CN103454289A

CN103454289A - 用于x射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件

Info

Publication number: CN103454289A
Application number: CN2013103606377A
Authority: CN
Inventors: 乐孜纯; 董文
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Guangdong Gaohang Intellectual Property Operation Co ltd; Jiangsu Yier Heavy Industry Co ltd
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-08-19
Also published as: CN103454289B

Abstract

一种用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件，包括双镜镜筒、X射线跨接式组合折射透镜、第一X射线组合折射透镜和双镜机械调整机构，所述X射线跨接式组合折射透镜、第一X射线组合折射透镜位于所述双镜镜筒内，所述X射线跨接式组合折射透镜的光轴与第一X射线组合折射透镜的光轴平行，所述X射线跨接式组合折射透镜的聚焦光斑尺寸比第一X射线组合折射透镜的聚焦光斑尺寸小；所述双镜镜筒安装在用以将X射线跨接式组合折射透镜或第一X射线组合折射透镜移出或移入X射线探测和成像系统光路的机械调整机构上。本发明获得高微区分辨率的同时、分辨率在线调节。

Description

用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件

技术领域

本发明涉及X射线探测和成像领域，尤其是一种X射线探测和成像系统的探测光学部件。

背景技术

自从1895年伦琴发现X射线以来，X射线所具有的独特的特性就使得它在医学和工业探伤领域发挥了巨大的作用。X射线所具有的独特的特性是指：X射线辐射光子能量越高，波长就越短，而其相应的X射线诊断系统的分辨率就越高；同时X射线所具有的大穿透深度，可以无损地观测各种样本的不透明的内部结构。近年来，随着X射线辐射源和X射线光学元器件的发展，X射线探测和成像技术向着更高的分辨率和更好的无损性的方向发展，比如，用于样本中元素分布测量的X射线荧光微层析实验系统（C.G.Schroer,Reconstructingx-ray fluorescence microtomograms,Appl.Phys.Lett.,79(2001):1912-1914），以及用于单细胞检测的X射线实验系统（S.Bohic,et al.,Synchrontron hard x-ray microprobe:Fluorescence imagingof single cells,Appl.Phys.Lett.,78(2001):3544-3546）等。X射线探测和成像装置主要包括X射线显微镜、X射线微探针、X射线衍射仪、X射线散射仪、X射线反射仪、X射线层析术、X射线投影光刻装置等等。要进一步提高上述探测和成像系统的分辨率，使其达到微米、亚微米甚至纳米量级，能实现亚微米甚至纳米量级X射线探测聚焦微束的光学结构是核心技术问题。

发明内容

为了克服已有X射线探测和成像系统的探测光学部件的微区分辨率较低、分辨率不能在线调节、不能实现分级检测的不足，本发明提供一种获得高微区分辨率的同时、分辨率在线调节的用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件，所述双镜式探测光学部件包括双镜镜筒、X射线跨接式组合折射透镜、第一X射线组合折射透镜和双镜机械调整机构，

所述X射线跨接式组合折射透镜包括第二X射线组合折射透镜和第三X射线组合折射透镜，所述第二X射线组合折射透镜与所述第一X射线组合折射透镜具有相同的入射口径，所述第二X射线组合折射透镜出射端与所述第三X射线组合折射透镜的入射端连接；

所述X射线跨接式组合折射透镜、第一X射线组合折射透镜位于所述双镜镜筒内，所述X射线跨接式组合折射透镜的光轴与第一X射线组合折射透镜的光轴平行，所述X射线跨接式组合折射透镜的聚焦光斑尺寸比第一X射线组合折射透镜的聚焦光斑尺寸小；

所述双镜镜筒安装在用以将X射线跨接式组合折射透镜或第一X射线组合折射透镜双镜移出或移入X射线探测和成像系统光路的机械调整机构上。

进一步，所述第二X射线组合折射透镜出射端制作有微结构连接销，所述第三X射线组合折射透镜的入射口径与所述第二X射线组合折射透镜的出射口径匹配，所述第三X射线组合折射透镜的入射端制作有与所述微结构连接销适配的销孔，以便于将所述第二X射线组合折射透镜和第三X射线组合折射透镜接续起来。

再进一步，所述双镜镜筒内安装至少两个X射线跨接式组合折射透镜和1个第一X射线组合折射透镜。例如可以配置为1个第一X射线组合折射透镜和3个X射线跨接式组合折射透镜，3个X射线跨接式组合折射透镜的聚焦光斑尺寸处于不同等级，当然，也可以采用其他组合。

更进一步，至少两个X射线跨接式组合折射透镜和1个第一X射线组合折射透镜的光轴位于所述双镜镜筒的同心圆上，所述机械调整机构与双镜镜筒的中心轴联动。由于X射线跨接式组合折射透镜和第一X射线组合折射透镜位于同心圆上，通过转动，可以调节相互的位置，通过双镜镜筒将X射线跨接式组合折射透镜或第一X射线组合折射透镜双镜移出或移入X射线探测和成像系统光路；当然，也可以采用其他的调节方式。

本发明的技术构思为：X射线组合折射透镜是一种基于折射效应的新型X射线聚焦器件，其理论聚焦光斑尺寸可达纳米量级，实际测试所得聚焦光斑尺寸通常在几个微米，并具有尺寸小、制作工艺简单、鲁棒性好、可批量加工的优点，适合高探测分辨率的X射线探测和成像系统；其次，X射线组合折射透镜覆盖的光子能量非常宽，因此基于它构架X射线探测和成像系统，适用于多种应用场合；最后由于其基于折射效应，因此在对X射线束聚焦时不需要折转光路，因此所形成的探测装置结构紧凑、尺寸小、重量轻。

本发明的有益效果主要表现在：1、采用X射线组合折射透镜作为聚焦和成像器件，本身就可以达到更高的探测分辨率，再与X射线跨接式组合折射透镜相结合，能够实现对被检目标的更高精度的精细结构分析；2、通过发明双镜式光学结构，X射线探测和成像系统可以同时实现对被检目标宏观和细节同时检测的目的；3、实现了探测分辨率在线实时调节；4、探测双镜基于折射效应工作，在对X射线束聚焦时不需要折转光路，因此所形成的探测系统结构紧凑、尺寸小、重量轻。

附图说明

图1-1是本发明一种用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件的正视图，其中，1是X射线组合折射透镜，2是X射线跨接式组合折射透镜，3是双镜镜筒，4是双镜机械调整机构。

图1-2是本发明一种用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件的俯视图。

图2是X射线跨接式组合折射透镜的示意图。

图3是本发明一种基于双镜式探测光学结构的X射线探测和成像系统的示意图，其中，5是X射线光管，6是X射线探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件，所述双镜式探测光学部件包括双镜镜筒3、X射线跨接式组合折射透镜2、第一X射线组合折射透镜1和双镜机械调整机构4，

所述X射线跨接式组合折射透镜2包括第二X射线组合折射透镜和第三X射线组合折射透镜，所述第二X射线组合折射透镜与所述第一X射线组合折射透镜具有相同的入射口径，所述第二X射线组合折射透镜出射端与所述第三X射线组合折射透镜的入射端连接；

所述X射线跨接式组合折射透镜2、第一X射线组合折射透镜1位于所述双镜镜筒3内，所述X射线跨接式组合折射透镜2的光轴与第一X射线组合折射透镜1的光轴平行，所述X射线跨接式组合折射透镜2的聚焦光斑尺寸比第一X射线组合折射透镜1的聚焦光斑尺寸小；

所述双镜镜筒3安装在用以将X射线跨接式组合折射透镜或第一X射线组合折射透镜移出或移入X射线探测和成像系统光路的机械调整机构4上。

再进一步，所述双镜镜筒3内安装至少两个X射线跨接式组合折射透镜2和1个第一X射线组合折射透镜1。例如可以配置为1个第一X射线组合折射透镜和3个X射线跨接式组合折射透镜，3个X射线跨接式组合折射透镜的聚焦光斑尺寸处于不同等级，当然，也可以采用其他组合。

更进一步，至少两个X射线跨接式组合折射透镜和1个第一X射线组合折射透镜的光轴位于所述双镜镜筒3的同心圆上，所述机械调整机构4与双镜镜筒3的中心轴联动。由于X射线跨接式组合折射透镜和第一X射线组合折射透镜位于同心圆上，通过转动，可以调节相互的位置，通过双镜镜筒将X射线跨接式组合折射透镜或第一X射线组合折射透镜双镜移出或移入X射线探测和成像系统光路；当然，也可以采用其他的调节方式。

本实施例中，采用第一X射线组合折射透镜1和X射线跨接式组合折射透镜2组成双镜，所述第一X射线组合折射透镜1作为初级X射线聚焦和成像器件，对从X射线光源（包括同步辐射线束和X射线光管）出射的X射线光束进行一次聚焦；所述X射线跨接式组合折射透镜2，由第二X射线组合折射透镜和第三X射线组合折射透镜接续构成，所述第二X射线组合折射透镜与所述X射线组合折射透镜具有相同的入射口径，出射口径端制作有微结构连接销，所述第三X射线组合折射透镜的入射口径与所述第二X射线组合折射透镜的出射口径匹配，入射端口制作有与所述微结构连接销适配的销孔，以便于将所述第二X射线组合折射透镜和第三X射线组合折射透镜接续起来。

所述双镜镜筒3是用于装配所述第一X射线组合折射透镜1和X射线跨接式组合折射透镜2的机械器件。

所述双镜机械调整机构4，与所述双镜镜筒3连接，用于通过机械旋转将所述第一X射线组合折射透镜1或者X射线跨接式组合折射透镜2移出或者移入X射线探测和成像系统光路。

所述第一X射线组合折射透镜1的聚焦光斑尺寸大于所述X射线跨接式组合折射透镜2，即对于X射线荧光分析系统而言，X射线跨接式组合折射透镜2能够分析比所述第一X射线组合折射透镜1更加微小的样品微区；对于X射线显微系统而言，X射线跨接式组合折射透镜2能够对更小尺寸的物体进行显微成像。

所述第一X射线组合折射透镜1和所述X射线跨接式组合折射透镜2之间的光学参数必须匹配，以便使二者相结合对被测目标进行宏观和细节的分级检测，所述第一X射线组合折射透镜1实现初级检测，分辨率较低，所述X射线跨接式组合折射透镜2实现精细结构检测，具有更高的分辨率；同时二者的结合可以实现探测分辨率的在线动态调节。

所述光学参数的匹配通过下列理论公式进行设计计算实现：

焦距f：

f \approx \frac{R}{2 Nδ},

聚焦光斑Δr：

Δr = \sqrt{\frac{2 \ln 2}{π}} \sqrt{\frac{λR}{N}} \frac{\sqrt{β}}{δ} \approx 0.66 \sqrt{\frac{λR}{N}} \frac{\sqrt{β}}{δ},

聚焦光斑处光强分布I(r)：

I (r) = I (0) \exp (- \frac{2 πN δ^{2}}{λRβ} r^{2}),

X射线组合折射透镜的口径D_eff：

D_{eff} = 2 R_{0} \sqrt{\frac{1 - \exp (- a)}{a}} = 2 \sqrt{\frac{R}{μN}} \sqrt{1 - \exp (- a)}

其中，在X射线波段，物质的复折射率表示为n＝1-δ+iβ，复折射率的实部1-δ代表折射率，虚部β代表吸收率，δ为折射系数。所述X射线组合折射透镜由N个完全相同的折射单元组成，每个折射单元均是双凹透镜，其面型为抛物面，抛物面顶点处的曲率半径为R，折射单元上抛物面开口尺寸为R₀，λ代表波长，r为像面处横向极坐标，I(0)代表初始位置处的光强，一般取值为1。μ为材料的线吸收系数，

μ = \frac{4 πβ}{λ},

a为中间参数，

a = \frac{μN R_{0}^{2}}{R} = \frac{μ R_{0}^{2}}{2 δf} = \frac{2 πβ R_{0}^{2}}{λδf} .

再进一步，所述双镜镜筒3中可以安装2个、4个、6个、8个或者更多个第一X射线组合折射透镜1或者X射线跨接式组合折射透镜2，所述双镜的概念指的是一个第一X射线组合折射透镜1和一个与其光学参数匹配的X射线跨接式组合折射透镜2的结合所达到的本发明所述的有益效果。作为一个实例，本发明双镜镜筒中放置1个第一X射线组合折射透镜和3个X射线跨接式组合折射透镜，所述1个第一X射线组合折射透镜可以和所述3个X射线跨接式组合折射透镜中的任意1个组成双镜，在X射线探测和成像系统中使用，因此总共可以组成3个双镜结构来满足X射线探测和成像系统的不同应用需求。

所述X射线探测和成像系统的光轴与所述第一X射线组合折射透镜1的光轴或者是X射线跨接式组合折射透镜2的光轴重合，而不是与双镜镜筒的机械中心轴重合。

Claims

1.一种用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件，其特征在于：所述双镜式探测光学部件包括双镜镜筒、X射线跨接式组合折射透镜、第一X射线组合折射透镜和双镜机械调整机构，

所述双镜镜筒安装在用以将X射线跨接式组合折射透镜或第一X射线组合折射透镜移出或移入X射线探测和成像系统光路的机械调整机构上。

2.如权利要求1所述的用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件，其特征在于：所述第二X射线组合折射透镜出射端制作有微结构连接销，所述第三X射线组合折射透镜的入射口径与所述第二X射线组合折射透镜的出射口径匹配，所述第三X射线组合折射透镜的入射端制作有与所述微结构连接销适配的销孔，以便于将所述第二X射线组合折射透镜和第三X射线组合折射透镜接续起来。

3.如权利要求1或2所述的用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件，其特征在于：所述双镜镜筒内安装至少两个X射线跨接式组合折射透镜和1个第一X射线组合折射透镜。

4.如权利要求3所述的用于X射线探测和成像系统的双镜式探测光学部件，其特征在于：至少两个X射线跨接式组合折射透镜和1个第一X射线组合折射透镜的光轴位于所述双镜镜筒的同心圆上，所述机械调整机构与双镜镜筒的中心轴联动。