CN104681118B - 一种焦斑可调的二维x射线平面组合折射透镜 - Google Patents

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Abstract

一种焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，包括二维透镜装配架，一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜，所述二维透镜装配架包括抛物面型前端、抛物面型后端、顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔等间隔交替排列的，所述抛物面型前端和抛物面型后端具有相同的抛物面面型结构参数，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔具有相同的边长，且相互之间装配孔光轴正交。本发明提供一种可以根据实际的光源情况、实验环境和研究需求而灵活地调节垂直方向和水平方向的焦斑尺寸，进而获得良好的二维焦斑形状和焦斑深度的二维聚焦X射线组合折射透镜。

Description

一种焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜
技术领域
本发明涉及一种新型的X射线微结构光学器件，即：一种聚焦焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜的设计方法和器件结构，适用于硬X射线光束聚焦领域。
背景技术
自1996年，欧洲同步辐射中心的Snigirev等人首次设计和实现X射线组合折射透镜，并利用其完成对光子能量为8KeV的X射线线束聚焦后，国内外科研人员针对X射线组合折射透镜已经进行了接近20年的研究。与K-B镜、波带片、多层膜镜片等X射线聚焦光学器件相比，X射线组合折射透镜具有结构紧凑、易校准、相干性保持等优点，特别适用于硬X射线光束聚焦。目前，X射线组合折射透镜已经成为了第三代同步辐射线束上的标准X射线光学器件之一，并且在世界上的绝大多数同步辐射线束上得到了广泛的应用。以X射线组合折射透镜为核心光学器件的X射线无损探测与成像系统，如X射线显微镜、X射线荧光谱仪、X射线衍射仪等，得到了长足的发展和性能提升。
按照焦斑类型分类，X射线组合折射透镜可以分为一维聚焦X射线组合折射透镜和二维聚焦X射线组合折射透镜。其中，一维聚焦X射线组合折射透镜只能对入射X射线光束进行一维聚焦，其焦斑为线状。二维聚焦X射线组合折射透镜可以对入射X射线光束进行二维聚焦，其焦斑为点状。因此，对于X射线无损探测与成像系统而言，二维聚焦X射线组合折射透镜是一种实用器件，且其焦斑性能直接影响系统分辨率。目前，代表性的二维聚焦X射线组合折射透镜主要有：1)正交结构型二维聚焦X射线组合透镜(专利申请号：CN200810059017)，这种透镜将一个一级X射线组合透镜(实现垂直方向聚焦)与一个二级X射线组合透镜(实现水平方向聚焦)正交布置，以达到二维聚焦的目的；2)镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜(专利申请号：CN201110039806)和抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜(专利申请号：CN201110062978)，这两种透镜均通过在母镜体上交替镶嵌子镜，由母镜和子镜交替正交排列，以实现对入射X射线的二维聚焦。
然而，虽然目前已经具有了较好的实现二维聚焦X射线组合折射透镜的技术方案，但是在实际应用中依然存在两个技术难题。1)由于同步辐射光源以及器件制作工艺误差的影响，制作成型的二维聚焦X射线组合折射透镜的焦斑形状一般为椭圆形，而不是较理想的圆形；2)二维聚焦X射线组合折射透镜的焦斑尺寸和焦斑深度无法随着不同的应用需求而做相应地调整。
发明内容
为了克服现有的二维聚焦X射线组合折射透镜在焦斑形状、焦斑尺寸和焦斑深度等性能指标缺乏调节性的缺点，本发明提供一种可以根据实际的光源情况、实验环境和研究需求而灵活地调节垂直方向和水平方向的焦斑尺寸，进而获得良好的二维焦斑形状和焦斑深度的二维聚焦X射线组合折射透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，包括二维透镜装配架，一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜，所述二维透镜装配架包括抛物面型前端、抛物面型后端、顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔等间隔交替排列的，所述抛物面型前端和抛物面型后端具有相同的抛物面面型结构参数，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔具有相同的边长，且相互之间装配孔光轴正交；
所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成，通过顶部正方形装配孔装配于二维透镜装配架；所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成，通过侧面正方形装配孔装配于二维透镜装配架；所述顶部正方形装配孔数量大于或者等于一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量，所述侧面正方形装配孔数量大于或者等于一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量。
进一步，所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面顶点曲率半径Rh和抛物面型双凹折射单元数量Nh需满足公式(1)，
公式(1)中，Bh表示焦斑的水平尺寸，L1表示同步辐射光源到二维X射线平面组合折射透镜的距离，L2表示二维X射线平面组合折射透镜到焦斑的距离，dh表示同步辐射光源出射X射线光束的水平尺寸，λ表示同步辐射光源出射X射线波长，μ表示透镜材料对当前波长为λ的X射线的吸收系数。
再进一步，所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面顶点曲率半径Rv和抛物面型双凹折射单元数量Nv需满足公式(2)：
公式(2)中，Bv表示焦斑的垂直尺寸，L1表示同步辐射光源到二维X射线平面组合折射透镜的距离，L2表示二维X射线平面组合折射透镜到焦斑的距离，dv表示同步辐射光源出射X射线光束的垂直尺寸，λ表示同步辐射光源出射X射线波长，μ表示透镜材料对当前波长为λ的X射线的吸收系数。
进一步，所述二维透镜装配架的抛物面型前端和抛物面型后端的抛物面面型结构参数与一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面面型结构参数，以及一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面面型结构参数相同。也可以根据不同的应用场合选择不同。
进一步，所述二维透镜装配架的顶部正方形装配孔数量和侧面正方形装配孔数量相同，也可以根据不同的应用场合选择不同。
本发明的技术构思为：所述二维透镜装配架在顶部和侧面具有交替排列的正交正方形装配孔，这些装配孔只用于固定一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜，而不改变入射的X射线光束的光学性能。一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜具有独立结构参数和数量的抛物面型双凹折射单元，用于实现对入射的X射线光束的水平聚焦。并且，通过改变抛物面顶点曲率半径Rh和抛物面型双凹折射单元数量Nh，可以调整焦斑的水平尺寸Bh。一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜具有独立结构参数和数量的抛物面型双凹折射单元，用于实现对入射的X射线光束的垂直聚焦。并且，通过改变抛物面顶点曲率半径Rv和抛物面型双凹折射单元数量Nv，可以调整焦斑的垂直尺寸Bv。一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜共同完成对入射X射线光束的二维聚焦。
本发明的有益效果主要表现在：(1)可根据实际的光源情况、实验环境和研究需求，独立地分别地设计一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面面型结构参数和数量。(2)二维透镜装配架、一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜均可以采用LIGA技术或者UV-LIGA技术制作，相关工艺成熟，成本低廉，器件成型效果好。(3)二维聚焦X射线组合折射透镜的调试和操作简便，无需反复地进行光轴校准。(4)可根据实际测试结果灵活地对不同抛物面面型结构参数和数量的一维聚焦X射线平面组合折射透镜进行组合调试，易于得到较理想的焦斑形状和焦斑尺寸。
附图说明
图1是二维透镜装配架的结构示意图。
图2是二维透镜装配架的俯视图。
图3是二维透镜装配架的正视图。
图4是一维水平(或垂直)聚焦X射线平面组合折射透镜的结构示意图。
图5是一维水平(或垂直)聚焦X射线平面组合折射透镜的俯视图。
图6是一维水平(或垂直)聚焦X射线平面组合折射透镜的正视图。
其中，O表示坐标原点，x，y和z分别表示坐标轴，1，3和N表示侧面正方形装配孔编号，2，N-1表示顶部正方形装配孔编号，1，2和M表示抛物面型双凹折射单元编号。
具体实施方式
下面结合附图对本方面作进一步描述。
参照图1～图6，一种焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，包括二维透镜装配架，一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜，所述二维透镜装配架包括抛物面型前端、抛物面型后端、顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔等间隔交替排列的，所述抛物面型前端和抛物面型后端具有相同的抛物面面型结构参数，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔具有相同的边长，且相互之间装配孔光轴正交；
所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成，通过顶部正方形装配孔装配于二维透镜装配架；所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成，通过侧面正方形装配孔装配于二维透镜装配架；所述顶部正方形装配孔数量大于或者等于一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量，所述侧面正方形装配孔数量大于或者等于一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量。
如图1～图3所示，所述二维透镜装配架由抛物面型前端、抛物面型后端、等间隔交替排列的顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔组成。所述抛物面型前端和抛物面型后端具有相同的抛物面面型结构参数。所述抛物面型前端和抛物面型后端的抛物面顶点曲率半径为R，最大开口尺寸为l1+2d，抛物面最大深度为w1。其中，w1＝(d+0.5l1)2/2R。所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔具有相同的边长l1，且装配孔光轴正交。所述抛物面型前端、顶部正方形装配孔、侧面正方形装配孔和抛物面型后端的间距均为d。
参照图4～图6，所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成。所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜通过顶部正方形装配孔装配于二维透镜装配架。所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面顶点曲率半径Rh和抛物面型双凹折射单元数量Nh需满足公式(1)，
公式(1)中，Bh表示焦斑的水平尺寸，L1表示同步辐射光源到二维X射线平面组合折射透镜的距离，L2表示二维X射线平面组合折射透镜到焦斑的距离，dh表示同步辐射光源出射X射线光束的水平尺寸，λ表示同步辐射光源出射X射线波长，μ表示透镜材料对当前波长为λ的X射线的吸收系数。
所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成。所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜通过侧面正方形装配孔装配于二维透镜装配架。所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面顶点曲率半径Rv和抛物面型双凹折射单元数量Nv需满足公式(2)：
公式(2)中，Bv表示焦斑的垂直尺寸，L1表示同步辐射光源到二维X射线平面组合折射透镜的距离，L2表示二维X射线平面组合折射透镜到焦斑的距离，dv表示同步辐射光源出射X射线光束的垂直尺寸，λ表示同步辐射光源出射X射线波长，μ表示透镜材料对当前波长为λ的X射线的吸收系数。
所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜或者一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面最大深度为w2。对于一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜，w2＝(0.5l1-d)2/2Rh+0.5d。对于一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜，w2＝(0.5l1-d)2/2Rv+0.5d。
所述二维透镜装配架的抛物面型前端和抛物面型后端的抛物面面型结构参数与一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面面型结构参数，以及一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面面型结构参数可以相同或者不同。
所述二维透镜装配架的顶部正方形装配孔数量和侧面正方形装配孔数量可以相同或者不同，顶部正方形装配孔数量大于或者等于一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量，侧面正方形装配孔数量大于或者等于一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量。

Claims (5)

1.一种焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，其特征在于：包括二维透镜装配架，一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜和一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜，所述二维透镜装配架包括抛物面型前端、抛物面型后端、顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔等间隔交替排列的，所述抛物面型前端和抛物面型后端具有相同的抛物面面型结构参数，所述顶部正方形装配孔和侧面正方形装配孔具有相同的边长，且相互之间装配孔光轴正交；
所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成，通过顶部正方形装配孔装配于二维透镜装配架；所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜由基底和等间隔排列的抛物面型双凹折射单元组成，通过侧面正方形装配孔装配于二维透镜装配架；所述顶部正方形装配孔数量大于或者等于一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量，所述侧面正方形装配孔数量大于或者等于一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元数量。
2.如权利要求1所述的焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，其特征在于：所述一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面顶点曲率半径Rh和抛物面型双凹折射单元数量Nh需满足公式(1)，
B h 2 = L 2 2 L 1 2 · d h 2 + 0.07 · λ 2 · L 2 2 · μ · N h R h - - - ( 1 )
公式(1)中，Bh表示焦斑的水平尺寸，L1表示同步辐射光源到二维X射线平面组合折射透镜的距离，L2表示二维X射线平面组合折射透镜到焦斑的距离，dh表示同步辐射光源出射X射线光束的水平尺寸，λ表示同步辐射光源出射X射线波长，μ表示透镜材料对当前波长为λ的X射线的吸收系数。
3.如权利要求1或2所述的焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，其特征在于：所述一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面顶点曲率半径Rv和抛物面型双凹折射单元数量Nv需满足公式(2)：
B v 2 = L 2 2 L 1 2 · d v 2 + 0.07 · λ 2 · L 2 2 · μ · N v R v - - - ( 2 )
公式(2)中，Bv表示焦斑的垂直尺寸，L1表示同步辐射光源到二维X射线平面组合折射透镜的距离，L2表示二维X射线平面组合折射透镜到焦斑的距离，dv表示同步辐射光源出射X射线光束的垂直尺寸，λ表示同步辐射光源出射X射线波长，μ表示透镜材料对当前波长为λ的X射线的吸收系数。
4.如权利要求1或2所述的焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，其特征在于：所述二维透镜装配架的抛物面型前端和抛物面型后端的抛物面面型结构参数与一维水平聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面面型结构参数，以及一维垂直聚焦X射线平面组合折射透镜的抛物面型双凹折射单元的抛物面面型结构参数相同。
5.如权利要求1或2所述的焦斑可调的二维X射线平面组合折射透镜，其特征在于：所述二维透镜装配架的顶部正方形装配孔数量和侧面正方形装配孔数量相同。
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