重频脉冲X射线分幅成像仪的研制
高能量分辨x射线成像探测器可重构像素型读出集成电路关键技术研
高能量分辨x射线成像探测器可重构像素型读出集成
电路关键技术研
电压DAC总的输出范围为0到1.44V，其中7位电压DAC提供CSA复位电压，步长为11.14mV；8位电压DAC提供电压比较器阈值，步长为5.59mV。
像素电路输出的反映能量幅值的模拟电压在行列选择开关的控制下通过像素阵列共用的输出缓冲电路进行放大，输出缓冲电路由增益可配置的开关电容放大器实现，工作时钟频率为5MHz。
敏感节点寄生电容控制在50fF，注入电荷数为2740时，CSA的等效电荷噪声在36e-以内，CSA的增益为0.13mVe-。
时间脉冲信号前沿的“时间移步”控制在16ns以内，实现了时间甄别。
当敏感节点注入电荷范围为137~2740时，X射线探测器像素电路及反映其能量幅值信息的读出电路实现了反映X射线能量幅值的模拟输出。
光谱分辨的脉冲X射线时间谱仪的研制
第４ 卷第２ ０ 期
２０ 年３ ０６ 月
原
子
能
科
学
技
术
Ｖ０． Ｏ Ｎｏ ２ １４ 。 ．
Ｍａ．２ ６ ｒ ００
Ａｔ ｍｉ ｅ ｇ ｃ ｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｃ Ｅｎ ｒ ｙ Ｓ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
光谱 分 辨 的脉 冲 Ｘ射 线 时 间谱 仪 的研 制
顾 牡， 顿华， 勇， 辉， 小林， 睿 曹 段 马晓 刘 张
（ 同济 大 学 波 耳 固 体 物理 研 究 所 波 与 材 料 的微 结 构 重 点 实 验 室 ， 海 上 ２０９ ） ０ ０ ２
摘要 ： 通过 １台高效率凹面光栅单色仪的研制 ， 原有脉 冲 ｘ射线 时间谱仪 的基础 上 ， 发完成 了 １套 在 开 光谱分辨的荧 光衰减 时间谱仪 ， 其波长和时 间分辨率分别 可达 ｎ ｍ和亚 ｎ 量级 。由 Ｂ Ｆ 闪烁 晶体 的测 ｓ ａｚ
ＧＵ ｕ，ＣＡＯ ｎ ｈ ａ Ｍ Ｄｕ － ｕ ，ＤＵ ＡＮ ｎ Ｙｏ ｇ，Ｍ Ａ ａ ｕ ，Ｌ Ｕ ａ — ｉ Ｘｉ ｏ ｈ ｉ Ｉ Ｘｉ ｏ ｌ ｎ，Ｚ ＡＮＧ ｉ Ｈ Ｒｕ
（ ｙＬ ｂｒｔｒ ｆＷａ ｅ Ｋｅ ａｏａｏｙｏ ｖｓ＆ Ｍ ｉ ｏｔｕ ｔｒ ａｅｉｌ． ｃ ｓｒｃｕｅ ｔｒａｓ ｒ Ｍ Ｐ ｈ ｎｔｕｅ ｆＳ ｌ ｔｔ Ｐ ｙｉｓ ｏｇ ｉ ｉｅｓ ｙ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ０ ２ Ｃ ｉａ ｏ ｌ ｓ ｔｔ ｏ ｏｉ Ｓａｅ ｈ ｓ ，Ｔ ｎ ｊ ｖｒｉ Ｉ ｉ ｄ ｃ Ｕｎ ｔ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ９ ， ｈｎ ） ２
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｗ ｉｈ ｔ ｅ ｄ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔｏ ｉ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｙ ｃ ｎ ａ ｅ ｇ ａ ｉ ｇ ｍ ｏ ｏ ｈ ｏ ｔ ｒ ｔ ｈ ｅ ｅｏ ｍ ｎ ｆ ａ ｈ ｇ ｆｉ ｅ ｃ ｏ ｃ ｖ ｒ ｔ ｎ ｃ ｒ ｍａ ｏ ，ａ ｃ ｎ ｐ ｌｅ ｒ ｙ ｆ ｃｌ ｙ ｆ ｒ ｗａ ｅｅ ｇ ｈ ｒ ｓ ｌ ｅ ｅ ａ ｉ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｉ ａ ｅ ｕ ｏ ｈ ｕ ｓ ｄ Ｘ－ ａ ａ ｉ ｔ ｏ ｖ ｌ ｎ ｔ ｅ ｏ ｖ ｄ ｄ ｃ ｙ ｔｍｅ ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｓ ｍ ｄ ｐ ｎ ｔ ｅ ｉ
重复频率亚纳秒硬X射线源研制及应用
欧阳晓 平 ， 刘 胜 ， 陈 亮 ， 余小 任 ， 熊 旭 亚 潘 孝兵
（ １ ． 西北 核 技术 研 究 所 ，陕 西 西 安 ７ １ ０ ０ ２ ４； ２ ． 中 国原 子能 科 学 研 究 院 ， 北京 １ ０ ２ ４ １ ３ ）
摘要： 为获得一种多用途 Ｘ射线源 ， 满足核辐射探测器研制 、 脉冲成像等多任务应用需要 ， 本 文 研 制 出 具 备重复频率 、 超快 、 高 稳定 性 、 便 于连 续 调 节 脉 冲 电 压 和 脉 宽 等 的 多 用 途 ｘ 射 线 源 ， 其 上 升 沿达 ９ ８ ． ６ ｐ ｓ ， 运 行 电压 达 ４ ２ ５ ｋ Ｖ， １ ０ ｃ ｍ 处 峰 值 注 量 率 高达 ２ ． ０ ７ ×１ ０ ”ｃ ｍ ・ Ｓ ＿ 。 ， 为 开 展 相 关 应 用 研 究 提 供 了 理 想
ＱＵＡＮ Ｌｉ ｎ ，ＦＡＮ Ｙａ — ｊ ｕ ｎ ，ＴＵ Ｊ ｉ ｎ ｇ ，Ｚ ＨＡＮＧ Ｙｏ ｎ ｇ — ｍｉ ｎ ，Ｍ Ｉ ＡＯ Ｌｉ ａ ｎ ｇ — ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ，
Ｓ Ｕ Ｃｈｕｎ — ｌ ｅ ｉ 。ＯＵＹＡＮＧ Ｘｉ ａ ｏ — ｐ ｉ ｎ ｇ ，ＬＩ Ｕ Ｓｈｅ ｎ ｇ ，ＣＨＥＮ Ｌｉ ａ ｎｇ ， ＹＵ Ｘｉ ａ ｏ — ｒ ｅ ｎ ，ＸＩ ＯＮＧ Ｘｕ — ｙａ ，ＰＡＮ Ｘｉ ａ ｏ — ｂｉ ｎ ｇ （ １ ． Ｎｏ ｒ ｔ ｈ ｗｅ ｓ ｔ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，ｘｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ２ ４，Ｃｈ ｉ ｎ ａ；
Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎｔ ａ ｎｄ Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｕ ｂ 。 ｎａ ｎｏ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ Ｐｕ ｌ ｓ ｅ － — ｒ ｅ ｐｅ ａ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ Ｈａ ｒ ｄ Ｘ＿ 。 ｒ ａ ｙ Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ
基于光导开关的重复频率闪光X光机
强激光与粒子束
ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ
Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．，２０１６
基于光导开关的重复频率闪光 犡光机
马 勋， 袁建强， 刘宏伟， 王凌云， 姜 苹， 李洪涛
（中国工程物理研究院 流体物理研究所，脉冲功率科学与技术重点实验室，四川 绵阳 ６２１９００）
０７５００８１
强激光与粒子束
随 着 加 载 到 阳 极 杆 上 的 正 极 性 电 压 幅 值 升 高 ，阴 极 表 面 电 场 加 强 并 达 到 爆 炸 发 射 阈 值 时 ，阴 极 开 始 形 成 爆 炸发射，发射电流受空间电荷流限制，在电场作用下电子获得加速动能并轰击阳极杆产生 Ｘ 射线。
１ 光 导 开 关 功 率 源 设 计
闪光 Ｘ 光 机 脉 冲 功 率 驱 动 源 由 Ｂｌｕｍｌｅｉｎ 型 脉 冲 形 成网络以级联拓扑形式组 成，转 换 开 关 为 １０ ｍｍ 间 隙 的
ＧａＡｓ光导开关，设 计 了 具 有 均 压 结 构 的 开 关 电 极，并 采
用真空环氧灌封 工 艺，使 得 光 导 开 关 耐 压 达 到 ３０ｋＶ 以
为 了 避 免 二 极 管 电 流 短 路 振 荡 以 减 少 阳 极 杆 上 的 无 效 能 量 沉 积 ，二 极 管 采 用 高 阻 抗 结 构 设 计 ，从 而 与 功 率 源阻抗（约１９０Ω）匹配。二极管阴极采用内径１２ｍｍ、厚度３０μｍ 的铜箔以加强表面电场，采用直径３ｍｍ 的 钝 头钨杆作为阳极，并与阴极孔齐平。实验时二极管气压低于３×１０－３Ｐａ，当功率源１ｋＨｚ重复频率２猝发脉 冲 时 ，实 验 获 得 的 二 极 管 电 压 、电 流 波 形 如 图 ３ 所 示 。 由 图３ 可 见 ，当 重 复 频 率 提 高 至１ｋＨｚ时 ，第２ 个 脉 冲 的 二极管电流开始明显小于第１个脉冲电流，但第２个脉 冲 的二 极管电压 脉宽比第 １个脉 冲长约 ８ｎｓ，这 表 明， 至少在１ｋＨｚ频率下，限制二极管重复 频 率 运 行 的 首 要 因 素 是 阴 极 的 重 频 发 射 能 力，而 不 是 二 极 管 的 绝 缘 恢 复能力。
大面积MCP选通X射线分幅相机的研制
［ Ｃ ］ ／ ／Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ￣ ｒ ｅ ｎ ｅ ｅ ｏ ｎ Ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｈ ｈ ｉ ｇ ｈ — ａ ｎ ｄ Ｈ ｉ ｇ ｈ —
Ｘ — ｒ ａ ｙ ｌ ｆ ａ ｍｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｍ ｅ ｒ ａ ｗ ｉ ｔ ｈ ｗ ｉ ｄ ｅ ｍｉ ｅ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ｌ ｉ ｎ ｅ［ Ｊ ］ ．Ｃ ｈ ｉ —
ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ，２ ０１ ２， ３ ９（１） ： ０１ １ ７ ０ ０ １ — １ —
ｔ ／ｐ ｓ
０ １ １ ７ ０ ０ １ — ７． （ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ．
蔡厚 智 ，刘进厄 ，彭
图 ９ 曝 光 时 间 的 理 论 结 果
Ｆｉ ｇ ． ９ Ｔｈｅ ｔ ｈｅ ｏｒ ｅｔ ｉ ｃ ａｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｅ ｘ ｐｏ ｓ ｕｒ ｅ ｔ ｉ ｍｅ
ｗｉ ｔ ｈ ａ ３ ５一 ｐ ｓ ｅ ｃ ｇ ａ ｔ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｃ ａ ｍｅ ｒ ａ
结 语
研 制 大 面积 ＭＣ Ｐ行 波 选 通 ｘ 射线 皮 秒 分 幅 相 机 ．ＭＣ Ｐ的外径 为 １ ０ ６ ｍ ｍ，在 ＭＣ Ｐ的输 入 面蒸 镀 了 ６条微 带 阴极 ，每 条 微 带 阴极 的宽 度 为 ｌ ２ 微 带 阴极 问距 离 为 ３ ｍ ｍ．对 微 带 阴极 进 行 时 域 反 射测 量 ，得 到微带 阴极 的特性 阻抗 约为 １ １ Ｑ，总 的
基于金刚石超短超强激光脉冲X射线剂量仪研制
第43卷㊀第6期2023年㊀11月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation㊀ProtectionVol.43㊀No.6㊀㊀Nov.2023㊃辐射防护监测㊃基于金刚石超短超强激光脉冲X 射线剂量仪研制宋鸿鹄1,2,武㊀祯1,2,邱㊀睿1,2,魏朔阳1,2,宫㊀辉1,2,张㊀辉1,2,李君利1,2(1.清华大学工程物理系,北京100084;2.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室,北京100084)㊀摘㊀要:基于金刚石探测器研制了脉冲X 射线剂量测量仪,并对其性能进行进一步研究测试,使用蒙特卡罗软件FLUKA 对测量仪进行了全装置建模,基于该模型完成了能量和角响应模拟㊂在中国计量科学院对仪器进行了实验校准,实验内容包括仪器对于137Cs ㊁60Co 的能量响应以及剂量率响应校准,以及仪器对于137Cs 的角响应校准,结果表明仪器输出电流与剂量率具有较好的线性,仪器未表现出明显的饱和现象,且仪器对137Cs 具有较好的角响应,最大差异不超过18%㊂基于3㊁6MV 电子脉冲加速器和 XG-III 等激光装置开展了相关验证实验,获得了与Unidos 标准电离室㊁TLD 较为一致的结果,最大误差分别为7%和36%㊂基于以上模拟和实验,进一步验证了本仪器应用于超短超强激光装置致脉冲辐射场剂量实时测量的可行性,为此类脉冲辐射场提供了剂量率测量手段㊂关键词:超短超强激光;X 射线;剂量;主动式中图分类号:TL817;TL77文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2022-09-19基金项目:国家自然科学基金(面上项目)(11875036);国家自然科学基金(重点项目)(U2167209);清华大学自主科研项目㊂作者简介:宋鸿鹄(1992 ),男,2014年毕业于兰州大学核技术专业,2017年毕业于中国工程物理研究院核技术及应用专业,获硕士学位,2023年毕业于清华大学核科学与技术专业,获博士学位㊂E -mail:544194836@通信作者:邱睿㊂E -mail:qiurui@㊀㊀随着超短脉冲激光技术的发展,国内外涌现出许多功率密度超过1018W /cm 2的超短超强激光装置[1-2]㊂根据强激光装置委员会[3]数据统计,世界范围现有强激光装置数量为103个,相较于2009年数量增加超过一倍㊂这些装置的出现促成了许多前沿学科的出现,如激光驱动的超快X 射线源等[4-7]㊂当超短超强激光与固体靶相互作用时,预脉冲激光会在极短时间内剥离掉靶表面原子的核外电子,形成高温高密度等离子体,之后主脉冲激光将进一步与等离子体相互作用并通过多种加速机制加速电子使其变为超热电子㊂电子进一步输运并通过高密度固体靶时,发生轫致辐射产生脉冲X 射线,此类脉冲X 射线具有持续时间短(ps)㊁射线注量大(1012keV -1㊃sr -1)㊁能谱范围宽(数十MeV )㊁瞬时剂量率高(109Gy /s )等特点㊂在实验中观测到超短超强激光与固体靶相互作用过程中会产生显著的辐射剂量,为周围环境和工作人员带来了辐射风险[8-10],超短超强激光装置的电离辐射防护问题非常有必要研究㊂目前多采用被动式剂量计(如TLD㊁OSL 等)对激光装置周围辐射水平进行监测㊂重频数是激光装置未来发展的重要指标[2],随着激光打靶频次的增加,对激光装置所致脉冲辐射场剂量水平在线监测将变得尤为重要㊂实验中发现常用的主动式剂量计存在低响应问题[11-12],目前还缺少超短超强激光装置的剂量在线监测手段㊂本文基于金刚石探测器研制了一台主动式剂量测量仪[13],对其性能开展了模拟计算和实验测试分析㊂1㊀金刚石剂量测量仪器1.1㊀金刚石探测器㊀㊀金刚石剂量测量仪实物如图1所示,测量仪主体由金刚石半导体探测器[14]㊁预积分电路以及电磁屏蔽外壳组成㊂金刚石探测器灵敏体积为:4.5mm ˑ4.5mm ˑ0.14mm㊂考虑辐射场存在的电磁脉冲干扰因素,确保测量仪器在辐射监测期间剂量测量功能不中断,电池模块与金刚石探测器整体被封装于铝壳中㊂宋鸿鹄等:基于金刚石超短超强激光脉冲X 射线剂量仪研制㊀图1㊀金刚石剂量测量仪实物图Fig.1㊀Image of the diamond dosemeamurement device1.2㊀工作原理㊀㊀在超短超强激光产生的脉冲X 射线辐射场中,单脉冲电荷的产生时间为亚纳秒量级,瞬时电流约为0.2A㊂对于金刚石探测器输出的瞬时大电流进行测量,采用预积分电路对电流进行滤波处理,利用弱电流测量电路来实时测量金刚石探测器产生的脉冲电流㊂图2为金刚石剂量测量仪工作原理示意图,通过对金刚石探测器输出的电流积分获得探测器收集到的电荷值,进行A /D 转换后做数据处理,最终将电荷转换为剂量㊂本仪器目前支持剂量阈值报警㊁数据存储与读出等功能㊂图2㊀金刚石剂量测量仪工作原理图Fig.2㊀Schematic diagram of the diamonddose meamurement device2㊀模拟计算与实验测量校准㊀㊀对于特定射线源,校准实验中其空间辐射场为已知㊂对于某一个固定测量点,记录该点的空气比释动能率(K ㊃=K /t )条件下剂量测量仪的输出电流(I =Q /t )来对仪器进行能量响应校准㊂对不同入射能量X 射线,其能量响应计算方法如下:R =Q /t K /t =IK㊃(1)式中,Q 为电荷量,C,通过模拟金刚石探测器位置处的能量沉积获得;K 为相同位置下空气比释动能,Gy㊂通过两者比值即可获得探测器对X 射线能量响应R ,pA /(mGy /h)㊂根据GB /T 12162.3 2004规定,通过改变剂量仪相对于辐射入射方向进行角响应测量㊂考虑到金刚石剂量测量仪的应用场景,能谱平均能量以及仪器对称性,选择137Cs 对仪器进行0~180ʎ范围校准实验㊂以垂直地面方向为旋转轴,金刚石灵敏体积为圆心,进行角响应校准实验㊂在模拟中通过改变锥形束相对于测量仪器的入射方向获得角响应㊂2.1㊀剂量测量仪模拟计算㊀㊀考虑结构材料散射或各项异性设计带来的影响,采用蒙特卡罗软件FLUKA [15]对金刚石剂量测量仪进行了精细建模,如图3所示,包括样机整体金属结构㊁内部电池,探测器金属封装与电极材料等因素㊂FLUKA 中采用Precision 物理模型,电子㊁光子对应输运阈值与产生阈值设置为1keV,源项设置为锥形束,大小可覆盖整个仪器㊂基于以上设置,完成对仪器的能量㊁角度响应模拟分析㊂图3㊀金刚石剂量测量仪FLUKA 精细建模Fig.3㊀FLUKA geometric modeling of the diamonddose meamurement device㊀辐射防护第43卷㊀第6期2.2㊀校准实验㊀㊀金刚石剂量测量仪搭建完成后,在中国计量科学研究院对仪器开展了校准实验,如图4所示㊂实验内容包括仪器对于X 射线㊁137Cs㊁60Co (距离源1m 处活度为95.9mCi)的能量响应,剂量率响应(剂量率范围为:3.39mGy /h ~10.58Gy /h),以及仪器对于137Cs 的角响应㊂图4㊀剂量测量仪的校准实验Fig.4㊀Experimental calibration of thediamond dose meamurement device2.2.1㊀剂量率实验校准㊀㊀在137Cs 和60Co 两种辐射场中测得仪器的剂量率线性如图5和图6所示,采用最小二乘法对测量数据进行拟合可得到测量仪的剂量率线性度以及能量响应㊂表1为剂量测量仪对不同能量X 射线以及放射源的响应;剂量测量仪器对6种能量X 射线以及2个辐射源所得拟合线性度分别为:1.02㊁1.02㊁1.00㊁1.01㊁1.02㊁1.00㊁0.86㊁0.87㊂图5㊀剂量测量仪对137Cs 源射线响应Fig.5㊀Experimental calibration of the diamonddose meamurement device using137Cs图6㊀剂量测量仪对60Co 源射线响应Fig.6㊀Experimental calibration of the diamonddose meamurement device using60Co表1㊀剂量测量仪对不同能量射线的响应与剂量率线性度Tab.1㊀Response and dose rate linearity of the dose measurement device for different photon energies㊀㊀根据文献[16]中理论,金刚石半导体中的电导率σ与剂量率D ㊃水平服从:σ~D ㊃Δ,其中Δ为探测器对剂量率响应线性度评价指标,Δ越接近1说明线性度越好㊂考虑电导率与电流成正比,近似认为空气比释动能与吸收剂量率相当,则有I ~K ㊃Δ㊂在剂量率范围内,剂量率线性度Δ与文献[15]中给出的0.79~1.03范围一致㊂总体而言,剂量测量仪输出电流与剂量率具有较好的线性,剂量测量仪器未表现出明显的饱和现象㊂在FLUKA 计算金刚石探测器的能量沉积时,先默认电荷收集效率为100%,该计算结果与实际测量能量响应存在差异,其差异主要由电荷收集效率引起㊂经计算电荷收集效率约为80%,经过修正后的剂量测量仪对不同能量射线的模拟能量响应与实验测量结果对比如图7所示㊂宋鸿鹄等:基于金刚石超短超强激光脉冲X 射线剂量仪研制㊀图7㊀金刚石剂量测量仪校准能量响应与(效率修正)模拟响应比较Fig.7㊀Comparison between the experimental calibrationand (efficiency corrected )simulation response2.2.2㊀角响应实验校准㊀㊀金刚石剂量测量仪对剂量率为30mGy /h的137Cs 源校准的角响应结果如图8所示,模拟角响应与实验测量结果整体趋势相当㊂仪器在0~180ʎ范围内具有较高的一致性,最大差异为17.9%,满足GB /T 12162.3对仪器角响应不超过30%的规定㊂90ʎ~180ʎ范围响应结果相较于0ʎ~90ʎ略高,可能是由于在金属电极材料附近的剂量增强效应所致[17]㊂图8㊀金刚石剂量测量仪的角响应校准结果Fig.8㊀Comparison between the experimentaland simulated angular response3㊀脉冲辐射场测试㊀㊀基于电子加速器以及超短超强激光装置开展了相关实验,比较了金刚石剂量测量仪与标准电离室所测脉冲X 射线剂量水平,验证金刚石剂量测量仪的可行性㊂3.1㊀电子脉冲加速器测试㊀㊀使用同方威视3MV 和6MV 电子加速器产生不同能量的X 射线,通过改变电子脉冲频率控制X 射线剂量水平㊂辐射场内某一参考点单位时间X 射线剂量水平由30013Farmer 型电离室(灵敏体积:0.6cm 3)进行测量,配套PTW Unidos Webline 剂量监测计进行读出㊂测量过程中始终保持本剂量测量仪内金刚石与Unidos 电离室灵敏体积位置相同㊂测量结果如图9和图10所示,可以看出两者给出的1s 内的剂量基本一致,最大偏差不超过7%㊂图9㊀3MV 电子加速器测量结果Fig.9㊀Measurement for 3MV electronaccelerator图10㊀6MV 电子加速器测量结果Fig.10㊀Measurement for 6MV electron accelerator3.2㊀激光脉冲X 射线测试㊀㊀为进一步验证仪器的可行性,在 XG-III 超短超强激光装置上进行了实验测试,实验布局如㊀辐射防护第43卷㊀第6期图11所示,在激光装置靶室内强激光与靶相互作用产生脉冲X 射线,使用滤片堆栈谱仪测量激光出射方向的X 射线能谱,使用剂量测量仪和校准的TLD 探测器测量靶室外相同位置处的X 射线剂量㊂为直观表明仪器在不同激光装置中的适用性,图12中给出了XG-III 和SG-II Upgrade 激光装置中测量的能谱,其中#011~#015发次为SG-II Upgrade 装置测量结果,#032~#034发次为XG-III 测量结果㊂图11㊀XG-III 激光装置中实验布局图Fig.11㊀Layout of the experiment in XG-III laserdevice图12㊀SG-II Upgrade 与XG-III 激光装置上测量X 射线谱Fig.12㊀Measured X-ray spectrumfrom SG-II Upgrade and XG-IIIlaser devices㊀㊀在FLUKA 模拟中,采用实验装置布局进行建模,辐射源项为实验测量X 射线能谱,采用2.1节方法获得剂量测量仪对激光装置产生脉冲X 射线如图12的模拟响应,使用2.2.1节所得电荷收集效率因子对上述模拟响应进行修正,测量结果列于表2㊂表2㊀FLUKA 计算模拟响应与实验响应Tab.2㊀The simulated and experimental response㊀㊀将表2中剂量测量仪所测量电荷(电流)转化为剂量,与TLD 测量结果绘制于图13,可以看出二者结果整体符合情况良好,较为均匀地分布在y =x 直线附近,两者之间最大测量误差不超过36%,进一步验证了剂量测量仪应用于超短超强激光装置进行剂量测量的可行性㊂4㊀结果与讨论超短超强激光装置中产生的脉冲X 射线注量高,能量大,对职业工作人员会产生辐照风险㊂目前多采用被动式剂量计(如TLD㊁OSL 等)对激光装置周围辐射水平进行监测,随着激光打靶频次的增加,对激光装置所致脉冲辐射场剂量水平在线监测将变得尤为重要,实验中发现常用主动式剂量计存在低响应问题,目前还缺少超短超强激光装置的剂量在线监测手段㊂本工作基于课题组所研制金刚石剂量测量装置,在标准辐射场中开展了能量校准与角响应校准实验,获得了仪器的宋鸿鹄等:基于金刚石超短超强激光脉冲X射线剂量仪研制㊀图13㊀金刚石测量剂量与TLD测量结果对比Fig.13㊀Comparison between the doses measured by diamond dose device and TLD㊀㊀㊀㊀㊀电荷收集效率修正因子,验证了该仪器具有较好的角响应一致性㊂在3㊁6MV脉冲电子加速器以及超短超强激光装置XG-III上进行了实验测试,基于上述电荷收集效率以及响应因子对剂量测量仪器的测量结果进行修正,获得了与TLD探测器和Unidos剂量率仪较为一致的结果㊂基于以上工作,进一步验证了该剂量测量仪应用于超短超强激光装置剂量在线监测的可行性,为此类脉冲辐射场的剂量测量手段提供参考㊂参考文献:[1]㊀Danson C N,Hiller D,Hopps N,et al.Petawatt class lasers worldwide[J].High Power Laser Science and Engineering,2015,3(e3):1-14.[2]㊀Danson C N,Haefner C,Bromage J,et al.Petawatt and exawatt class lasers worldwide[J].High Power Laser Scienceand Engineering,2019,7(e54):1-54.[3]㊀,世界强激光委员会世界强激光装置分布图,2022.4.26.[4]㊀Galy J,Maucec M,Hamilton D J,et al.Bremsstrahlung production with high-intensity laser matter interactions andapplications[J].New Journal of Physics,2007,9:1-23.[5]㊀Courtois C,Edwards R,Fontaine A C,et al.High-resolution multi-Mev X-ray radiography using relativistic laser-solidinteraction[J].Physics of Plasmas,2011,18:023101.[6]㊀Courtois C,Edwards R,Fontaine A C,et al.Characterisation of a Mev bremsstrahlung x-ray source produced from a highintensity laser for high areal density object radiography[J].Physics of Plasmas,2013,20:083114.[7]㊀Jeong T M,Lee J,et al.Femtosecond petawatt laser[J].Annalen der Physik,2014,526:157-172.[8]㊀Clarke R J,Needly D,Edwards R D,et al.Radiological characterisation of photon radiation from ultra-high-intensity laser-plasma and nuclear interactions[J].Journal of Radiological Protection,2006,26:277-86;.[9]㊀Liang T,Bauer J,Cimeno M,et al.Radiation dose measurements for high-intensity laser interactions with solid targets atslac[J].Radiation Protection Dosimetry,2016,172:346-355.[10]㊀Yang B,Qiu R,Yu M H,et al.Measurements of X-ray doses and spectra produced by picosecond laser-irradiated solidtargets[J].Applied Radiation and Isotopes,2017,123:41-48.[11]㊀Bauer J,Liu J C,Prinz A A,et al.Radiological dose rates from laser-target interactions at1017W/cm2irradiance[R].SLAC,2015.[12]㊀Gao F,Wang F F,Ding Y Y,et al.Establishment of pulsed X-ray reference radiation field and measurement of relatedparameters[J].Radiation Physics and 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active dose measurement device based on a diamond detector was developed by our research group,and its performance was further studied.Monte Carlo software FLUKA was used to model the device. Energy and angular response simulations were performed based on the model.The device was calibrated in China National Institute of Metrology.Energy response and dose rate response calibration of the device was conducted by using137Cs and60Co.137Cs is used for the angular response calibration of the device.The results showed that the output current of the device was linear with the dose rate,and no obvious saturation phenomenon was observed.The device has a good angular response to137Cs,with the maximum variation less than18%.Related verification experiments were carried out based on3MV and6MV electron pulse accelerator and XG-III laser facility.The results given by the device were consistent with Unidos dosimeter and TLD detectors,with maximum deviation less than7%and35%,respectively.Based on the above simulation and experiments,the feasibility of applying this device to real-time dose measurement of pulsed radiation field induced by ultra-short and ultra-intense laser facility is further verified,which provides an alternative for dosimetric method of such pulsed radiation field.Key words:ultrashort and ultra-intense laser;X-ray;dose;active mode㊃消㊀息㊃美国能源部资助聚变能源科学计算项目㊀㊀ʌ据美国能源部网站2023年8月14日报道ɔ美国能源部(DOE)科学办公室(SC)2023年8月14日宣布,为12个项目提供1.12亿美元的资金,这些项目的重点是聚变科学家㊁应用数学家和计算机科学家之间的合作,以最大限度利用高性能计算,包括艾级超级计算机㊂这些项目是根据能源部‘ 先进计算科学发现 (SciDAC)计划 聚变能源科学(FES)计划伙伴关系“资金机构公告开展的竞争性同行评审选出的㊂该资助为期4年,其中2023财年资助2815万美元,其余资助将根据国会的决定来拨款㊂先进计算科学发现 计划将聚变能源科学计划与先进科学计算研究(ASCR)计划相结合,以探索通过计算解决复杂问题㊂通过该计划资助的项目将使用计算资源来模拟等离子体,研究湍流,并使用人工智能来预测和解决能量损失等问题㊂美国能源部聚变能源科学副主任阿兰表示,这一合作将促进科学家利用世界上最强大的超级计算机研究聚变技术㊂该项目的建模和模拟工作将有助于研究极端条件下等离子体经历的多种物理过程,并将指导聚变中试电厂的设计㊂(来源:中国核能行业协会网站)。
《2024年X射线CT成像技术与多模态层析成像技术研究》范文
《X射线CT成像技术与多模态层析成像技术研究》篇一
一、引言
随着医学影像技术的飞速发展，X射线CT成像技术以其高分辨率、非侵入性等优势，在临床诊断和治疗中发挥着越来越重要的作用。
同时，多模态层析成像技术的出现，为医学影像提供了更为丰富和全面的信息。
本文将重点探讨X射线CT成像技术的原理、应用及挑战，同时对多模态层析成像技术进行研究分析，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
二、X射线CT成像技术
（一）原理
X射线CT（Computed Tomography）成像技术是一种利用X 射线对物体进行断层扫描，并通过计算机重建出物体内部结构的技术。
其基本原理是：X射线穿过物体时，不同密度的组织对X 射线的吸收程度不同，通过探测器接收穿透物体后的X射线，并经过计算机处理，即可重建出物体内部的断层图像。
（二）应用
X射线CT成像技术在临床诊断、治疗及医学研究中具有广泛的应用。
如：在骨科、神经科、心脑血管科等领域的诊断中，X射线CT技术可以提供高分辨率的断层图像，帮助医生准确判断病变部位、程度及性质。
此外，X射线CT技术还可用于术前评估、术后复查及治疗效果评价等方面。
（三）挑战
尽管X射线CT成像技术具有诸多优势，但仍面临一些挑战。
如：辐射剂量问题、金属伪影等。
为降低辐射剂量，需要优化扫描参数和扫描策略；而金属伪影的存在则会影响图像质量，限制了X射线CT技术在某些领域的应用。
此外，X射线CT技术对软组织分辨率有限，难以满足一些精细解剖结构的诊断需求。
三、多模态层析成像技术
（一）概述
多模态层析成像技术是指将两种或两种。
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摘 要：为研究和科学评价轻武 器 的 损 伤 效 应，基 于 Ｘ 射 线 透 射 成 像 技 术 和 离 轴 分 幅 技 术， 研制了一台５通道１０分幅脉冲 Ｘ 射线成 像 仪。 该 成 像 仪 主 要 包 括 Ｘ 射 线 转 换 屏、离 轴 分 幅 镜头、５通道ＩＣＣＤ 相机、同步信号发生器和图像采集与控制软件。同步信 号 发 生 器 在 外 部 信 号触发下产生同步输出信号，触发脉冲 Ｘ 射线源产生脉冲 Ｘ 射线；脉冲 Ｘ 射 线 透 过 测 试 物 体 后，经 Ｘ 射线转换屏转换成可见光图像；可见光图像经过 ５ 个离轴设计的 镜头成 像 后，被 对 应 的５套ＩＣＣＤ 相机同步循环 记 录，可 获 得 测 试 物 体 内 部 的 序 列 图 像。 概 述 了 离 轴 分 幅 镜 头、 ＩＣＣＤ 相机、同 步 信 号 发 生 器 及 Ｘ 射 线 转 换 屏 等 关 键 技 术。 该 成 像 仪 的 像 素 分 辨 率 为 １ ０２４×１ ０２４，成像视场为３００ｍｍ×３００ ｍｍ，可获取 １０ 幅序列图像，重复频率取决于脉冲 Ｘ 射线源的频率。 关键词：Ｘ 射线成像；离轴分光；高速相机 中图分类号：Ｏ５２１．３ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１２０６１／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－６２２３．２０１９．０１０２０２
第１０卷 第１期 ２０１９ 年 ３ 月
现代应用物理
ＭＯＤＥＲＮ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０１９
重频脉冲 Ｘ射线分幅成像仪的研制
郭明安，魏福利，罗通顶，夏惊涛，高 帅
（西北核技术研究所，西安 ７１００２４；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安 ７１００２４）
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｒｅｐｅａｔ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｐｕｌｓｅｄ Ｘ－Ｒａｙ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ＧＵＯ Ｍｉｎｇ－ａｎ， ＷＥＩ Ｆｕ－ｌｉ，ＬＵＯ Ｔｏｎｇ－ｄｉｎｇ，ＸＩＡ Ｊｉｎｇ－ｔａｏ，ＧＡＯ Ｓｈｕａｉ
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎ ７１００２４，Ｃｈｉｎａ； Ｓｋａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｎｓｅ Ｐｕｌｓｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｆｆｅｃｔ，Ｘｉａｎ ７１００２４，Ｃｈ分幅成像仪的研制
第１期
轻武器杀伤效能是表征轻武器基本性能的重要 参数，进行轻武器杀 伤 效 能 的 理 论 研 究 对 大 幅 度 提 高 轻 武 器 作 战 效 能 、自 身 防 护 以 及 野 战 救 护 的 能 力 ， 具有非常重要的战略意义 。 ［１］ 由于效应目标内 部 情 况不可能直接 成 像，依 靠 Ｘ 射 线 的 穿 透 能 力，准 确 获取稳定的杀伤量 效 数 据，是 进 行 轻 武 器 杀 伤 效 能 理论研究 的 必 要 环 节 。 ［２］ 重 频 脉 冲 Ｘ 射 线 透 射 成 像技术，可 以 通 过 设 置 脉 冲 Ｘ 光 机 的 不 同 触 发 时 刻 ，采 集 侵 彻 过 程 的 瞬 间 序 列 图 像 ，获 取 杀 伤 元 侵 彻 到效应物体内部运 动 过 程 的 实 时 图 像 数 据，为 研 究 分析杀伤元侵彻过程的运动参数及形成的空腔奠定 基础。目前，关于重频脉冲 Ｘ 射 线 成 像 和 离 轴 分 幅 成 像 方 面 的 研 究 成 果 ，尚 未 见 报 道 。