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9 MeV,小于0.1 mm微焦点X射线源验证实验

李鹏 王建新 肖德鑫 周征 周奎 李世根 劳成龙 沈旭明 闫陇刚 刘宇 刘婕 胡栋才 吴岱 杨兴繁 黎明

李鹏, 王建新, 肖德鑫, 等. 9 MeV,小于0.1 mm微焦点X射线源验证实验[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 054001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200086
引用本文: 李鹏, 王建新, 肖德鑫, 等. 9 MeV,小于0.1 mm微焦点X射线源验证实验[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 054001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200086
Li Peng, Wang Jianxing, Xiao Dexin, et al. Verification experiment of micro focus X-ray source with energy 9 MeV and beam size less than 0.1 mm[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 054001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200086
Citation: Li Peng, Wang Jianxing, Xiao Dexin, et al. Verification experiment of micro focus X-ray source with energy 9 MeV and beam size less than 0.1 mm[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 054001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200086

9 MeV,小于0.1 mm微焦点X射线源验证实验

doi: 10.11884/HPLPB202032.200086
基金项目: 国家自然科学基金项目(11975218,11905210,11805192);中国工程物理研究院创新发展基金项目(CX2019036,CX2019037)
详细信息
    作者简介:

    李 鹏(1984-),男,博士,助理研究员,从事加速器与自由电子激光研究;burnlife@sina.com

    通讯作者: 吴 岱(1986-),男,博士,副研究员,从事加速器与自由电子激光研究;wudai04@163.com
  • 中图分类号: TG115.28

Verification experiment of micro focus X-ray source with energy 9 MeV and beam size less than 0.1 mm

图(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-29
  • 修回日期:  2020-04-12
  • 网络出版日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2020-05-01

9 MeV,小于0.1 mm微焦点X射线源验证实验

    通讯作者: 吴岱, wudai04@163.com
    作者简介: 李 鹏(1984-),男,博士,助理研究员,从事加速器与自由电子激光研究;burnlife@sina.com
  • 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900

摘要: 密度高、成像分辨率高、成像速度快的X射线数字成像检测需要高能微焦点大剂量X射线源,高品质电子源是实现这一X射线源的关键手段。基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光的主加速器,验证了低发射度、低能散度的高亮度电子束实现高能微焦点的可行性,得到电子束半高全宽尺寸小于70 μm的9 MeV微焦点,并初步开展成像实验,双丝像质计焦斑清晰分辨9D号丝,丝直径0.13 mm。

English Abstract

  • 高能工业CT(Computed Tomography)对保障国防科技、航空、航天、核电等行业的大型构件和大型装备的质量与安全有重大应用价值[1-2]。目前,高能工业CT系统射线源焦点尺寸为1~2 mm,极大限制了空间分辨率、成像图像质量和尺寸测量精度,阻碍了其在高端装备上的应用。要在高于9 MeV能量下实现X射线源尺寸小于0.1 mm的“微焦点”,需要实现电子束聚焦到更小尺寸,电子束要求包括:(1)具有极佳方向性,即低发射度;(2)具有极好单色性,即低能散度;(3)此外,由于电子束的空间电荷力会引起横向膨胀,因此还需要较低峰值电流,在高亮度的前提下,峰值电流一般可放宽至10 A量级。

    自由电子激光(FEL)一直是驱动高品质电子束发展的最主要需求,FEL注入器的电子束可轻易满足高能微焦点需求。FEL注入器的形式主要有光阴极注入器(LCLS[3],EXFEL,LCLS-II等)和热阴极注入器(SACLA[4],FELIX等)两种。通过模拟,这两种FEL注入器均可在纵向尺寸小于3.5 m下,实现9~15 MeV、半高宽尺寸<0.1 mm、宏脉冲剂量1 m处>0.2 rad(重复频率100 Hz),宏脉冲长度<50 μs的高质量X射线源。

    近期中国工程物理研究院应用电子学研究所基于中物院太赫兹自由电子激光(CTFEL)装置[5],开展了高品质电子源产生微焦点X射线源验证实验。CTFEL电子束具有低发射度(<4 mm·mrad@90 pC)和低能散度(<0.5%),利于聚焦;可高占空比(>10%)运行,利于实现高剂量。实验布局及测量结果如图1所示,其中电子束能量选取为9 MeV,横向半高全宽尺寸通过YAG荧光屏测量约为66 μm,横向抖动小于7 μm,YAG荧光靶与钨靶通过导入装置可保证位于同一z向位置。

    图  1  电子束微焦点结果和首次X射线成像

    Figure 1.  Experiment results of the electron beam and the first X-ray imaging

    为验证高亮度电子源打靶产生X射线成像效果,实验靶材采用3 mm厚钨,通过模拟可知靶厚引起的焦点展宽远小于0.1 mm,由此可估算X射线源尺寸可小于0.1 mm,但电子束微焦点仍引起了靶熔化(1 mA,1 ms,5 Hz,工作16 s),熔化孔直径约为0.25 mm。使用双丝像质计进行了成像测试,采用WAREX XRD 1622AP探测器(像素尺寸0.2 mm,矩阵大小2 048×2 048),放大比4.5,积分时间500 ms,图像32帧叠加,首次测试结果表明y方向能清晰分辨9D号丝(丝直径0.13 mm)。由于实验中X射线硬度高于像质计常规应用,更细的丝易于被穿透,限制了分辨能力的精确测量,未来将针对高能微焦点X射线源焦点精确测量开展细致研究。

    本实验验证了驱动自由电子激光的高品质电子束实现高能微焦点X射线源的可行性,为后续高能工业CT高端应用的小型化高能微焦点X射线源设计提供了验证平台和实验依据。下一步将安装用于CTFEL装置的旋转靶,提升高能微焦点射线测试能力,并完成基于常温光阴极注入器和热阴极注入器的高能微焦点X射线源物理与工程设计。

参考文献 (5)

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