X光环孔编码成像技术研究

　第15卷　第8期强激光与粒子束Vol.15,No.8 2003年8月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Aug.,2003　文章编号:　100124322(2003)0820764205

X光环孔编码成像技术研究Ξ

曹磊峰,　郑志坚,　丁永坤,　于燕宁,　李朝光

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)

摘　要:　着眼于惯性约束聚变实验研究中的应用,对X光环孔编码成像技术进行了研究。利用数值模

拟的手段,分析了环孔的自相关函数及其对环孔编码成像技术图像重建的影响,对不同的图像重建技术进行了

初步比较。基于星光II实验装置,利用自行研制的X光环孔编码成像系统进行了激光等离子体X光环孔编码

成像技术的演示实验,获得了满意结果。

关键词:　环孔;　编码成像;　内爆;　自相关函数

中图分类号:　TN24 文献标识码:　A

惯性约束聚变研究(ICF)中,内爆压缩区域成像诊断具有重要意义。通过内爆压缩区域图像,人们可以获得驱动辐射源的对称性、均匀性,以及内爆压缩等离子体流体力学不稳定性增长等重要物理信息[1]。

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光辐射。其中较硬的X光,可以通过芯部高密度的等离子体以及靶壳物质层逃逸出来,可用于对内爆压缩区域成像[1]。当内爆压缩区域发生核聚变反应时(若内爆压缩区域密度不是太大时),该区域还将同时有α粒子、质子以及中子等辐射出来。这时利用核探测[2～4]的手段对内爆压缩区域成像是方便的。随着激光器能量水平的提高,靶丸的压缩水平越来越好,靶芯的温度、密度越来越大。这时该区域产生的X光辐射与带电粒子辐射将被完全俘获,无法逃逸出来。在这种情况下,中子成像技术[4]就成了内爆压缩区域成像的唯一选择。神光II装置目前在靶面可提供8×260J、波长为351nm的激光辐射。当靶参数和激光辐照参数得到充分优化时,辐射驱动内爆实验应可以产生105～106的D2D聚变中子产额和约108的D2T聚变中子产额。这样的剂量下带电粒子成像和中子成像技术难以奏效,X光成像手段仍是内爆压缩区域成像的最好选择。

常规的X光针孔成像具有小的收光立体角,对低通量X光辐射(内爆压缩区域的硬X光辐射通量通常比较小)成像不是十分有效。类似于Wolter显微镜、K2B显微镜的掠入射反射装置可以大幅度地提高收光效率,可望获得高分辨高信噪比X光图像,但这类装置技术难度较大,使用成本很高。

另一途径是X光编码成像技术。目前在ICF研究领域中获得重要应用的有Fresnel波带片编码成像技术[5](FZPCI)、半影成像技术[6](PAM)、均匀冗余阵列编码成像技术[7](U RA)以及环孔编码成像技术[8] (RAM)等。相对而言,环孔编码成像技术具有较高的成像信噪比和较小的编码孔制作成本。20世纪90年代初,美国洛斯阿拉莫斯实验室研制了时间分辨X光环孔编码成像显微镜[9],用于激光内爆物理实验研究当中。该装置曾在Nova装置上使用,现仍用于Omega装置上的ICF实验[10]。1995年起[1],国内开展了X光环孔编码显微镜的研制工作,于1998年前后试制出了第一台样机。近年来,国内的ICF研究进入迅猛发展的阶段,促使我们通过计算机模拟与实验相结合的方式对环孔编码成像技术进行了进一步研究。

本文介绍了对环孔编码成像技术的基本原理,对环孔的点扩展函数和空间分辨率等进行了讨论。利用紫外/X光深度光刻技术研制了单圆环形编码孔,借助现有的G abor波带片编码相机做辅助设备,基于星光II装置,进行了X光环孔编码成像技术的演示实验,利用该技术获得了清晰的激光等离子体X光图像。

1　环孔编码成像原理

环孔编码成像是一种两步成像过程:第一步如图1所示,构成成像目标s(x,y)(作为示意,图中目标由两个点光源构成)的各个点源,经编码孔t(x,y)后透射并叠加到记录介质上,形成编码图h(ξ,η);第二步,由编码图h(ξ,η)通过特定办法将成像目标s(x,y)重建出来。编码图、编码孔以及成像目标三者之间的关系可以

Ξ收稿日期:2002209212; 修订日期:2003203220

基金项目:国家863计划项目资助课题;中物院激光聚变研究中心创新基金资助课题(9111)

作者简介:曹磊峰(19672),男,博士,从事惯性约束聚变实验研究;绵阳市919信箱986分箱;E2mail:caolf@。

Fig.1　Illustration of ring aperture coded imaging 图1　环孔编码成像原理

表示为

　h (ξ,η)=∫∞-∞∫∞

-∞s ′(x ′,y ′)t ′(x ′-ξ,y ′-η)d x ′d y ′(1)

式中:s ′(x ′,y ′

)是s (x ,y )在记录平面位置倒立放大的像;t ′(x ′,y ′)是物平面点源经编码孔后在记录平面内的投影。令

目标到编码孔的距离为z ,编码孔到记录平面的距离为b ,则

s ′

(x ,y )=s (-z b x ,-z b y )(2)t ′(x ,y )=t (-z z +b x ,-z z +b y )(3)(1)式是一个二维卷积表达式。在h (ξ,η),t ′(x ′,y ′

)已知的情况下,通过将两者互相关的办法或者退卷积的办法可以将s ′(x ′,y ′

)求出来。互相关的办法可以利用光学的方法实现,也可以利用数值的方法实现;退卷积的方法则必须利用数值的方法实现。为了避免数值计算时由于噪声或其他原因导致的奇异现象,人们在退卷积运算时往往会利用Winner 滤波技术。实践证明,利用Winner 滤波技术处理类似问题总能获得很好的效果。 需要说明的是,利用互相关方法实现编码像的重建,其成像分辨率将绝对依赖于编码孔的宽度,即不能期望获得比环孔宽度尺度更好的空间分辨水平。由于任何二维函数对其本身的退卷积是一个理想的δ函数,从理论上来说,利用退卷积的方法获得的重建结果可以达到任意水平的空间分辨。但实践中却做不到,原因是:(1)Winner 滤波会导致二维函数自身退卷积在二维空间里有一定程度的展宽;(2)实际的物像关系测量总会有一定误差;(3)成像目标永远不可能是一个二维目标,总有一定厚度;(4)记录系统本身空间分辨水平有一个极限。而利用退卷积的办法对环孔编码图进行重建,完全有可能实现好于环孔缝宽的分辨水平。

2　成像过程的数值模拟研究

2.1　环孔的自相关函数及其对编码图重建的影响

将环孔的透过率函数进行自相关运算即可以求得环孔的自相关函数(图2)。从图2中可以看出,环孔的结构比较简单,因而其制作成本相对较低;环孔的自相关函数的空间变化情况较为理想,这一点决定了利用环孔编码成像技术可以获得好的结果

。

Fig.2　Self correlation of a ring aperture

图2　环孔的自相关函数

当利用光学相关或者数值卷积法进行编码图的重建时,编码孔投影图的自相关函数就是成像系统的点扩展函数。从图2可以看出,环孔编码全息成像的点扩展函数的旁瓣距中心很远,在中心很大一个邻域内接近于一个δ函数。

自相关函数的旁瓣是干扰图像重建的重要因素,点扩展函数的旁瓣距中心越远,意味着成像不受其干扰的空间越大,因而成像的视场也越大。图2显示,在记录平面足够大的情况下,这个旁瓣具有点源环孔投影图两倍的几何尺寸。

当利用退卷积法进行编码图的重建时,环孔的自相关函数也会具有一定影响。采用Winner 滤波技术对编码图进行重建时,人们不得不选择一个特定常数,以避免图像处理过程的奇异现象发生。这个常数的大小决定

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