CN104502376A - X射线纳米成像设备及成像分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线纳米成像设备及成像分析系统，该X射线纳米成像设备包括：X射线光源；毛细管X射线平行束透镜，其入口焦距处设置有X射线光源；单色器，与毛细管X射线平行束透镜出口方向成角度设置，用于将自毛细管X射线平行束透镜出来的平行X射线束变为单色平行X射线束；聚焦器，设置在单色平行X射线束的光线方向上，用于会聚单色平行X射线束形成微焦斑，并投射至样品处；聚焦器的入口端或出口端设置有调节器，用于挡住中间部分的X射线；放大器，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，设置在放大器之后，用于探测并收集样品的成像信号。因此，实施本发明能够实现高效纳米成像的同时降低成本。

Description

X射线纳米成像设备及成像分析系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种X射线纳米成像设备及成像分析系统。

背景技术

目前，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，可以通过单色器将同步辐射光单色化。

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X射线纳米成像设备，能够实现高效纳米成像的同时降低成本。

进一步来讲，该X射线纳米成像设备包括：X射线光源；毛细管X射线平行束透镜，其入口焦距处设置有X射线光源；单色器，与毛细管X射线平行束透镜出口方向成角度设置，用于将自毛细管X射线平行束透镜出来的平行X射线束变为单色平行X射线束；聚焦器，设置在单色平行X射线束的光线方向上，用于会聚单色平行X射线束形成微焦斑，并投射至样品处；其中，聚焦器的入口端或出口端设置有调节器，用于挡住入射至或出射于聚焦器的中间部分X射线；放大器，设置在样品之后的光路上，用于会聚并放大样品的成像信号；探测器，设置在放大器之后，用于探测并收集样品的成像信号。

可选地，在一些实施例中，X射线光源为普通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；和/或，X射线光源的功率范围为1～4000瓦。

可选地，在一些实施例中，毛细管X射线平行束透镜由单根单毛细管构成；或者，毛细管X射线平行束透镜由若干根单毛细管构成，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为空间抛物面面段；其中，将毛细管X射线平行束透镜中间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。

可选地，在一些实施例中，毛细管X射线平行束透镜的长度范围为3～15厘米，入口端直径范围为1～8毫米，出口端直径范围为10～60毫米。

可选地，在一些实施例中，聚焦器为抛物面形聚焦器，在沿其中心对称线方向上的截面为旋转抛物面面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形；或者，聚焦器为锥形聚焦器，在沿其中心对称线方向上的截面为锥体面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形。

可选地，在一些实施例中，聚焦器由硅酸盐玻璃拉制而成的单根毛细管，单根毛细管沿其中心线中心对称；聚焦器的长度G的取值范围为1～15厘米，出口焦距f的取值范围为1～500毫米。

可选地，在一些实施例中，抛物面形聚焦器的长度为3.6厘米，入口直径为4厘米，出口直径为1.5厘米；焦斑直径和放大倍数分别为22微米和2300；锥形聚焦器的长度为3.2厘米，入口直径为3厘米，出口直径为1厘米；焦斑直径和放大倍数分别为20微米和2000。

可选地，在一些实施例中，放大器为波带片，波带片的最外层透射X射线圆环的直径与离开聚焦器所形成微焦斑的X射线束的中空环状结构相匹配；其中，波带片最外层透射X射线圆环的宽度范围为1～300纳米。

可选地，在一些实施例中，单色器为晶体，晶体的材料为硅、锗或氟化锂中的任一种；和/或，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10～85keV。

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，X射线纳米成像设备通过高功率密度增益的毛细管X射线平行束透镜，收集X射线光源发出的X射线束，并会聚X射线束得到平行X射线束，并结合单色器及聚焦器提高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，获取适合高效纳米成像的单色光，所形成的单色微焦斑照射在样品上，样品生成的成像信号被放大器会聚放大后到达探测器而被探测，从而实现基于低功率光源的高效X射线纳米成像。并且，基于毛细管X射线平行束透镜和抛物面形或者锥形聚焦器的成像设备造价低廉，使得纳米成像的成本降低，便于推广。

基于前述方案，本发明提出一种成像分析系统，提高成像设备的成像分析效率。进一步来讲，该成像分析系统设置有前述任一种的X射线纳米成像设备及分析终端，分析终端与探测器连接，用于对样品的成像信号进行成像分析。由于上述任一种X射线纳米成像设备具有上述技术效果，因此，设有该X射线纳米成像设备的成像分析系统也应具备相应的技术效果，兹不赘述。

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为本发明实施例的成像设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中毛细管X射线平行束透镜的示意图；

图3为图2中毛细管X射线平行束透镜沿垂直于其中心线的剖面示意图；

图4为本发明实施例中抛物面形聚焦器的结构及光路示意图；

图5为本发明实施例中锥形聚焦器的结构及光路示意图；

图6为本发明实施例中抛物面形聚焦器或者锥形聚焦器沿垂直于其中心线的剖面示意图；

图7为本发明实施例中成像分析系统的组成示意图。

附图标记说明

1    X射线光源

2    X射线束

3    毛细管X射线平行束透镜

4    平行X射线束

5    单色器

6    单色平行X射线束

7    调节器

8    聚焦器

9    样品

10   放大器

11   探测器

12   分析终端

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。

下面结合附图，对本发明的各实施例作进一步说明：

由于实验室普通X光源的功率低，如何利用这些功率低的光源得到满足高效纳米成像的单色光则成为本领域的技术难题，本发明的发明人长期致力于开发基于实验室普通X光源的高效纳米成像技术，最终得以突破并提出以下技术方案：

成像设备实施例

参照图1，其示出了本实施例提出的任一种X射线纳米成像设备的结构组成，该X射线纳米成像设备包括：X射线光源1、毛细管X射线平行束透镜3、单色器5、调节器7、聚焦器8、放大器10、以及探测器11。

如图1所示，X射线光源1位于毛细管X射线平行束透镜3的入口焦距处。单色器5设置在毛细管X射线平行束透镜3出口方向上，与出口方向成角度设置，用于将自毛细管X射线平行束透镜3出来的平行X射线束4变为单色平行X射线束6。

聚焦器8设置在单色平行X射线束6的光线方向上，用于会聚单色平行X射线束6形成微焦斑，并投射至样品9处。聚焦器8的入口端或出口端设置有调节器7，用于挡住进入或者出射于聚焦器8的中间部分的X射线，使离开聚焦器8所形成的微焦斑的X射线光束的形状为中空的环状结构。其中，调节器7可以采用高原子序数的金属材料，如铅和钨等，它可以吸收进入或者出射会聚器8的中间部分的X射线，确保离开聚焦器8所形成的微焦斑的X射线光束的形状为中空的环状结构。

放大器10设置于样品9之后的光路上，用于会聚并放大样品9的成像信号。探测器11设置在放大器10之后，用于探测并收集样品9的成像信号。

这样，上述实施例的X射线纳米成像设备采用高功率密度增益的毛细管X射线平行束透镜3，X射线光源1发出的X射线束2被毛细管X光平行透镜3收集，毛细管X射线平行束透镜3收集实验室普通光源的发散X射线束2得到平行X射线束4，并结合单色器5及聚焦器8提高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，得到适合高效纳米成像的单色光，即平行X射线束4被单色器5单色后得到单色平行X射线束6，单色平行X射线束6通过聚焦器8会聚为微焦斑，样品9放在该微焦斑处，该单色微焦斑照射在样品9上，样品9对应的成像信号被放大器10会聚放大后到达探测器11而被探测，从而实现基于低功率光源的高效X射线纳米成像。

需要指出的是，利用X射线纳米成像设备能够以高空间分辨率对材料、生物、医学、食品和环境样品等进行高效成像分析。

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1～4000瓦。因此，上述实施例采用毛细管X射线平行束透镜3和聚焦器8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。

这里，X射线光源1为普通光源，相对同步辐射等体积庞大、造价昂贵且数量有限的光源而言，具有体积小、造价低廉、应用广泛等特点，这些特点使得X射线纳米成像设备的成本也随之降低，且便于推广使用。

上述毛细管X射线平行束透镜3由单根单毛细管构成。或者，毛细管X射线平行束透镜3由若干根单毛细管构成。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射线的会聚准直。

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射线平行束透镜3的结构。该毛细管X射线平行束透镜3中，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为空间抛物面面段。其中，将毛细管X射线平行束透镜3中间一根单毛细管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射线平行束透镜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射线平行束透镜3的几何参量有：入口焦距f₁(透镜的入口端到X射线源的距离)，毛细管X射线平行束透镜3的长度L、透镜入口端直径D_in、出口端直径D_out、毛细管X射线平行束透镜3的物理参量有：传输效率。

上述实施例中，毛细管X射线平行束透镜3的长度L范围可为3～15厘米，入口端直径D_in范围可为1～8毫米，出口端直径D_out范围可为10～60毫米。

例如，毛细管X射线平行束透镜3可以由600000根单毛细管紧密结合在一起构成，毛细管X射线平行束透镜3的长度L可为4.5厘米，透镜的入口焦距f₁(或者说，毛细管X射线会聚透镜3的入口端到X射线源1的距离)可为60厘米、入口端和出口端的直径可分别为5毫米和40毫米。其中，在17.4keV能量点，透镜传输效率为30％。可选的是，单毛细管的横截面可以为圆形，单毛细管的内径大小可以相同，当然也可以不同，此处不作限制。

又如，毛细管X射线平行束透镜3可以由200000根单毛细管紧密结合在一起构成，毛细管X射线平行束透镜3的长度可为10厘米，透镜的入口焦距f₁可为30厘米、入口端和出口端的直径可分别为2毫米和20毫米。其中，在8keV能量点，透镜传输效率为40％。

因此，具有上述这些特点的毛细管X射线平行束透镜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射线平行束透镜3可结合抛物面形或者锥形聚焦器，提高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。

下面参照图4至图6，基于上述各实施例，对聚焦器8作进一步说明：

上述各实施例中，作为一种可选的实施方式，聚焦器8可采用如图4至图6所示的结构及光路布置方式。其中，聚焦器8的入口端处配置有调节器7，用于防止部分X射线没有通过反射而照射到聚焦器8出口形成的微焦斑处，从而保证了聚焦器会聚焦斑的尺寸，同时也保证了离开聚焦器出口焦斑的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，聚焦器8可以为由硅酸盐玻璃拉制而成的单根毛细管，X射线在聚焦器的内表面发生反射，实现对X射线的会聚。该类聚焦器(单根毛细管)沿其中心线中心对称。可选地，聚焦器8的长度范围G可为1～15厘米，出口焦距f的取值范围可为：1～500毫米。聚焦器8在沿其中心对称线方向上的截面为旋转抛物面面段或者锥体面段，现分别说明如下：

1)抛物面形聚焦器

如图4所示，作为一种可选的实施方式，上述聚焦器8可为抛物面形聚焦器，在沿其中心对称线方向上的截面为旋转抛物面面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形(如图6所示)。

例如，抛物面形聚焦器的几何参数包括：长度G为3.6厘米，入口直径D为4厘米，出口直径d为1.5厘米，出口焦距f的取值范围可为：1～500毫米；抛物面形聚焦器的物理参量包括：焦斑直径和放大倍数，分别为22微米和2300。

2)锥形聚焦器

如图5所示，作为一种可选的实施方式，上述聚焦器8可为锥形聚焦器，在沿其中心对称线方向上的截面为锥体面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形(如图6所示)。

例如，锥形聚焦器的几何参数包括：长度G为3.2厘米，入口直径D为3厘米，出口直径d为1厘米，出口焦距f的取值范围可为：1～500毫米；锥形聚焦器物理参量包括：焦斑直径和放大倍数，分别为20微米和2000。

上述各实施例中，采用具有高功率密度增益的毛细管X射线平行束透镜，结合抛物面形或者锥形聚焦器，来基于实验室普通X光源获取适合高效纳米成像的单色光，从而降低了高效纳米成像技术对X射线源功率的要求，实现基于低功率光源的高效X射线纳米成像。并且，通过提高单色微焦斑处的功率密度增益来提高照射在样品上的X射线的光通量，进而提高成像设备的成像分析效率。上述这些特点决定了基于毛细管X射线平行束透镜和抛物面形或者锥形聚焦器的成像设备造价低廉，便于推广。

上述各实施例中，作为一种可选的实施方式，单色器5为晶体，晶体的材料为硅、锗或氟化锂中的任一种。

上述各实施例中，作为一种可选的实施方式，放大器10为波带片，波带片的最外层透射X射线圆环的直径与离开抛物面形或锥形聚焦器出口所形成微焦斑(出口焦斑)的X射线束的中空环状结构相匹配，以优化X射线的成像分辨率。波带片最外层透射X射线圆环的宽度范围为1～300纳米，例如，波带片最外层透射X射线圆环的宽度可为20纳米。

上述各实施例中，作为一种可选的实施方式，X射线探测器11可为空间分辨探测器，可用于输出检测到的样品所成的图像，空间分辨范围为1～100微米，能量探测范围为10～85keV。

综上，上述各实施例采用具有高功率密度增益的毛细管X射线平行束透镜，结合单色器及聚焦器，实现基于实验室普通X光源获取适合高效纳米成像的单色光，降低高效纳米成像技术对X射线源功率的要求，同时降低纳米成像系统的设备成本，使其便于推广。

成像分析系统实施例

参照图7，其示出了本实施例的成像分析系统，该成像分析系统设置有前述各实施例提出的任一种X射线纳米成像设备、以及分析终端12，该分析终端12与探测器11连接，用于接收X射线探测器11输出的样品所成的图像信号，并对样品9的成像信号进行成像分析。

上述各实施例采用高功率密度增益的毛细管X射线平行束透镜和抛物面形或者锥形聚焦器，采用实验室普通X光源，实现基于低功率光源的高效X射线纳米成像，因此，利用上述成像分析系统可以高空间分辨地对材料、生物、医学、食品和环境样品进行高效成像分析。

基于上述各实施例，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

相对于现有的纳米成像装置，本发明各实施例基于毛细管X射线平行束透镜和抛物面形或者锥形聚焦器的X射线纳米成像设备，能从实验室普通X光源中获取适合高效纳米成像的单色光，降低高分辨高效率纳米成像技术对光源功率的要求，从而其成本也随之降低，便于推广。

同时，本发明各实施例充分利用毛细管X射线平行束透镜和抛物面形或者锥形聚焦器的特点，提高照射在样品上的X射线的光通量，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X射线纳米成像设备，其特征在于，包括：

X射线光源(1)；

毛细管X射线平行束透镜(3)，其入口焦距处设置有所述X射线光源(1)；

单色器(5)，与所述毛细管X射线平行束透镜(3)出口方向成角度设置，用于将自所述毛细管X射线平行束透镜(3)出来的平行X射线束(4)变为单色平行X射线束(6)；

聚焦器(8)，设置在所述单色平行X射线束(6)的光线方向上，用于会聚所述单色平行X射线束(6)形成微焦斑，并投射至所述样品(9)处；其中，所述聚焦器(8)的入口端或出口端设置有调节器(7)，用于挡住入射至或出射于所述聚焦器(8)的中间部分X射线；

放大器(10)，设置于所述样品(9)之后的光路上，用于会聚并放大所述样品(9)的成像信号；

探测器(11)，设置在所述放大器(10)之后，用于探测并收集所述样品(9)的成像信号。

2.根据权利要求1所述的X射线纳米成像设备，其特征在于：

所述X射线光源(1)为普通X射线光管发射的X射线束，所述X射线光管的靶材为钼、银或钨中的任一种；和/或，

所述X射线光源(1)的功率范围为1～4000瓦。

3.根据权利要求2所述的X射线纳米成像设备，其特征在于：

所述毛细管X射线平行束透镜(3)由单根单毛细管构成；或者，

所述毛细管X射线平行束透镜(3)由若干根单毛细管构成，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为空间抛物面面段；其中，所述毛细管X射线平行束透镜(3)位于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。

4.根据权利要求3所述的X射线纳米成像设备，其特征在于，所述毛细管X射线平行束透镜(3)的长度范围为3～15厘米，入口端直径范围为1～8毫米，出口端直径范围为10～60毫米。

5.根据权利要求1至4任一项所述的X射线纳米成像设备，其特征在于：

所述聚焦器(8)为抛物面形聚焦器，在沿其中心对称线方向上的截面为旋转抛物面面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形；或者，

所述聚焦器(8)为锥形聚焦器，在沿其中心对称线方向上的截面为锥体面段，沿垂直于其中心线方向的截面为圆形。

6.根据权利要求5所述的X射线纳米成像设备，其特征在于，所述聚焦器(8)由硅酸盐玻璃拉制而成的单根毛细管，所述单根毛细管沿其中心线中心对称；所述聚焦器(8)的长度G的取值范围为1～15厘米，出口焦距f的取值范围为1～500毫米。

7.根据权利要求6所述的X射线纳米成像设备，其特征在于：

所述抛物面形聚焦器的长度为3.6厘米，入口直径为4厘米，出口直径为1.5厘米；焦斑直径和放大倍数分别为22微米和2300；

所述锥形聚焦器的长度为3.2厘米，入口直径为3厘米，出口直径为1厘米；焦斑直径和放大倍数分别为20微米和2000。

8.根据权利要求1至7任一项所述的X射线纳米成像设备，其特征在于，所述放大器(10)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聚焦器(8)形成的微焦斑的X射线束的中空环状结构相匹配；

其中，波带片最外层透射X射线圆环的宽度范围为1～300纳米。

9.根据权利要求8所述的X射线纳米成像设备，其特征在于：

所述单色器(5)为晶体，所述晶体的材料为硅、锗或氟化锂中的任一种；和/或，

所述X射线探测器(11)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10～85keV。

10.一种成像分析系统，其特征在于，设置有权利要求1至9任一项所述的X射线纳米成像设备及分析终端(12)，所述分析终端(12)与所述探测器(11)连接，用于对所述样品(9)的成像信号进行成像分析。