CN102890975A

CN102890975A - 用于聚焦同步辐射光源的光学器件

Info

Publication number: CN102890975A
Application number: CN2012103787950A
Authority: CN
Inventors: 李玉德; 林晓燕; 何金龙; 刘志国
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-10-09
Also published as: CN102890975B

Abstract

本发明公开了一种用于聚焦同步辐射光源的光学器件，用于提高出射光的光强均匀程度，增大出射光束的发散度以及抑制同步辐射高次谐波。该光学器件的外侧母线为二次曲线段或多个二次曲线段的组合，其中多个二次曲线段开口方向相同，该光学器件包括：多根透明材料制成的毛细体；其中，位于中心区的毛细体为实心结构；位于中心区以外的外围区的毛细体为中空结构。

Description

用于聚焦同步辐射光源的光学器件

技术领域

本发明涉及材料和光学技术领域，尤其涉及一种用于聚焦同步辐射光源的光学器件。

背景技术

同步辐射光源因其高亮度、准直性及能量连续可调等独特的性质，成为揭示物质结构和生命现象的重要工具，广泛应用于材料、地质、生物、环境以及考古等学科领域。随着同步辐射技术的发展，使用X射线聚焦光学元件的X射线微束分析技术已成为同步辐射应用的主流分析技术。

同步辐射装置从建造、性能和用途来区分，已经经历了三代的发展。第一代和第二代同步辐射装置的特点：光源点尺寸和发散度都较大。目前，国际第一代和第二代同步辐射装置通常采用超环面镜，将水平方向几十毫米和竖直方向几个毫米的光束“一次聚焦”，聚焦后的光束在水平方向和竖直方向都为亚毫米。其中，“一次聚焦”后的光强分布为中心强、边缘弱的高斯分布。但是，进行X射线衍射和荧光等研究和分析时，需要入射光的光强尽可能为均匀分布。

高压吸收谱是X射线吸收谱学实验的一个重要发展方向。它是通过金刚石对顶砧对样品施加压力，研究样品的局域结构和电子结构变化，动态原位地揭示样品的一些动力学性质。因为金刚石是晶体结构，在进行高压吸收谱测量时，金刚石产生的衍射信号严重影响了吸收谱的正常测量。

另外，连续光谱的同步辐射通过单色器后出射的单色光中含有高次谐波，而高次谐波严重影响光源、探测器和光学元件的定标精度，实验数据会因谐波干扰而增大误差，甚至导致错误的实验结论。因此，抑制光源中的高次谐波，提高光源品质，对提高实验结果的精度具有重要意义。

发明内容

本发明实施例提供一种会聚X射线的光学器件，用于提高出射光的光强均匀程度，增大出射光束的发散度以及抑制同步辐射高次谐波。

一种用于聚焦同步辐射光源的光学器件，该光学器件的外侧母线为为二次曲线段或多个二次曲线段的组合，其中多个二次曲线段开口方向相同，该光学器件包括：多根透明材料制成的毛细体；其中，位于中心区的毛细体为实心结构；位于中心区以外的外围区的毛细体为中空结构。本实施例通过中心区域采用实心毛细体以及外围区域采用空心毛细体，即一种“一次聚焦”同步辐射光源的光学器件，不仅可以使同步辐射装置“一次聚焦”后的光强分由高斯分布变为近似均匀分布，同时增大出射光束的发散度，削弱如金刚石等晶体引入的衍射信号对高压吸收谱的正常测量。此外，该光学器件具有抑制同步辐射高次谐波的作用。

优选的，中心区的毛细体的外径大于外围区的毛细体的外径；或者，所有毛细体的外径相等。其中，若中心区的毛细体的外径大于外围区的毛细体的外径，则可以在光学器件体积不变的情况下减少毛细体的数量，以及简化制作工艺。若所有毛细体的外径相等则可以简化生产单个毛细体的工艺。

优选的，越靠近光学器件边缘的毛细体的管壁厚度越小。这样可进一步提高会聚X射线的均匀度。

优选的，透明材料为玻璃。该材料制出的毛细体光滑度较好。

优选的，玻璃材料包括Li、Be和B中的一种或多种元素。该成分的玻璃制出的毛细体光滑度较好。

优选的，外围区的毛细体包括不透明材料的膜。

优选的，不透明材料为金属。金属材料构成的反射膜具有较好的反射效果。

优选的，金属包括钨、金和铂中的一种或多种元素。该材料的反射效果较好。

优选的，不透明材料的膜位于毛细体的外表面。这样既可以有较好的反射效果，且降低镀膜难度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1A为现有技术中会聚X射线的光强分布示意图；

图1B为本发明实施例中光学器件的结构图；

图2为本发明实施例中光学器件的横截面示意图；

图3为本发明实施例中外围区毛细体的结构图；

图4-图7为本发明实施例中会聚X射线的光强分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请的发明人发现，目前由玻璃毛细管构成的光学器件，在会聚X射线后的出射光的光强呈高斯分布，也就是中心区域的光强明显高于边缘区域的光强。而在实际应用和研究中，更希望获得光强较均匀的X射线。因此，本实施例通过中心区域采用实心毛细体以及外围区域采用空心毛细体，即一种聚焦同步辐射光源的光学器件，使会聚的X射线更均匀。还可以用于会聚超环面镜射出的X射线，使同步辐射装置“一次聚焦”后的光强分由高斯分布变为近似均匀分布，实现“二次聚焦”，同时增大出射光束的发散度，削弱如金刚石等晶体引入的衍射信号对高压吸收谱的正常测量。此外，该光学器件具有抑制同步辐射高次谐波的作用。

参见图1，本实施例中光学器件为轴对称结构，尤其是其任一点的横截面都近似为圆。纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的弧形，该弧形遵循二次曲线方程。也就是说，光学器件的外侧母线101为二次曲线段或多个二次曲线段的组合，其中多个二次曲线段开口方向相同。较佳的，外侧母线101为抛物线或椭圆弧。

该光学器件包括：单根透明材料制成的毛细体102。参见图2所示，位于中心区201的毛细体102为实心结构。位于中心区201以外的外围区202的毛细体102为中空结构，且外围区202的毛细体102包括不透明材料的膜。

参见图3所示，外围区202的毛细体102包括两部分，一部分是透明材料制成的中空管301，另一部分是在中空管301外层镀上的不透明材料的膜302。

当然，中心区201的毛细体102外层也可以镀上不透明材料的膜302。

较佳的，透明材料为玻璃。特别的，该玻璃材料为密度较低的轻质玻璃，玻璃材料至少包括锂Li、铍Be和硼B中的一种或多种元素。例如，玻璃的成分包括：

较佳的，不透明材料为金属。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，即提高会聚高能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和铂Pb中的一种或多种元素。从制作工艺和成本方面考虑，较佳的方案是采用钨。

光学器件两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线。玻璃材料与金属材料的临界面构成反射面，该反射面用于X射线在光学器件中传输到反射面时发生全反射，并在所述另一端外会聚。

较佳的，中心区的毛细体的直径大于外围区的毛细体的外径；或者，所有毛细体的外径相等。其中，若中心区的毛细体的直径大于外围区的毛细体的外径，则可以在光学器件体积不变的情况下减少毛细体的数量，以及简化制作工艺。若所有毛细体的外径相等则可以简化生产单个毛细体的工艺。

较佳的，越靠近光学器件边缘的毛细体的管壁厚度越小。尤其是外围区202的毛细管102在外径相同的情况下，越靠近边缘的毛细管102的内径越大。这样可进一步提高会聚X射线的均匀度。

例如，在在所有毛细管102的入口外直径为6.25um，出口为2.5um，外围区202的毛细管102的内直径为5um，出口为2um，光学器件的中轴长度为65mm，光学器件的外侧母线为y＝-0.0012x2+0.0025x+5.2813，毛细管总圈数kk＝80的条件下，中心区201的毛细管102为25-40圈时，出现较明显的平台：宽度约40-50um。可以参见图4-图7所示的示意图，分别是中心区201的毛细管102为10、20、30、35时的光强分布示意图。其中，图中横轴表示距离光学器件出口的长度，纵轴表示光强。从图中可知，中心区201的毛细管102的圈数越大，会聚的焦斑也越大，也就是说平均度越好。但是该圈数有个最佳范围，超过该范围的圈数，会聚的光强平台会出现凹陷，也就是说中心区201对应的光强会低于外围区202对应的光强，反而降低平均度。

在该条件下，会聚X射线的发散度参见图表1所示：

表1

k	k＝0	k＝15	k＝25	k＝40
					发散度/mrad	5.05	5.325	5.82	6.75

表1展示了会聚X射线的发散度，中心区201的毛细管102的圈数越大，会聚X射线的发散度也越大。其中，k＝0表示中心区201的毛细管102数为0，也就是说所有毛细体均为中空管，即为现有技术的光学器件，由此可知本实施例中的光学器件在会聚的光强均匀性和发散度方面都优于现有技术。同样，与完全实心的光学器件相比，本实施例中的光学器件在会聚的光强均匀性和发散度方面都优于现有技术。

另外，本实施例在抑制高次谐波方面也有很好的效果，通常X射线能区内存在基波与三次倍频；也就是存在E与3E两种能量的光；其中，E表示基波，3E表示高次谐波。通过计算，在外围区202的毛细管102内径入口为12.6um，内径出口6um，光学器件中轴长度为40mm，光学器件总圈数kk＝30，中心区201的毛细管102为15圈的条件下，传输效率如表2所示：

表2

传输效率	E＝5kev	E＝15kev
			k＝0	82.2％	34.0％
k＝15	70.2％	12％

由表2可知，本实施例对抑制高次谐波(E＝15kev)有明显的效果，使用现有技术中的完全空心的光学器件时的高次谐波传输效率为34％，使用本实施例中的光学器件时的高次谐波传输效率被抑制为12％，而E＝5kev时，传输效率也有变化。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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

1.一种用于聚焦同步辐射光源的光学器件，其特征在于，该光学器件的外侧母线为二次曲线段或多个二次曲线段的组合，其中多个二次曲线段开口方向相同，该光学器件包括：

多根透明材料制成的毛细体；

其中，位于中心区的毛细体为实心结构；

位于中心区以外的外围区的毛细体为中空结构。

2.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，中心区的毛细体的外径大于外围区的毛细体的外径；或者

所有毛细体的外径相等。

3.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，越靠近光学器件边缘的毛细体的管壁厚度越小。

4.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，透明材料为玻璃。

5.如权利要求4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。

6.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，外围区的毛细体包括不透明材料的膜。

7.如权利要求6所述的光学器件，其特征在于，不透明材料为金属。

8.如权利要求7所述的光学器件，其特征在于，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，不透明材料的膜位于毛细体的外表面。