CN104819987B - 一种超高谱分辨的x射线掠入射显微成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，它包括两块掠入射曲面X光光学器件，分别命名为第一光学器件和第二光学器件，第一光学器件和第二光学器件的光轴正交，由物点发出的X光经过第一光学器件反射，在子午方向实现聚焦形成准单色化的一维图像，再经过第二光学器件在弧矢方向实现分光并聚焦，形成高单色化的二维图像，最后成像到记录介质上。本发明的超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统具有空间分辨高，能量分辨好，像差小的特点，很好的克服了传统X射线显微镜的缺点。

Description

一种超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统
技术领域
本发明涉及等离子体诊断、X射线光学等领域，尤其涉及一种超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统。
背景技术
在X射线诊断领域中，具有谱分辨的二维图像诊断是一个重要的领域。目前，常用的等离子体二维分布诊断主要分为针孔相机成像、弯晶成像及KB成像三种方式。
针孔成像是最为常用的成像方法，但由于受数值孔径限制，空间分辨和集光效率低，同时能谱分辨是通过在光路中添加不同材料的滤片实现，由于滤片本身的能谱选择带宽很宽，使得针孔成像方法的能量分辨很差。
弯晶成像方法是使用一块按照特定曲率弯曲的晶体对目标进行成像，X光采用小角度入射的方式入射到晶体表面，其特点是谱分辨高，收光立体角大，收光效率高，空间分辨能够达到5um。但是球面弯晶在工作时子午焦点和弧矢焦点一般不重合，降低系统的空间分辨，而非球面弯晶技术难度大，存在慧差等像差，同样会降低有效探测范围内的空间分辨，此外由于采用了小角度入射，使得弯晶占用的立体角较大，非常容易被实验产生的等离子体碎片打坏。
KB成像系统采用两块相互正交的凹面反射镜分别对物点在子午和弧矢方向进行聚焦，X光采用掠入射的方式入射到反射镜表面，其特点是空间分辨率高，像差小，能够达到3um。实现能量分辨是通过在反射镜表面上镀多层膜。但是目前多层膜的能量分辨较差，一般只能达到几十eV，难以满足实验需求。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，包括两块掠入射曲面X光光学器件，分别命名为第一光学器件和第二光学器件，第一光学器件和第二光学器件的光轴正交，由物点发出的X光经过第一光学器件反射，在子午方向实现聚焦形成准单色化的一维图像，再经过第二光学器件在弧矢方向实现分光并聚焦，形成高单色化的二维图像，最后成像到记录介质上。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述第一光学器件为单层膜反射镜、多层膜反射镜或弯晶，第二光学器件为弯晶。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述掠入射曲面X光光学器件的面形为凹面面形。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述的第一光学器件为多层膜反射镜，第二光学器件为弯晶。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述第一光学器件的设置方位相对于入射光具有3.575°掠入射角，所述第二光学器件的设置方位相对于第一光学器件的出射光具有36.648°Bragg角。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述第一光学器件和第二光学器件晶之间的距离设置为20mm，所述第一光学器件的基底曲率半径为6300mm，所述第二光学器件的弯曲半径为529mm。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述的第一光学器件为弯晶，第二光学器件为弯晶。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述第一光学器件的设置方位相对于入射光具有14.308°Bragg角，所述第二光学器件的设置方位相对于第一光学器件的出射光具有14.308°Bragg角。
上述超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其中，所述第一光学器件和第二光学器件晶之间的距离设置为20mm，所述第一光学器件的基底曲率半径为1628mm，所述第二光学器件的基底曲率半径为1781mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和特点：
1.X光采用掠入射的形式进入成像系统，相比普通弯晶成像具有更大的Bragg角，能够用于更高能的X射线成像。
2.系统的收光立体角小，能够有效地防护实验中产生的等离子体碎片，实用性大大加强。
3.采用了两块光轴正交的曲面X光光学器件在子午和弧矢方向分别进行聚焦，有效地减小了系统的像差，提高了系统的空间分辨。
附图说明
图1、图2为本发明实施例1的光路示意图，其中图1为正视图，图2为俯视图；
图3为本发明实施例1中数值模拟所采用的光源示意图(单位：mm)；
图4为实施例1中模拟所采用的光源中每组光源点的局部放大图；
图5为实施例1中数值模拟得到的像空间分布(单位：mm)；
图6至图13为像图5中a组至h组成像情况的局部放大图；
图14、图15为本发明实施例2的光路示意图，其中图14为正视图，图15为俯视图；
图16为利用X-射线仿真软件SHADOW对实施例2进行模拟时所采用的光源示意图(单位：mm)；
图17为利用X-射线仿真软件SHADOW对实施例2进行模拟得到的像空间分布(单位：mm)；
图18为利用X-射线仿真软件SHADOW对实施例2进行模拟得到的带宽曲线。
具体实施方式
实施例1
图1、图2为本发明实施例1的光路示意图，第一光学器件1采用多层膜反射镜，第二光学器件2采用弯晶，多层膜反射镜和弯晶的光轴正交，由物点发出的X光经过多层膜反射镜，在子午方向实现聚焦形成准单色化的一维图像，再经过弯晶在弧矢方向实现聚焦，并经过弯晶分光，形成高单色化的二维图像，最后成像到记录介质上。系统主要参数根据常规ICF诊断要求选取，具体参数如下：工作能点2.5keV，物距142.5mm，反射镜和弯晶的间距20mm，像距2850mm，放大倍率20倍，视场0.4mm，系统集光立体角9.6×10-6sr，能量分辨为1eV。其中，2.5keV能点对应反射镜的掠入射角5为3.575°，基底曲率半径6300mm，反射率65％，工作区域3.6mm×0.85mm。2.5keV对应弯晶的Bragg角6为36.648°，晶体弯曲半径529mm，反射率20％，工作区域1.7mm×0.24mm。对系统的空间分辨率进行了数值模拟，模拟时光源采用在直径0.4mm圆周上平均分布的八组理想点光源(见图3)，每组包含间距2微米的四个光源点(见图4)。图5为经过模拟得到的像空间分布，图6至图13分别为a组至h组成像情况的局部放大图。可以看到，系统在视场0.4mm内理论空间分辨率可达2微米，系统集光效率为1.2×10-6。
图1、图2中所示，3为入射光，4为出射光。
实施例2
图14、图15为本发明实施例2的光路示意图，本实施例的第一光学器件1和第二光学器件2均选用球面弯晶，选择Si(111)晶面作为弯晶反射面，根据Bragg原理，该晶面在8keV掠入射角(即Bragg角)为14.308°。详细参数及光学元件参数见表1、表2。
表1
物距 间距 像距 能点 放大倍数 集光立体角
200mm 20mm 4000mm 8keV 20 1×10-6sr
表2
图14、图15中所示，3为入射光，4为出射光5为Bragg角。
对实施例2提出的方案，利用X-射线仿真软件SHADOW进行模拟。空间分辨率模拟所使用的光源如图16所示，在直径0.2mm视场边缘分别均匀设置8组光源点，每组包含4个理想点光源，4个光点分别位于边长2μm的正方形顶点。图17为经过系统成像后的仿真结果，可以看到，光源经该系统成像后，仍然能区分每组中的4个光点，说明系统在0.2mm视场内达到2μm空间分辨率。能量分辨率模拟采用直径0.2mm的均匀光源，光源能量依次从7980eV增加至8020eV，每次改变1eV，通过模拟得到每个能点像面的光强。对系统在不同能点的强度数据进行Gauss拟合，可以得到系统的带宽(能量分辨率)。模拟结果显示，系统能量分辨率为11eV，能量分辨本领727。
图18为利用X-射线仿真软件SHADOW对实施例2进行模拟得到的带宽曲线。

Claims (1)

1.一种超高谱分辨的X射线掠入射显微成像系统，其特征在于：包括两块掠入射曲面X光光学器件，分别命名为第一光学器件和第二光学器件，第一光学器件和第二光学器件的光轴正交，由物点发出的X光经过第一光学器件反射，在子午方向实现聚焦形成准单色化的一维图像，再经过第二光学器件在弧矢方向实现分光并聚焦，形成高单色化的二维图像，最后成像到记录介质上；
所述的第一光学器件为多层膜反射镜，第二光学器件为弯晶，所述掠入射曲面X光光学器件的面形为凹面面形；
所述第一光学器件的设置方位相对于入射光具有3.575°掠入射角，所述第二光学器件的设置方位相对于第一光学器件的出射光具有36.648°Bragg角；
所述第一光学器件和第二光学器件晶之间的距离设置为20mm，所述第一光学器件的基底曲率半径为6300mm，所述第二光学器件的弯曲半径为529mm。
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