激光高能X射线成像中探测器表征与电子影响研究∗

张天奎 于明海 董克攻 吴玉迟2) 杨靖 陈佳 卢峰李纲 朱斌 谭放 王少义 闫永宏 谷渝秋2)

1)(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,等离子体物理重点实验室,绵阳 621900)2)(上海交通大学IFSA协同创新中心,上海 200240)

(2017年6月25日收到;2017年8月17日收到修改稿)

1 引 言

自Tajima和Dawson[1]提出通过高强度激光驱动等离子体波来加速电子,即激光尾场加速机制以来,国内外已采用气体喷嘴[2−4]、放电毛细管[5,6]、等离子体密度梯度注入[7,8]、双束激光束对撞[9,10]等方案,研究获得了能量几十至GeV级的高能电子束[11−15].当前大量研究致力于从改进横向发射度[16]、能散[9]等方面,提高激光尾场电子束品质.利用激光尾场电子产生高能光子主要有两种方式:一种是电子与固体靶相互作用产生轫致辐射[17−19],另一种是电子与第二束激光作用产生汤姆孙散射光子[20,21],获得的高能光子能够应用于驱动巨偶极共振[22]、天然铀中光致裂变[23]等研究.特别是由尾场电子通过轫致辐射机制产生的高能X射线具备高光子能量、小源尺寸及低剂量(辐射防护容易满足)的优点,在高空间分辨无损检测方面具有十分重要的应用,尤其适合于高面密度客体检测[18,19,24−27].

基于激光尾场电子的高能X射线源尺寸只有几十微米[19]至几百微米[18],比基于传统加速器的高能X射线源尺寸(其电子束斑一般为1.5—2 mm[28])要小,因此为了在透视照相中尽可能提高空间分辨率,必须发展匹配激光高能X射线的成像探测器.当前实验中主要采用锗酸铋(BGO)阵列[18]、成像板[19,26]等成像介质,对闪烁体等探测器本征空间分辨、X射线能量响应等研究较少.此外,由于激光尾场加速电子能量比高能照相采用的传统加速器电子能量(一般为2—15 MeV[28])高,因此穿透一定厚度高Z转换靶后的残余电子更多,在穿过2 mm厚度W转换靶后,能量9 MeV电子残余份额只有3×10−4,而能量60 MeV电子残余份额高达2×10−2,因此残余电子对透射照相的影响必须特别关注.目前研究中一般均采用磁场方式将残余电子偏离照相方向[18,19],有无残余电子实验条件下的对比实验研究不足.

因此,本文围绕激光尾场电子与高Z转换靶作用产生的高能X射线透视照相研究,展开相关工作.首先通过蒙特卡罗方法模拟设计转换靶;第二测量探测器空间分辨率,并模拟能量沉积响应,获得多种成像探测的参数;第三模拟高面密度客体透视照相;第四开展客体透视照相实验,获得高面密度客体图像;第五评估电子对照相影响,定量分析残余电子因素.

2 模拟设计与探测器表征

图1 (网刊彩色)激光高能X射线照相布局图Fig.1.(color online)Lay-out of the radiography by laser-driven high energy X-ray.

图2 (网刊彩色)不同能量电子轰击多种厚度Ta,W与Pb靶产生(a)–(c)轫致辐射剂量以及(d)最优靶厚Fig.2.(color online)(a)–(c)The bremsstrahlung dose generated by electrons with different energy interaction with Ta,W and Pb targets with different thicknesses,and(d)optimum thickness.

本研究是在中国工程物理研究院激光聚变研究中心45 TW激光装置上开展,该激光装置激光到靶能量0.9 J,脉冲宽度24 fs,焦斑6.9µm(能量集中度58%),激光峰值强度约2.9×1019W/cm2.激光高能X射线透视照相布局见图1,主要过程分为辐射产生、客体透视与图像记录三个环节.首先飞秒激光与喷嘴喷射的气体通过尾场加速获得高能电子,电子与高Z转换靶通过轫致辐射产生高能X射线;第二穿过靶的残余电子再由磁铁偏转,高能X射线对客体进行透视照相;第三通过闪烁屏(或闪烁阵列)将X射线转换为可见光,由光锥耦合可见光到CCD,从而记录透视图像.

2.1 转换靶设计

首先模拟单能电子(能量设为20,40,60与80 MeV)与多种厚度Ta,W与Pb靶作用,输运产生轫致辐射,单个电子对应的X射线剂量结果如图2所示,模拟采用MCNP软件实现.以剂量最大为目标,获得最优靶厚的结果见图2(d).结果显示,X射线剂量随着电子能量提高而显著提升,三种不同靶材料下剂量基本一致;最优靶厚随着电子能量提高而增加,W与Ta靶的最优厚度为1—1.5 mm,Pb靶的最优厚度为1.6—2.5 mm.对于能量达60 MeV的高能电子,厚度1—2 mm的Ta靶产生X射线剂量基本不变,因此为保证高能电子打靶下X射线产额,同时兼顾靶的机械强度等,转换靶优化为2 mm的Ta靶.

图3给出了厚度2 mm的Ta靶在不同能量电子作用下产生轫致辐射谱的比较,随着电子能量提升,轫致辐射量增加十分显著.能量1—10 MeV的X射线产额,80 MeV电子约是20 MeV电子的12倍,40 MeV电子约是20 MeV电子的3.8倍.

图3 (网刊彩色)厚度2 mm的Ta靶在不同能量电子作用下产生的轫致辐射谱比较Fig.3.(color online)The comparison between bremsstrahlung by the Ta target with a thickness of 2 mm impacted by electrons with different energies.

2.2 探测器空间分辨率测量与能量沉积模拟

表1列出了CsI闪烁针状屏(由直径约5µm针状闪烁体垂直排布于屏表面)[29],BGO闪烁阵列(阵列像素大小500µm)与DRZ闪烁屏三类探测器的技术参数.图4是X射线光机上测量的探测器本征空间分辨率图像.测量中将标准分辨率板(厚度0.05 mm Pb,线对数0.25—10.0 lp/mm)紧贴探测器前表面,X射线光机采用Mo靶,管电流0.2—1.0 mA,管电压20—40 kV.根据图4数据计算出调制传递函数(modulation transfer function,MTF)[30,31]曲线见图5,将MTF值降低至10%对应的空间频率作为空间分辨率,具体结果见表1第5列.

表1 三类成像探测器技术参数Table 1.Parameters of three types of imaging detectors.

图4 探测器空间分辨率测量图像Fig.4.The images for measuring the spatial resolution of the detectors.

图5 (网刊彩色)不同探测器的MTF曲线Fig.5.(color online)The MTF curves of different detectors.

采用蒙特卡罗方法模拟三种类型探测器对不同能量光子的能量沉积,结果如图6所示,CsI与BGO的能量沉积值随光子能量提高而增加,而DRZ由于灵敏层厚度很薄,在光子能量大于500 keV后能量沉积基本不变.综合考虑空间分辨率与探测效率,CsI与BGO两类探测器能用于激光高能轫致辐射测量,不过也存在各自的缺点:BGO空间分辨率很低,限制了高空间分辨照相的应用,同时存在均匀性差的不足;CsI对高能X射线探测效率过低,限制了在高面密度客体透视照相中的应用.

图6 (网刊彩色)探测器对于不同能量光子的能量沉积响应Fig.6.(color online)The energy deposition response of the detectors for the different energy photons.

3 透视照相分析

3.1 高面密度客体透视照相模拟

本研究中设计的高面密度客体如图7所示,由两层球壳组成,内层采用钨铜合金,密度14.7 g/cm3,外径18 mm;外层采用紫铜,密度8.9 g/cm3,外径26 mm.为了验证激光高能X射线源的穿透能力,在内层球壳中心设置中空结构,内径为4 mm.

图7 (网刊彩色)高面密度客体实物图Fig.7.(color online)Practicality picture of the high area density object.

模拟不同能量的单能X射线对双层客体的透视照相图像如图8所示,图9为对应的中心线X射线记录信号强度.结果显示:当光子能量大于1 MeV,照相结果就能反映客体结构信息;当光子能量大于2 MeV后,可获得对中空结构分辨更清晰的照相结果,半径值2,9与13 mm处能够观察到由于客体边界(与客体半径相对应)引起的数据明显变化.中心像素的强度值在光子能量5 MeV时达到最大值,之后随着光子能量增加,中心像素强度值略有降低,这表明对应图7所示客体,穿透性最强的射线能量为5 MeV.

对比高能轫致辐射对双层客体的照相结果见图10,轫致辐射谱由40 MeV单能电子与Ta作用获得,轫致辐射的照相结果介于1 MeV与2 MeV单能X射线照相结果之间,能够反映照相客体的两层结构.

3.2 客体透视照相实验

实验中采用喷嘴口径0.7 mm,喷气气体He气(气压约3000 kPa),获得了激光尾场加速电子束电量30—60 pC,能量40—60 MeV,能谱如图11所示.在此基础上采用3 mm厚度Ta材料作为转换靶,开展了透视照相实验,布局如图1所示,放大倍数为2倍,同时设置了高强度磁场强度的偏转磁铁,避开电子对照相的干扰.实验中采用的转换靶厚度比2.1节中设计值略大,主要因为与气体靶作用后的剩余激光将烧蚀转换靶(转换靶距离喷嘴出口仅数毫米),导致转换靶减薄,因此为了减少更换靶,提高实验效率,采用略厚的转换靶.

图8 (网刊彩色)不同单能X射线对两层客体透视照相模拟图像 (a)0.2 MeV;(b)1 MeV;(c)2 MeV;(d)3 MeV;(e)4 MeV;(f)5 MeV;(g)6 MeV;(h)7 MeVFig.8.(color online)The simulated radiographic images of the two-layer object using the monoenergetic X-ray with different energy:(a)0.2 MeV;(b)1 MeV;(c)2 MeV;(d)3 MeV;(e)4 MeV;(f)5 MeV;(g)6 MeV;(h)7 MeV.

图9 (网刊彩色)不同光子能量照相结果水平中心线数据Fig.9.(color online)The horizontal lineouts of the radiographic results by the different energy photons.

采用BGO阵列记录的两层客体透视照相原始图像如图12(a)所示,可以明显看到两层结构的交界面,中心空心结构也隐约可见.几何均值滤波、调和均值与中值滤波方法[32]的结果分别见图12(b)—(d),照相图像已经能够分辨中心空心结构,在图12(e)所示的中值滤波中心线数据中间也能观察到对应的小峰结构.两层客体的面密度最高达到33.0 g/cm2,在中空结构处面密度达到27.7 g/cm2,照相图像中能够分辨客体内部结构,表明激光高能X射线源的穿透能力已能满足高面密度客体透视照相的要求.

图10 (网刊彩色)轫致辐射能谱照相模拟图像与水平中心线数据Fig.10.(color online)The simulated radiographic image obtained by the photons with bremsstrahlung and the horizontal lineouts.

图11 (网刊彩色)实验测量的尾场电子能谱Fig.11.(color online)The experimental spectrum of the wake fi eld electrons.

图12 BGO阵列记录两层客体照相的原始图像与滤波结果 (a)原始图像;(b)几何均值滤波;(c)调和均值滤波;(d)中值滤波;(e)中值滤波结果水平中心线数据Fig.12.The raw radiographic image of the two-layer object recorded by BGO array and its fi lterirng results:(a)Raw image;(b)geometric mean fi ltering;(c)harmonic mean fi ltering;(d)median fi ltering;(e)the horizontal lineout of median fi ltering result.

图13 CsI针状屏记录两层客体照相的原始图像与滤波结果 (a)原始图像;(b)几何均值滤波;(c)调和均值滤波;(d)中值滤波;(e)中值滤波结果水平中心线数据Fig.13.The raw radiographic image of the two-layer object recorded by CsI needlelike screen and its fi lterirng results:(a)Raw image;(b)geometric mean fi ltering;(c)harmonic mean fi ltering;(d)median fi ltering;(e)the horizontal lineout of median fi ltering result.

采用CsI针状屏记录的照相图像及滤波结果见图13,在滤波图像上可以看到客体的两层结构,但是中心空心结构在滤波图像与中心线数据上都观察不到,主要是由于CsI针状屏对高能X射线的探测效率过低;此外获得图像的信号强度很弱,除去噪声的图像计数约比BGO阵列条件下低一个量级,上述结果与能量沉积响应的模拟结果(图6)一致.

3.3 电子对照相影响评估

为了研究激光尾场电子对高能X射线照相的影响,分别开展了X射线照相(在转换靶后加入偏转磁铁),X射线与电子混合照相(转换靶后无偏转磁铁)以及电子照相(不加入转换靶与偏转磁铁)三种情况比对实验,测量图像见图14.实验记录采用CsI针状闪烁屏,为了照相客体具有明显的区分特征,内层钨铜合金球壳只放入一半.结果显示,轫致辐射照相能够反映客体内部结构信息,但由于X射线探测效率较低,图像的信号强度很弱,同时也不能反映客体中心的中空结构(如图13);轫致辐射与电子混合照相的信号强度较高,但是有无内层客体结果的对比度较差;电子单独照相情况下不能反映客体的内部结构.

为了定量评估电子的影响,在图14所示图像中选择直穿、实心客体照相、空心客体照相三个典型区域的像素强度进行分析,如图15所示.在图15(a)所示像素强度分布中,作为X射线产生的源头,尾场电子携带的能量大于X射线,此外电子在闪烁探测器中能量沉积效率高于X射线,因此电子照相下信号强度很高,约为X射线照相下信号强度的100倍.在直穿区域,X射线与电子混合照相的强度约为X射线照相强度的6倍,而在穿透空心、实心客体的区域混合照相的强度约为X射线照相强度的2倍,表明通过转换靶后的残余电子贡献了穿透客体后强度的50%.图15(b)给出了像素强度比的分布,以直穿强度作为分母,比较穿透实心客体与空心客体强度比的差异,强度比差异越大表明射线对两种面密度客体区分能力越好,其中实心区域面密度27.7—33.0 g/cm2,空心区域面密度7.1—7.2 g/cm2.分析表明,X射线照相下两个区域强度比相差约27%,电子与X射线混合照相下强度比相差12%,而电子照相强度比仅相差2%,因此在目前信噪比情况下从电子照相图像(图14(c)与图14(f))区分不出实心与空心客体区域.

值得注意的是,利用通过转换靶后的残余电子与X射线混合照相,在空心与实心区域的强度比差异下降了一半,但在客体照相区域强度提高了一倍,因此在X射线产额不足或探测效率不够的情况下,可采用X射线与电子混合透视照相,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像的信号强度.

图14 (网刊彩色)三种辐射情况下客体照相图像 (a),(d)X射线;(b),(e)X射线与电子混合;(c),(f)电子;其中(a),(b)与(c)由灰度色标显示;(d),(e)与(f)由parula的伪彩色标显示Fig.14.(color online)The object radiographic images by three types of radiation:(a)and(d)X-ray;(b)and(e)mixed of X-ray and electron;(c)and(f)electron;(a),(b)and(c)are shown with gray color scale;(d),(e)and(f)are shown with parula color scale.

图15 (网刊彩色)三种辐射的照相图像中典型区域像素强度分布 (a)强度分布;(b)强度比分布Fig.15.(color online)The pixel intensity distribution of typical region in radiographic images by three types of radiation:(a)Intensity distribution;(b)intensity contrast distribution.

4 结 论

首先,通过蒙特卡罗软件开展了不同电子与多种厚度高Z转换靶作用产生轫致辐射模拟,优化获得转换靶厚度为2 mm.第二,测量了CsI针状闪烁屏、BGO阵列与DRZ闪烁屏三类探测器的本征空间分辨率,模拟了其对高能X射线的能量沉积响应,其中CsI针状闪烁屏的空间分辨率高达8.7 lp/mm,可作为激光驱动X射线成像探测器备选,但存在着高能X射线探测效率不足的缺点.第三,在模拟高面密客体透视照相的基础上,利用激光尾场加速电子与Ta转换靶作用产生高能X射线,获得了两层客体的透视照相图像,BGO阵列采集图像中能够分辨客体中心的空心结构,透视照相面密度最高达到33.0 g/cm2.第四,开展了X射线照相、X射线与电子混合照相以及电子照相三种情况的比对实验,在定量分析图像信号基础上,在X射线产额不足或探测效率不够情况下采用X射线与电子混合透视照相的方案,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像信号强度.

本工作可对强激光驱动X射线中转换靶设计、探测器优化与照相实验实施等研究提供有益参考,也可作为一般高能辐射成像研究的借鉴.

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