CN104502375A - 准单色光成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准单色光成像系统，该准单色光成像系统包括：X射线光源、准单色器、毛细管X光会聚透镜、会聚器、放大器及探测器；X射线光源设置在毛细管X光会聚透镜的入口焦斑处，准单色器设置在近于毛细管X光会聚透镜入口端；毛细管X光会聚透镜的出口焦斑处形成第一准单色微焦斑；会聚器的入口焦斑与毛细管X光会聚透镜的出口焦斑形成共聚焦结构，会聚器的出口焦斑处形成第二准单色微焦斑；会聚器的出口焦斑处放置有样品；会聚器的入口端处配置有调节器，用于挡住入射或出射于会聚器的中间部分X射线；放大器设置于样品之后的光路上，探测器设置在放大器之后。因此，实施本发明能够实现高效纳米成像的同时降低设备成本。

Description

准单色光成像系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种准单色光成像系统。

背景技术

目前，纳米成像技术应用广泛，受到人们的高度重视。为符合高空间分辨纳米成像的技术要求，现有的纳米成像设备大都采用同步辐射光源，因为同步辐射光源的强度高，可以通过单色器等插入件将同步辐射光单色化，使同步辐射光符合纳米成像的技术要求。

但是，本申请的发明人发现：同步辐射装置体积庞大，造价昂贵，且数量有限，不便广泛使用。另外，由于实验室普通微焦斑光源的功率低，通过这种低功率光源得到的单色光用于高分辨纳米成像技术时，其成像效率会很低。由于高功率和微焦斑是一对矛盾，即：若光源焦斑小，则功率就会降低，若功率高，则光源焦斑就会大。简单来讲，这主要是因为功率升高了后，若光源焦斑太小的话，靶心就会被融化掉。因此，如何获取微焦斑且高功率的光源至今为止也没有得到很好的解决，也是本申请发明人一直致力解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术中的问题，本发明实施例提出一种准单色光成像系统，能够实现高效纳米成像的同时降低设备成本，并提升设备的功能和寿命。

进一步来讲，本发明实施例提出的准单色光成像系统包括：X射线光源、准单色器、毛细管X光会聚透镜、会聚器、放大器及探测器；其中：所述X射线光源设置在所述毛细管X光会聚透镜的入口焦斑处，所述准单色器设置在所述X射线光源与所述毛细管X光会聚透镜之间，近于所述毛细管X光会聚透镜入口端；所述毛细管X光会聚透镜的出口焦斑处形成第一准单色微焦斑；所述会聚器的入口焦斑与所述毛细管X光会聚透镜的出口焦斑形成共聚焦结构，所述会聚器的出口焦斑处形成第二准单色微焦斑；所述会聚器的出口焦斑处放置有样品；所述会聚器的入口端处配置有所述调节器，用于挡住入射或出射于所述会聚器的中间部分X射线；所述放大器设置于所述样品之后的光路上，用于会聚并放大所述样品的成像信号；所述探测器设置在所述放大器之后，用于探测并收集所述样品的成像信号。

可选地，在一些实施例中，所述X射线光源为X射线光管发射的X射线束，所述X射线光管的靶材为钼、银或钨中的一种；和/或，所述X射线光源的功率范围为1～1000瓦。

可选地，在一些实施例中，所述毛细管X光会聚透镜为X射线会聚透镜；所述毛细管X光会聚透镜由单根单毛细管构成；或者，所述毛细管X光会聚透镜由多根单毛细管构成，沿垂直于其中心线方向的横截面为正六边形，沿其长度方向上的截面空间椭球曲面段。

可选地，在一些实施例中，所述毛细管X光会聚透镜中位于其中心位置的一根单毛细管所在的层数定义为第一层，从内向外第n层中单毛细管的数目为6(n-1)，且n＞1；和/或，所述毛细管X光会聚透镜的长度范围为3～10厘米，入口端直径范围为1～30毫米，出口端直径范围为1～10毫米，入口焦距f₁的范围为1～20厘米，出口焦距f₂的范围为1～40毫米。

可选地，在一些实施例中，所述会聚器为椭球形，在沿其中心对称线方向上的截面为旋转椭球面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形；其中，所述会聚器的长度范围为1～170毫米，入口焦距F的取值范围为5～50毫米，出口焦距f的取值范围为1～30毫米，入口端直径D的取值范围为2～20毫米，出口端直径d的取值范围为2～20毫米。

可选地，在一些实施例中，所述准单色器的制作材料为金属材料；和/或，所述会聚器的制作材料为铅玻璃。

可选地，在一些实施例中，所述会聚器的长度为30毫米，入口直径为10毫米，出口直径为12毫米，入口焦距为30毫米，出口焦距为9毫米。

可选地，在一些实施例中，所述毛细管X光会聚透镜的长度L为65毫米，入口端的直径D_in为17毫米，出口端的直径D_out为2毫米；其中，在17.4keV能量点，所述毛细管X光会聚透镜的入口焦距f₁为73毫米，出口焦距f₂为13毫米，焦斑直径为25微米，功率密度放大倍数为8000。

可选地，在一些实施例中，所述放大器为波带片，所述波带片的最外层透射X射线圆环的直径与离开所述会聚器出口焦斑的X射线束的中空环状结构相匹配；波带片最外层透射X射线圆环的宽度范围1～200纳米；和/或，所述X射线探测器为空间分辨探测器，空间分辨范围为1～100微米，能量探测范围为9～100keV。

可选地，在一些实施例中，上述准单色光成像系统还可包括：分析终端，与所述探测器连接，用于对所述样品的成像信号进行纳米成像分析。

相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优点：

采用本发明实施例的技术方案后，本发明准单色光成像系统采用具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜，结合会聚器，使X射线从大焦斑光源出来后，被准单色器和毛细管X光会聚透镜会聚成第一准单色微焦斑，X射线离开该第一准单色微焦斑后，被会聚器再次会聚，得到直径更小的并且准单色X射线微焦斑，该第二准单色微焦斑照射在到样品上，样品对应的X射线成像信号经过放大器后到达探测器，从而基于低功率光源的高分辨和高效率的X射线纳米成像，降低高效纳米成像技术对X射线源功率的要求，实现利用低功率的光源进行高效纳米成像，同时降低准单色光成像系统的设备成本，使其便于推广。

另外，本发明实施例充分利用毛细管X光会聚透镜和会聚器的特点，采用共聚焦结构对设备的功能和寿命都有很大的改善，进而提高成像设备的成像分析效率。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的准单色光成像系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中毛细管X光会聚透镜的示意图；

图3为图2中毛细管X光会聚透镜沿垂直于其中心线的剖面示意图；

图4为本发明实施例中会聚器的结构及光路示意图；

图5为图4中会聚器沿垂直于其中心线的剖面示意图。

附图标记说明

1  X射线光源

2  准单色器

3  毛细管X光会聚透镜

4  第一准单色微焦斑

5  调节器

6  会聚器

7  第二准单色微焦斑

8  放大器

9  探测器

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为实现高效率的纳米成像，本发明实施例采用准单色器和毛细管X光会聚透镜会聚大焦斑光源的发散X光得到第一准单色微焦斑，在后续光路中，通过调节器和会聚器进一步会聚第一准单色的微焦斑得到更小的第二准单色微焦斑，该第二准单色微焦斑照射在样品上，从而实现高效率纳米成像。

下面结合附图，对本发明的各实施例作进一步说明：

参照图1，其示出了本实施例提出的一种准单色光成像系统的结构组成，该单色光成像系统包括：X射线光源1、准单色器2、毛细管X光会聚透镜3、调节器5、会聚器6、放大器8以及探测器9。

如图1所示，X射线光源1位于毛细管X光会聚透镜3的入口焦斑处。准单色器2设置在X射线光源1与毛细管X光会聚透镜3之间，近于毛细管X光会聚透镜3入口端。准单色器2用于对X射线进行单色，毛细管X光会聚透镜3用于收集并会聚X射线光源1发出的X射线束，毛细管X光会聚透镜3的出口焦斑处形成第一准单色微焦斑4。

其中，会聚器6的入口焦斑与毛细管X光会聚透镜3的第一准单色微焦斑4位置重合形成共聚焦结构，在会聚器6的出口焦斑形成第二准单色微焦斑7。会聚器6的出口焦斑处放置有样品，第二准单色微焦斑7投射至样品处。会聚器6的入口端处配置有调节器5，用于挡住入射或出射于会聚器6的中间部分X射线。放大器8设置于样品之后的光路上，用于会聚并放大样品的成像信号。探测器9设置在放大器8之后，用于探测并收集样品的成像信号。

本实施例中，X射线光源1、毛细管X射线平行束透镜3、会聚器6及放大器8共光轴设置，本实施例的光路系统中，可通过各自的调节架如五维调节架等调节相关部件至共光轴。

此外，会聚器6的入口端或出口端处配置有调节器5，用于挡住入射或出射于会聚器6的中间部分X射线，防止部分X射线没有通过反射而照射到会聚器6出口形成的微焦斑处，从而保证了会聚器6会聚焦斑的尺寸，同时也保证离开会聚器6出口焦斑的X射线光束的形状为中空的环状结构，以符合高空间分辨纳米成像的要求。其中，调节器5由重金属构成，如铅和钨等，它用于吸收入射或出射于会聚器6的中间部分X射线，以确保离开会聚器6出口焦斑的X射线光束的形状为中空的环状结构。

这样，X射线在会聚器6的凹面上发生X射线衍射，从而实现对X射线的单色和会聚。该会聚器6的入口焦斑和毛细管X光透镜的出口焦斑处在共聚焦状态。

因此，X射线从大焦斑光源出来后，被准单色器2和毛细管X光会聚透镜3会聚成第一准单色微焦斑，X射线离开该第一准单色微焦斑后，被会聚器6再次会聚，得到直径更小的并且准单色X射线微焦斑，该第二准单色微焦斑照射在到样品上，样品对应的X射线成像信号经过放大器8后到达探测器9，从而基于低功率光源的高分辨和高效率的X射线纳米成像。

上述实施例的准单色光成像系统中，采用具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜3会聚大焦斑光源得到第一准单色微焦斑，该第一准单色微焦斑再被会聚器6会聚得到用于纳米成像的更小的第二准单色微焦斑，因此实现了利用大焦斑光源进行高效纳米成像，给纳米成像领域将带来革命性的变革，解决了兼具微焦斑与高功率的光源难题。上述实施例采用具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜和会聚器，可降低高效高分辨纳米成像技术对微焦斑高功率光源的依赖，从而降低纳米成像设备的成本。另外，与现有的波带片会聚器件相比，毛细管X光会聚透镜和会聚器的会聚效率更高，且寿命更长，上述这些特点决定了基于毛细管X光会聚透镜和椭球形玻璃会聚器的准单色光成像系统造价低廉、寿命长和便于推广。此外，由于采用了准单色X光成像，所以该仪器成像效率高。

上述实施例中，X射线光源1为实验室普通X射线光管发射的X射线束，X射线光管的靶材为钼、银或钨中的任一种。可选的是，X射线光源的功率范围为1～1000瓦。上述实施例采用毛细管X光会聚透镜3和会聚器6能够降低高效纳米成像技术对X射线源功率的要求，使成像设备可以采用低功率光源实现高效的纳米X射线成像，解决高效高分辨纳米成像技术受微焦斑高功率光源限制的问题。

上述实施例中，为了得到符合纳米成像的单色光微焦斑，采用大焦斑X射线光源1、毛细管X光会聚透镜3、以及既具有会聚作用也具有单色作用的会聚器6，实现基于大焦斑较高功率光源进行高分辨高效纳米成像，这大大降低了高效和高分辨纳米成像技术对高功率微焦斑光源的依赖，从而降低纳米成像设备的成本，实现纳米成像设备的造价低廉，便于推广。

上述实施例中，准单色器2由金属材料制成，例如铝、铜、铁、钼和铌等。

上述毛细管X光会聚透镜3由单根单毛细管构成。或者，毛细管X光会聚透镜3由多根单毛细管构成。其中，单毛细管的材料为硅酸盐玻璃，X射线光子在单毛细管内壁发生全反射后，改变原来的传输方向，从而实现对X射线的会聚。

参照图2和图3，其分别示出了上述实施例中由多根单毛细管构成的毛细管X光会聚透镜3的结构。该毛细管X光会聚透镜3中，沿垂直于其中心线方向的截面可为正六边形，沿其长度方向上的截面可为空间椭球曲面段。

需要说明的是，毛细管X射线会聚透镜3由多根圆形的单毛细管构成，单毛细管的横截面的轮廓可为圆形。单毛细管紧密排列在一起，将毛细管X光会聚透镜3位于其中心位置的一根单毛细管A所在的层数定义为第一层，从内向外第n层中单毛细管的数目为6(n-1)，且n＞1。

如图2所示，毛细管X光会聚透镜3靠近X射线光源1的一端称之为入口端，另一端称之为出口端。毛细管X光会聚透镜3的几何参量有：入口焦距f₁(毛细管X射线会聚透镜的入口端到X射线源的距离)，出口焦距f₂(毛细管X射线会聚透镜的出口端到其出口焦斑处的距离)，细管X射线会聚透镜长度L，透镜入口端直径D_in、出口端直径D_out、最大尺寸直径/对边距D_max(对圆形细管X射线会聚透镜来讲D_max为其直径，对多边形细管X射线会聚透镜来讲D_max为其对边距离)。另外，毛细管X射线会聚透镜3的物理参量有：焦斑直径和功率密度增益，这里，焦斑直径的大小范围可为：1～200微米，功率密度增益的范围可为：10²～10⁵。

上述实施例中，毛细管X光会聚透镜3的长度L范围为3～10厘米，入口端直径D_in范围为1～30毫米，出口端直径D_out范围为1～10毫米。最大尺寸直径/对边距D_max的范围可为3～60毫米，入口焦距f₁的范围可为1～20厘米，出口焦距f₂的范围可为1～40毫米。

例如，毛细管X光会聚透镜3可以由500000根单毛细管紧密结合在一起构成，单毛细管额可以为圆形且内径大小相同。可选的是，毛细管X光会聚透镜3的长度L可为65毫米，入口端的直径D_in可为17毫米，出口端的直径D_out可为2毫米。在17.4keV能量点，透镜入口焦距f₁可为73毫米，出口焦距f₂可为13毫米，焦斑直径可为25微米，功率密度放大倍数可为8000。

又如，毛细管X光会聚透镜3可以由900000根单毛细管紧密结合在一起构成，毛细管X光会聚透镜3的长度L可为75毫米，入口端的直径D_in可为10毫米，出口端的直径D_out可为4毫米。在8keV能量点，透镜入口焦距f₁可为100毫米，出口焦距f₂可为18毫米，焦斑直径可为45微米，功率密度放大倍数可为4000。

因此，具有上述这些特点的毛细管X光会聚透镜3使基于低功率光源的高效X射线纳米成像成为可能。由于毛细管X光会聚透镜3可结合抛会聚器，提高第二准单色微焦斑处的功率密度增益，进而提高照射在样品上的X射线的光通量，从而降低高效纳米成像技术对X射线源功率的要求，使得成像设备可以采用低功率光源实现高效的纳米X射线成像成为现实。

参照图4和图5，分别示出了上述实施例中会聚器6的结构及光路布置方式，作为一种可选的实施方式，会聚器6可采用如图4所示的结构及光路布置方式。

如图4所示，会聚器6的几何参量有：长度G、入口焦距F、出口焦距f、入口端直径D及出口端直径d。其中，会聚器6的长度G的取值范围可为1～170毫米，入口焦距F的取值范围可为5～50毫米，出口焦距f的取值范围可为1～30毫米，入口端直径D的取值范围可为2～20毫米，出口端直径d的取值范围可为2～20毫米。

例如，如图5所示，会聚器6可为椭球形，其组成材料可为铅玻璃，椭球形铅玻璃会聚器6的长度G可为30毫米，入口直径D可为10毫米，出口直径d可为12毫米。会聚器6的入口焦距F和出口焦距f分别为30毫米和9毫米。

需要说明的是，X射线在会聚器6的内表面发生反射，从而改变了传播方向而被会聚。会聚器6沿其中心线中心对称，并在沿其中心对称线方向上的截面为旋转椭球面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形。

上述各实施例中，作为一种可选的实施方式，放大器8为波带片，波带片的最外层透射X射线圆环的直径与离开会聚器出口焦斑的X射线束的中空环状结构相匹配，以提高X射线成像分辨率。可选的是，波带片最外层透射X射线圆环的宽度范围为1～200纳米。例如，波带片最外层透射X射线圆环的宽度可为30纳米，这可便于提高X射线成像分辨率。

上述各实施例中，作为一种可选的实施方式，X射线探测器9为空间分辨探测器，空间分辨范围可为1～100微米，能量探测范围可为9～100keV。

基于前述各实施例，作为一种可选的实施方式，上述准单色光成像系统还可包括分析终端，该分析终端与探测器9连接，用于对样品的成像信号进行成像分析。

这样，X射线光源1发出的X射线束被准单色器2和毛细管X光会聚透镜3准单色和会聚，从毛细管X光会聚透镜3出射的X射线形成第一准单色微焦斑4。会聚器6的入口焦斑和毛细管X光会聚透镜的第一准单色微焦斑4重合，形成共聚焦结构，会聚器6的出口焦斑处形成第二准单色微焦斑7，样品放在第二准单色微焦斑7处，样品对应的成像信号被放大器8会聚放大后到达探测器9而被探测，从而实现高效纳米成像。分析终端对样品的纳米成像信号进行后续分析，用于以高空间分辨率对生物、医学、环境、食品、能源和国防等领域的样品进行高效的纳米成像分析。

基于上述各实施例，与现有技术相比，本发明各实施例具有如下优点：

本发明实施例基于毛细管X光会聚透镜和会聚器的准单色光成像系统中，由于毛细管X光会聚透镜具有高功率密度增益实现对X射线会聚，能降低高分辨高效率纳米成像技术对微焦斑高功率的X射线光源的依赖。并且，由于本发明实施例准单色光成像系统采用的是低功率的大焦斑光源，成本也随之降低，便于推广。

同时，本发明实施例充分利用毛细管X光会聚透镜和会聚器的特点，采用共聚焦结构使得该设备的功能和寿命都有很大的改善，进而提高成像设备的成像分析效率，实现利用低功率的光源进行高效纳米成像。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种准单色光成像系统，其特征在于，包括：X射线光源(1)、准单色器(2)、毛细管X光会聚透镜(3)、会聚器(6)、放大器(8)及探测器(9)；其中：

所述X射线光源(1)设置在所述毛细管X光会聚透镜(3)的入口焦斑处，所述准单色器(2)设置在所述X射线光源(1)与所述毛细管X光会聚透镜(3)之间，近于所述毛细管X光会聚透镜(3)入口端；所述毛细管X光会聚透镜(3)的出口焦斑处形成第一准单色微焦斑(4)；

所述会聚器(6)的入口焦斑与所述毛细管X光会聚透镜(3)的出口焦斑形成共聚焦结构，所述会聚器(6)的出口焦斑处形成第二准单色微焦斑(7)；所述会聚器(6)的出口焦斑处放置有样品；所述会聚器(6)的入口端处配置有所述调节器(5)，用于挡住入射或出射于所述会聚器(6)的中间部分X射线；

所述放大器(8)设置于所述样品之后的光路上，用于会聚并放大所述样品的成像信号；所述探测器(9)设置在所述放大器(8)之后，用于探测并收集所述样品的成像信号。

2.根据权利要求1所述的准单色光成像系统，其特征在于：

所述X射线光源(1)为X射线光管发射的X射线束，所述X射线光管的靶材为钼、银或钨中的一种；和/或，

所述X射线光源(1)的功率范围为1～1000瓦。

3.根据权利要求2所述的准单色光成像系统，其特征在于：

所述毛细管X光会聚透镜(3)为X射线会聚透镜；

所述毛细管X光会聚透镜(3)由单根单毛细管构成；或者，所述毛细管X光会聚透镜(3)由多根单毛细管构成，沿垂直于其中心线方向的横截面为正六边形，沿其长度方向上的截面空间椭球曲面段。

4.根据权利要求3所述的准单色光成像系统，其特征在于：

所述毛细管X光会聚透镜(3)中位于其中心位置的一根单毛细管所在的层数定义为第一层，从内向外第n层中单毛细管的数目为6(n-1)，且n＞1；和/或，

所述毛细管X光会聚透镜(3)的长度范围为3～10厘米，入口端直径范围为1～30毫米，出口端直径范围为1～10毫米，入口焦距f₁的范围为1～20厘米，出口焦距f₂的范围为1～40毫米。

5.根据权利要求1至4任一项所述的准单色光成像系统，其特征在于，所述会聚器(6)为椭球形，在沿其中心对称线方向上的截面为旋转椭球面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形；

其中，所述会聚器(6)的长度范围为1～170毫米，入口焦距F的取值范围为5～50毫米，出口焦距f的取值范围为1～30毫米，入口端直径D的取值范围为2～20毫米，出口端直径d的取值范围为2～20毫米。

6.根据权利要求5所述的准单色光成像系统，其特征在于：

所述准单色器(2)的制作材料为金属材料；和/或，

所述会聚器(6)的制作材料为铅玻璃。

7.根据权利要求6所述的准单色光成像系统，其特征在于，所述会聚器(6)的长度为30毫米，入口直径为10毫米，出口直径为12毫米，入口焦距为30毫米，出口焦距为9毫米。

8.根据权利要求1至7任一项所述的准单色光成像系统，其特征在于，所述毛细管X光会聚透镜(3)的长度L为65毫米，入口端的直径D_in为17毫米，出口端的直径D_out为2毫米；

其中，在17.4keV能量点，所述毛细管X光会聚透镜(3)的入口焦距f₁为73毫米，出口焦距f₂为13毫米，焦斑直径为25微米，功率密度放大倍数为8000。

9.根据权利要求8所述的准单色光成像系统，其特征在于：

所述放大器(8)为波带片，所述波带片的最外层透射X射线圆环的直径与离开所述会聚器(6)出口焦斑的X射线束的中空环状结构相匹配；波带片最外层透射X射线圆环的宽度范围1～200纳米；和/或，

所述X射线探测器(9)为空间分辨探测器，空间分辨范围为1～100微米，能量探测范围为9～100keV。

10.根据权利要求1至9任一项所述的准单色光成像系统，其特征在于，还包括：分析终端，与所述探测器(9)连接，用于对所述样品的成像信号进行纳米成像分析。