CN101661807B - 一种组合式x射线微会聚光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合式X射线微会聚光学器件，用于将高能发散X光束转变为发散度为0.5-2度的X光束，并对低能X射线过滤。所述光学器件为轴对称结构，并且沿轴方向的外形母线为二次曲线段和直线段的组合；所述光学器件包括多个实心构件，以及通过该多个实心构件微会聚发散的X射线；所述实心构件由玻璃材料制成，侧壁镀有金属膜；该玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，用于X射线在经过反射面时发生全反射；每个实心构件的两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及组合式X射线微会聚光学器件。
背景技术
X射线是一种比紫外线波长更短的电磁波，在物理学、化学、生命科学、材料科学、天文学、环境科学、医学等领域有着广泛的应用。但由于X射线的波长太短，在上世纪80年代以前人们一直无法改变它的传播方向，要得到高功率密度X射线必须提高X射线产生设备的功率。20世纪80年代末期，前苏联科学家Kumakhov提出了一种由多根中空的玻璃毛细导管束组成的光学器件，它可以按照人们的要求大角度宽波段调控X光的传输方向。这种光学器件被人们称作毛细管X光透镜。这项技术的发明是人类历史上第一次获得的宽波段大功率X光束的聚束和调控的手段，为人们发展和推广X射线技术提供了新机遇。X射线毛细管光学是发展最快的X射线光学技术之一。
毛细管X光透镜是根据全反射原理来改变X射线的传输方向，所以X射线在玻璃材料中的全反射临界掠射角的大小直接决定着毛细管X光透镜的使用效果。X射线能量越高，全反射临界掠射角越小，毛细管器件的传输效率越低，聚焦效果越差。30keV被普遍认为是当前毛细管X光透镜的能量上限。
有关专家学者预计高能X射线在医学和物理学等领域将有广泛的应用，如癌症治疗、X射线衍射分析等。因此，如何得到聚焦30keV以上高能X射线的光学器件一直是人们的努力研究的方向之一。
发明内容
本发明实施例提供一种组合式X射线微会聚光学器件，用于将高能发散X光束转变为发散度为0.5-2度的X光束，并对低能X射线过滤。
一种组合式X射线微会聚光学器件：
所述光学器件包括多个实心构件，以及通过该多个实心构件会聚发散X射线；
所述实心构件由玻璃材料制成，侧壁镀有金属膜；该玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，用于X射线在经过反射面时发生全反射；
每个实心构件的两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线；
所述多个实心构件组合成轴对称结构的光学器件，并且使得光学器件沿轴方向的外形母线为两个抛物线的曲线段和一个直线段的组合，其中，两个抛物线的开口相对。
所述实心构件的所有横截面为圆。
所述实心构件的所有横截面为面积相等的圆。
多个所述实心构件中越靠近轴的实心构件的横截面的直径越大。
所述实心构件的横截面的直径范围为0.05-5mm。
所述光学器件沿轴方向的长度范围为200-1000mm；
所述光学器件的横截面的最大直径的范围为50-500mm。
玻璃材料包括Li、Be和B中的一种或多种元素。
玻璃材料包括：
所述实心构件的侧壁镀的金属包括钨、金和铂中的一种或多种元素。
所述实心构件的玻璃表面经过光滑处理。
本发明实施例通过玻璃和金属两种材料制成实心构件，并由多个该实心构件组成光学器件，该光学器件可会聚发散的高能X射线。并且光学器件中的玻璃材料还可对低能X射线进行过滤，从而得到能量较集中的X射线。本发明实施例通过采用轻质玻璃材料和/或重金属材料来进一步提高微会聚高能X射线的能力。
本发明实施例中的光学器件的反射面较为光滑，有利于X射线的传输。并且可在镀金属膜之前对玻璃材料的实心构件表面进行光滑处理，进一步降低反射面的粗糙度，从而提高X射线的传输效率，减少光强损失。
附图说明
图1为本发明实施例中光学器件的示意图；
图2为本发明实施例中实心构件的示意图；
图3为本发明实施例中光学器件微会聚发散X射线的示意图。
具体实施方式
本发明实施例中光学器件包括多个实心构件，每个实心构件均由玻璃材料制成，并且侧壁镀有金属膜。玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，每个实心构件的两端中的一端均用于接收X射线，并在X射线经过反射面时发生全反射，由另一端输出X射线。多个实心构件共同实现对发散X射线的微会聚。本发明实施例通过提高反射材料的密度来提高传输高能X射线的效果，本发明实施例中的光学器件可会聚40keV以上的X射线，尤其是能够会聚40～120keV的X射线。并且利用玻璃材料的光滑特性，保证了X射线在光学器件中的传输效率。同时，该光学器件通过其包括的玻璃材料过滤40keV以下的X射线，以避免低能X射线的干扰。本实施例中将发散X光束转变为发散度为0.5-2度的X光束的会聚称为微会聚。
参见图1，本实施例中光学器件101包括多个实心构件102。
所述实心构件102由玻璃材料201制成，侧壁镀有金属膜202，参见图2所示。该玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，用于X射线在经过反射面时发生全反射。
每个实心构件102的两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线。
多个实心构件102捆绑式组合成轴对称结构的光学器件101。该光学器件101沿轴方向的外形母线103为二次曲线段和直线段的组合。具体为一个或两个抛物线的曲线段和一个直线段的组合。参见图1中虚线1和虚线2所示，虚线1左侧为一个抛物线的曲线段，虚线1和虚线2之间为另一个抛物线的曲线段，虚线2的右侧为一个直线段。其中，两个抛物线的开口相对。该光学器件101实现了对发散X射线的微会聚。
本实施例利用玻璃和金属的临界面构成反射面。通过改变构成反射面的材料和减小反射面的粗糙度，来实现传输发散的高能X射线，并且光强损失较小。发明人发现，采用本实施例中的光学器件101可有效微会聚发散的高能X射线，能量范围在40～120keV之间。并且，本实施例的光学器件101不仅能传输高能的X射线，而且玻璃材料的实心构件102可对40keV以下的X射线进行过滤，从而得到能量范围更集中的X射线。
以密度为2.2g/cm3的玻璃为例，利用该玻璃材料制成的玻璃毛细导管束组成的光学器件传输X射线时，当X射线的能量为40keV时，全反射临界掠射角(单位：度)为0.04315。若采用本实施例中的光学器件101，由该玻璃制成实心构件，侧壁镀金膜，当X射线的能量为40keV时，全反射临界掠射角为0.11854。当X射线的能量为80keV时，现有技术中玻璃毛细导管束组成的光学器件的全反射临界掠射角为0.02157，本实施例中的光学器件101的全反射临界掠射角为0.05954。当X射线的能量为120keV时，现有技术中玻璃毛细导管束组成的光学器件的全反射临界掠射角为0.01438，本实施例中的光学器件101的全反射临界掠射角为0.03969。通过以上对比，本实施例中的光学器件101的全反射临界掠射角明显大于现有技术中玻璃毛细导管束组成的光学器件的全反射临界掠射角。因此，本实施例中的光学器件101传输X射线的效率更高。
本实施例中，实心构件102的形状可以有多种，较佳的，实心构件102的所有横截面为圆。实心构件102的所有横截面为面积相等的圆。光学器件101是轴对称结构，本实施例中光学器件101的横截面是指垂直于轴的截面，该轴只是一个假想轴。为了提高传输效率，多个所述实心构件102中越靠近轴的实心构件102的横截面的直径越大。
较佳的，所述实心构件102的横截面的直径范围为0.05-5mm。所述光学器件101沿轴方向的长度范围为200-1000mm。所述光学器件101的横截面的最大直径的范围为50-500mm。所述光学器件101外形母线的切线和中心轴线的夹角范围为5～45度。
为了进一步提高玻璃与金属的折射率差，增大全反射临界掠射角，即提高传输高能X射线的能力，本实施例采用密度较低的轻质玻璃，该轻质玻璃至少包括含锂Li、铍Be、硼B等元素。例如，玻璃的成分包括：
为了进一步提高玻璃与金属的折射率差，即进一步提高传输高能X射线的能力，本实施例采用密度较高的重金属，该重金属至少包括钨W、金Au、铂Pt等高密度材料。从制作工艺和成本方面考虑，较佳的方案是采用钨。
本实施例中，光学器件101两端的直径d1和d2可以相等也可以不等，较佳的d1＞d2。光源位于焦点A附近，较佳的方案是位于A点，X射线在光学器件101中经过全反射后在B点会聚。本实施例中光学器件101的外形母线103为二次曲线段与直线段的组合，通常情况下其后焦距f2大于前焦距f1，参见图3所示。这种形状的光学器件101相对于其它形状的光学器件，微会聚X射线时后焦距f2更大，适合X射线衍射。
本实施例中通过对玻璃加热、软化、成形处理后得到所需形状的实心构件，该实心构件的表面光滑。再通过低生长速度的镀膜方法，如电子束蒸发、磁控溅射等方法，在实心构件的侧壁镀上金属膜。由于实心构件的表面光滑，使得反射面较为光滑，有利于提高光学器件的传输效率，减少光强损失。为了进一步降低反射面的粗糙度，本实施例还可以在实心构件的表面进行光滑处理，然后再镀金属膜。由于现有技术中光学器件为中空的玻璃毛细管束组成的光学器件，其反射面是该玻璃毛细管的内表面，由于玻璃毛细管的内部空间较小，不易对玻璃毛细管的内表面进行再加工，所以本实施例中的反射面的粗糙度可低于现有技术中反射面的粗糙度。本实施例中的粗糙度可达
以下，尤其可达到之间。
本发明实施例通过玻璃和金属两种材料制成实心构件，并由多个该实心构件组成光学器件，该光学器件可微会聚发散的高能X射线。并且光学器件中的玻璃材料还可对低能X射线进行过滤，从而得到能量较集中的X射线。本发明实施例通过采用轻质玻璃材料和/或重金属材料来进一步提高微会聚高能X射线的能力。
本发明实施例中的光学器件的反射面较为光滑，有利于X射线的传输。并且可在镀金属膜之前对玻璃材料的实心构件表面进行光滑处理，进一步降低反射面的粗糙度，从而提高X射线的传输效率，减少光强损失。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种组合式X射线微会聚光学器件，其特征在于：
所述光学器件包括多个实心构件，以及通过该多个实心构件会聚发散X射线；
所述实心构件由玻璃材料制成，侧壁镀有金属膜；该玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，用于X射线在经过反射面时发生全反射；
每个实心构件的两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线；
所述多个实心构件组合成轴对称结构的光学器件，并且使得光学器件沿轴方向的外形母线为两个抛物线的曲线段和一个直线段的组合，其中，两个抛物线的开口相对。
2.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件的所有横截面为圆。
3.如权利要求2所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件的所有横截面为面积相等的圆。
4.如权利要求2所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件中越靠近轴的实心构件的横截面的直径越大。
5.如权利要求2所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件的横截面的直径范围为0.05-5mm。
6.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件沿轴方向的长度范围为200-1000mm；
所述光学器件的横截面的最大直径的范围为50-500mm。
7.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，玻璃材料包括Li、Be和B中的一种或多种元素。
8.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件的侧壁镀的金属包括钨、金和铂中的一种或多种元素。
9.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件的玻璃表面经过光滑处理。
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