CN103021498B - 一种用于聚焦x射线的光学器件、制作方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于聚焦X射线的光学器件、制作方法及系统，用于实现在X射线传输过程中减少其损失的能量。所述光学器件包括：该基体的外侧母线为抛物线段；该基体在任一点的横截面为相同的圆弧；该基体的弧形开口朝向抛物线段的内侧；所述镀膜位于圆弧内侧，且至少位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。

Description

一种用于聚焦X射线的光学器件、制作方法及系统

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X射线的光学器件、制作方法及系统。

背景技术

同步辐射光源因其高亮度、能量连续可调性及其偏振可调性等这些独特的性质，成为揭示物质结构和生命现象的最重要工具，为几乎所有的前沿科技研究提供了先进的、不可替代的实验平台。目前，同步辐射光源处于第三代，今后国内外发展的第四代同步辐射光源的目标：高能量范围，小光斑，高准直性(接近平行光)。

随着材料制造技术和微细加工技术的进步，利用反射、衍射和折射等原理的多种X射线聚焦光学器件(掠入射反射镜、菲涅尔波带片、多层膜反射镜、复合折射透镜和玻璃毛细管等)的发明和应用，成为X射线光学的重要研究内容和亮点。由于有了X射线聚焦元件，才有了X光路设计，形成了真正的X光学系统。这些光学系统在同步辐射光路设计中得到了广泛应用并取得了惊人的成就。

对于利用反射原理的X射线聚焦光学器件，聚焦效果取决于反射材料的全反射临界掠射角和反射材料的表面粗糙度。可有公式其中k为比例系数，全反射临界掠射角θ与X射线的能量E成反比，与反射材料密度ρ的平方根成正比。同时，依据沃勒-德拜公式 $R=R\·\exp (-\frac{{\left(4\mathrm{\π\σ}\sin \mathrm{\θ}\right)}^2}{{\mathrm{\λ}}^2})$ 可知，随着反射面的粗糙度σ逐渐变大，X射线的反射率R会明显变小。所以，要想有效聚焦高能X射线，利用反射原理的X射线聚焦光学器件要有高密度和低表面粗糙度的反射材料。

其中，掠入射反射镜可以称为镀膜光学器件。镀膜光学器件是在衬底材料外表面镀上单层重金属薄膜来实现聚焦X射线作用。目前，镀膜光学器件的衬底材料大多使用硅单晶。镀膜前，通过施加外力使平的硅单晶弯曲，获得所需的衬底表面形状。但是，硅单晶的表面粗糙度还不够理想。另外，在硅单晶衬底获得抛物线型表面的难度和工艺复杂程度，都大大超过玻璃基体。

发明内容

本发明实施例提供一种用于聚焦高能X射线的光学器件、制作方法及系统。

一种聚焦高能X射线的光学器件，包括：基体和镀膜；其中，该基体的外侧母线为抛物线段；该基体在任一点的横截面为相同的圆弧；该基体的弧形开口朝向抛物线段的内侧；所述镀膜位于圆弧内侧，且至少位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。本发明实施例中通过将镀膜置于基体内侧，利用基体光滑内表面使反射面光滑。以及，将空气与镀膜的临界面作为反射面，增加了临界面两侧材料的密度差，从而实现在X射线传输过程中减少其损失的能量。

优选的，基体的材料为玻璃；镀膜的材料为金属。其中，玻璃材料的光滑性较好，有利于得到光滑的反射面。金属材料的镀膜易于工艺实现，且密度较大。

优选的，玻璃包括Li、Be和B中的一种或多种元素。

优选的，金属包括钨、金和铂中的一种或多种元素。

一种制作用于聚焦高能X射线的光学器件的方法，包括以下步骤：对玻璃管进行拉丝处理，使成形后的玻璃管成抛物线型；沿着玻璃管的伸展方向，将玻璃管切割为两部分；将切割后的部分玻璃管作为基体，在基体内侧上进行镀膜，其中镀膜部分位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。该工艺方法可实现前述结构的光学器件，并且工艺简单易实现。

优选的，对玻璃管进行拉丝处理，使成形后的玻璃管成抛物线型的步骤包括：对玻璃管进行加热；对加热的玻璃管进行拉丝处理，使成形后的玻璃管成抛物线型。如果玻璃管温度较低，则在拉丝过程中易断，因此对玻璃管进行加热，便于拉丝成形。

优选的，对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形的步骤包括：以每分钟1mm～30mm的速度范围以变化速率对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。以该速度加工便于得到抛物线形的光学器件，可根据所需光学器件的尺寸调整该速度。

优选的，镀膜材料为金属。采用该镀膜材料得到的光学器件性能较好，且工艺实现简单。

一种制作用于聚焦高能X射线的光学器件的系统，包括：

拉丝装置，用于对玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形；

切割装置，用于沿着玻璃管的伸展方向，将玻璃管切割为两部分；

镀膜装置，用于将切割后的部分玻璃管作为基体，在基体内侧上进行镀膜，其中镀膜部分位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。

优选的，所述系统还包括：加热装置，用于对玻璃管进行加热；拉丝装置对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。

优选的，拉丝装置以每分钟1mm～30mm的速度范围以变化速率对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。

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1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路示意图；

图3为本发明实施例中制作用于聚焦高能X射线的光学器件的主要方法流程图；

图4为本发明实施例中制作用于聚焦高能X射线的光学器件的详细方法流程图；

图5为本发明实施例中制作用于聚焦高能X射线的光学器件的系统的结构图；

图6为本发明实施例中制作用于聚焦高能X射线的光学器件的系统的详细结构图。

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，目前为了增加临界面的密度差，则在玻璃毛细管的外侧镀膜。如果能在玻璃毛细管的内侧镀膜，则能够进一步增大临界面的密度差。但是目前工艺水平无法实现在玻璃管内侧均匀镀膜。本发明实施例通过将玻璃管切割开，以便在其内侧镀膜，既利用了玻璃管内表面的光滑特性，又提高了反射临界面的密度差。

参见图1，本实施例中的光学器件包括：基体101和镀膜102。其中，该基体的外侧母线为抛物线段。该基体在任一点的横截面为相同的圆弧。该基体的弧形开口朝向抛物线段的内侧。所述镀膜位于圆弧内侧，且至少位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。本发明实施例中通过将镀膜置于基体内侧，利用基体光滑内表面使反射面光滑。以及，将空气与镀膜的临界面作为反射面，增加了临界面两侧材料的密度差，从而实现聚焦高能X射线。

优选的，基体的材料为玻璃；镀膜的材料为金属。其中，玻璃材料的光滑性较好，有利于得到光滑的反射面。金属材料的镀膜易于工艺实现，且密度较大。

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，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。

参见图2所示，平行X射线向光学器件进行照射。经过光学器件的一次反射，得到聚焦的X射线。聚焦X射线的能量可至120keV。适用于第四代同步辐射光源。

由于本发明实施例首次提出该结构的光学器件，下面本实施例还提供制作该光学器件的方法。

参见图3，本实施例中制作用于聚焦高能X射线的光学器件的主要方法步骤如下：

步骤301：对玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。

步骤302：沿着玻璃管的伸展方向，将玻璃管切割为两部分。

步骤303：将切割后的部分玻璃管作为基体，在基体内侧上进行镀膜。其中镀膜部分位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。

该工艺方法可实现前述结构的光学器件，并且工艺简单易实现。

较佳的，如果采用已有的玻璃管，在进行步骤301之前，可对玻璃管进行清洗，以减少拉丝过程中掺入杂质。

优选的，对玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形的步骤包括：对玻璃管进行加热；对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。如果玻璃管温度较低，则在拉丝过程中易断，因此对玻璃管加热，便于拉丝成型。

优选的，对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形的步骤包括：以每分钟1mm～30mm的速度范围的变化速率对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。以该速度加工便于得到抛物线形的光学器件，可根据所需光学器件的尺寸调整该速度。

参见图4，本实施例中制作用于聚焦高能X射线的光学器件的详细方法步骤如下：

选择小椭圆度的圆柱形玻璃管。

步骤401：对玻璃管进行清洗。

步骤402：对玻璃管进行加热。

步骤403：对加热软化的玻璃管进行变速拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。

步骤404：沿着玻璃管的伸展方向，将玻璃管切割为两部分。

步骤405：将切割后的部分玻璃管作为基体，在基体内侧上进行镀膜。其中镀膜部分位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。具体的，可以采用强流金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子注入和磁过滤等离子体沉积复合方法制备所需的反射薄膜。

以上方法可以由系统实现，下面对该系统的内部结构和功能进行介绍。

参见图5，本实施例中制作用于聚焦高能X射线的光学器件的系统包括：拉丝装置501、切割装置502和镀膜装置503。

拉丝装置501用于对玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型。

切割装置502用于沿着玻璃管的伸展方向，将玻璃管切割为两部分。

镀膜装置503用于将切割后的部分玻璃管作为基体，在基体内侧上进行镀膜，其中镀膜部分位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。

优选的，所述系统还包括：加热装置504，参见图6所示。加热装置504用于对玻璃管进行加热；拉丝装置对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。

优选的，拉丝装置501以每分钟1mm～30mm的速度范围以变化速率对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线形。

优选的，所述系统还包括：清洗装置505，用于对玻璃管进行清洗。

以光学器件遵循抛物线方程为例，若本实施例中的光学器件的玻璃密度为2.2，金属为钨，则全反射临界掠射角为0.999毫弧度。若相同的玻璃不镀金属，则全反射临界掠射角为0.376毫弧度。当会聚能量为80keV的X射线时，本实施例中的光学器件传输效率能够达到97.7％，而相同的玻璃不镀金属传输效率为59.2％。因此本实施例中的光学器件相对于现有的玻璃毛细管会聚的X射线的光强更强。

本发明实施例通过将玻璃管切割开，以便在其内侧镀膜，既利用了玻璃管内表面的光滑特性，又提高了反射临界面的密度差。并且利用玻璃的光滑特性获得较光滑的反射面。并且，本发明提供了用于制作该光学器件的方法和系统，工艺简单易实现。

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 (11)

1.一种聚焦X射线的光学器件，其特征在于，包括：基体和镀膜；

该基体的外侧母线为抛物线段；

该基体在任一点的横截面为相同的圆弧；

该基体的弧形开口朝向抛物线段的内侧；

所述镀膜位于圆弧内侧，且至少位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。

2.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，基体的材料为玻璃；镀膜的材料为金属。

3.如权利要求2所述的光学器件，其特征在于，玻璃包括Li、Be和B中的一种或多种元素。

4.如权利要求2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。

5.一种制作用于聚焦X射线的光学器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型；

沿着玻璃管的伸展方向，将玻璃管切割为两部分；

将切割后的部分玻璃管作为基体，在基体内侧上进行镀膜，其中，该基体的外侧母线为抛物线段；该基体在任一点的横截面为相同的圆弧；该基体的弧形开口朝向抛物线段的内侧；镀膜部分位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型的步骤包括：

对玻璃管进行加热；

对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型的步骤包括：以每分钟1mm～30mm的速度范围的变化速率对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，镀膜材料为金属。

9.一种制作用于聚焦X射线的光学器件的系统，其特征在于，包括：

拉丝装置，用于对玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型；

切割装置，用于沿着玻璃管的伸展方向，将玻璃管切割为两部分；

镀膜装置，用于将切割后的部分玻璃管作为基体，在基体内侧上进行镀膜，其中，该基体的外侧母线为抛物线段；该基体在任一点的横截面为相同的圆弧；该基体的弧形开口朝向抛物线段的内侧；镀膜部分位于抛物线段的中部，与弧形开口相对。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括：加热装置，用于对玻璃管进行加热；

拉丝装置对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，拉丝装置以每分钟1mm～30mm的速度范围的变化速率对加热的玻璃管进行拉丝处理，使拉丝后的玻璃管成抛物线型。