并在像平面处通过光学成像系统3实现成像。像平面处的电子图像对应于辐射转换靶1后表面出射的康普顿散射电子的图像，并且第一二极磁铁201和第二二极磁铁202提供的磁场可以对电子束的运动轨迹进行控制并消除像平面处由电子能量偏离中心能量造成的色差模糊，从而在像平面处形成消色差、点对点成像。能量在中心能量附近的电子束403在电光转换屏301处形成消色差、点对点成像后，电光转换屏301将能量在中心能量附近的电子束403转换为可见光406，可见光406经过反射镜302反射，最终被相机303拍摄形成图像。
[0061]
本发明伽马射线束能量选择成像装置利用辐射转换靶1将脉冲伽马射线束401转换为康普顿散射电子束402，从辐射转换靶1出射的康普顿散射电子束402携带脉冲伽马射线束401的能量和图像信息进入电子选能系统2；电子选能系统2利用角度限制器203对电子束进行角度限制，发射角度较小的电子可以穿过，而发射角度过大的电子会被角度限制器203阻挡无法继续输运，从而利用角度限制器203可以实现对电子束发射角度的限制。利用第一二极磁铁201和第二二极磁铁202提供的磁场对电子束的运动轨迹进行控制：第一二极磁铁201和第二二极磁铁202提供的磁场包括分布于磁铁内的二极磁场以及分布于磁铁入口和出口处的边缘磁场；电子束在二极磁铁提供的磁场中运动会到洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下电子束运动轨迹发生偏转和聚焦，偏转半径的大小与电子能量有关，电子的能量越高偏转半径越大，电子的能量越低偏转半径越小；通过设置第一二极磁铁201和第二二极磁铁202的形状和磁感应强度，使能量在中心能量附近的电子束403在经过第一二极磁铁201后聚焦于能量限制器204的中心位置，能量大于中心能量的电子束404和能量小于中心能量的电子束405的聚焦位置则远离能量限制器203的中心位置。利用能量限制器204对电子束进行能量选择，能量在中心能量附近的电子403从第一二极磁铁201出射后在能量限制器204的中心形成聚焦从而穿过能量限制器204继续输运，能量大于中心能量的电子束404和能量小于中心能量的电子束405会被能量限制器204阻挡无法继续输运，从而利用能量限制器204可以实现对电子束能量的限制，穿过能量限制器204的剩余电子在像平面即电光转换屏301处实现消色差、点对点成像；光学成像系统3获取电光转换屏301处的电子图像。通过光学成像系统3获取的图像可以得到入射伽马射线在特定能量点的准单能图像，从而实现伽马射线束能量选择成像。
[0062]
为了使能量在中心能量附近的电子束403从第一二极磁铁201出射后在能量限制器204的中心形成聚焦，并在电光转换屏301处形成消色差、点对点成像，需要设置二极磁铁结构参数，使得磁场符合需求。图2是本发明实施例二极磁铁的结构示意图，两个二极磁铁结构及参数一致，如图2所示，关键的结构参数主要有：二极磁铁偏转半径r，二极磁铁偏转角度θ，二极磁铁边缘角α；其中，偏转角θ为二极磁铁圆弧所在圆的圆心角，偏转半径r为二极磁铁圆弧所在圆的半径，边缘角α为二极磁铁的中心轴线与两端面的交点所在直径与对应端面的夹角。符合本发明装置需求的二极磁铁结构参数有多组，本实施例采用其中一组
优选结构参数为：二极磁铁偏转半径r＝500mm，二极磁铁偏转角度θ＝50度，二极磁铁边缘角α＝14.8度。在该组二极磁铁结构参数下，选用辐射转换靶1的材料为铍，厚度为0.3毫米。辐射转换靶1与第一二极磁铁201入口距离为1.2米，第一二极磁铁201出口与第二二极磁铁202入口距离为2.4米，第二二极磁铁202出口与电光转换屏301距离为1.2米，电光转换屏材料选用yag。
[0063]
为直观表明本发明的优点，使用蒙特卡罗模拟软件对系统整体进行了建模，系统各部件的结构按照上述参数设置，模拟了装置工作的全过程，得到结果如图3所示。图3(a)为脉冲伽马射线束401在辐射转换靶1位置处的图像，即原图，图像尺寸为100mm
×
100mm，图中字母“h”表示高能伽马射线，能量为1.33mev，字母“l”表示低能伽马射线，能量为1.17mev。图3(b)和图3(c)为光学成像系统获得的能量在中心能量附近的电子束403在像平面处的图像，其中图3(b)是目标能量为1.33mev的高能脉冲伽马射线准单能图像，图3(c)是目标能量为1.17mev的低能脉冲伽马射线准单能图像。
[0064]
图3结果表明：按照本实施例的优选参数设置系统结构，本装置可以从不同能量的伽马射线束中选择特定能量的伽马射线进行成像；目标能量可调，可以根据应用需求针对不同目标能量的伽马射线进行能量选择成像，从而获得反映不同物理过程的图像信息；能量分辨较高，本装置至少可以分辨1.33mev和1.17mev两种能量的伽马射线，在单次测量中获得能量分辨较高的准单能脉冲伽马射线束图像。
[0065]
上述实施例仅为本实用发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，其特征在于：包括伽马射线源、辐射转换靶(1)、电子选能系统(2)和光学成像系统(3)；所述伽马射线源用于产生具有能量分布的脉冲伽马射线束；所述辐射转换靶(1)设置在伽马射线源的脉冲伽马射线束出射路径上，用于将脉冲伽马射线束转换为康普顿散射电子束；所述电子选能系统(2)包括沿康普顿散射电子束出射路径依次设置的角度限制器(203)、第一二极磁铁(201)、能量限制器(204)和第二二极磁铁(202)；所述角度限制器(203)设置在康普顿散射电子束的出射路径上并位于第一二极磁铁(201)入口处，用于使符合发射角度要求的康普顿散射电子束通过并进入第一二极磁铁(201)内；所述辐射转换靶(1)和能量限制器(204)的位置以第一二极磁铁(201)的径向中分面为对称面呈镜像对称设置；所述能量限制器(204)设置在第一二极磁铁(201)和第二二极磁铁(202)之间并位于中点位置处，用于使符合能量要求的康普顿散射电子通过；所述第一二极磁铁(201)和第二二极磁铁(202)以能量限制器(204)的径向中心线为轴线呈旋转对称设置；所述第一二极磁铁(201)和第二二极磁铁(202)用于通过磁场控制康普顿散射电子的运动轨迹，使康普顿散射电子从第一二极磁铁(201)入射并从第二二极磁铁(202)出射；所述光学成像系统(3)设置在第二二极磁铁(202)出射的康普顿散射电子束出射路径上，用于将第二二极磁铁(202)出射的康普顿散射电子束进行成像。2.根据权利要求1所述的一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，其特征在于：所述第一二极磁铁(201)和第二二极磁铁(202)均为圆弧状结构，且结构参数均相同；所述康普顿散射电子束在第一二极磁铁(201)和第二二极磁铁(202)内的传输矩阵为六阶矩阵a，且六阶矩阵a满足以下条件：a
11
＝0、a
22
＝0、a
33
＝0、a
44
＝0其中，六阶矩阵a中a
11
、a
22
、a
33
、a
44
分别代表第1行第1列的元素、第2行第2列的元素、第3行第3列的元素、第4行第4列的元素；所述第一二极磁铁(201)和第二二极磁铁(202)的磁场强度b满足以下公式：e
k
代表带电粒子束的中心能量；c代表光速；q代表单个带电粒子所带电荷量；e0代表单个带电粒子的静止能量；r代表二极磁铁的圆弧所在圆的半径。3.根据权利要求1或2所述的一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，其特征在于：所述光学成像系统(3)包括位于第二二极磁铁(202)出射的康普顿散射电子束路径上的电光转换屏(301)，以及沿电光转换屏(301)出射光路依次设置的反射镜(302)和相机
(303)；所述电光转换屏(301)和能量限制器(204)的位置以第二二极磁铁(202)的径向中分面为对称面呈镜像对称设置；所述电光转换屏(301)和辐射转换靶(1)的位置以能量限制器(204)的径向中心线为轴线呈旋转对称设置；所述第二二极磁铁(202)出射的康普顿散射电子束经过电光转换屏(301)转换成可见光，可见光经反射镜(302)反射进入到相机(303)内进行成像。4.根据权利要求3所述的一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，其特征在于：所述电光转换屏(301)材料选用yag；所述辐射转换靶(1)材料选用铍或铝。5.根据权利要求4所述的一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置，其特征在于：所述第一二极磁铁(201)和第二二极磁铁(201)的偏转半径r为500mm，偏转角度θ为50度，边缘角α为14.8度；其中，偏转角θ为二极磁铁圆弧所在圆的圆心角，偏转半径r为二极磁铁圆弧所在圆的半径，边缘角α为二极磁铁的中心轴线与两端面的交点所在直径与对应端面的夹角；辐射转换靶(1)与第一二极磁铁(201)入口距离为1.2米，第一二极磁铁(201)出口与第二二极磁铁(202)入口距离为2.4米，第二二极磁铁(202)出口与电光转换屏(301)距离为1.2米；所述辐射转换靶(1)的材料为铍，厚度为0.3毫米。

技术总结
本发明涉及一种脉冲伽马射线束能量选择成像装置。解决现有脉冲伽马射线束成像能量分辨较低，难以实现特定能量点的伽马射线成像的技术问题。本发明装置包括伽马射线源、辐射转换靶、电子选能系统和光学成像系统；辐射转换靶设置在伽马射线源的出射路径上；电子选能系统包括角度限制器、第一二极磁铁、能量限制器和第二二极磁铁；角度限制器设置在第一二极磁铁入口处；辐射转换靶和能量限制器的位置以第一二极磁铁的径向中分面为对称面呈镜像对称设置；第一二极磁铁和第二二极磁铁以能量限制器的径向中心线为轴线呈旋转对称设置；康普顿散射电子束依次经角度限制器、第一二极磁铁、能量限制器和第二二极磁铁后，进入光学成像系统进行成像。统进行成像。统进行成像。


技术研发人员：张长青 盛亮 宋朝晖 李豪卿 段宝军 翁秀峰 黑东炜 王群书
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20