CN106782740B - 一种在超高真空环境下实现毛细管聚焦x射线的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在超高真空环境下实现毛细管聚焦X射线的装置，本装置包括三维精密位移台、旋转驱动器、螺旋测微仪直线导入器和毛细管支架；其中，螺旋测微仪直线导入器上设有一直杆，旋转驱动器上设有一支撑管，支撑管一端位于真空腔内，直杆穿过支撑管进入真空腔，毛细管支架位于真空腔内且与支撑管相连，支撑管的另一端与旋转驱动器密封连接，旋转驱动器与螺旋测微仪直线导入器密封连接；旋转驱动器用于通过控制该连接用支撑管的旋转带动毛细管支架绕支撑管的轴线旋转；三维精密位移台用于通过控制支撑管的移动对毛细管支架进行三维平移操作；毛细管支架上设有一垂直于支撑管轴线方向的转轴，螺旋测微仪直线导入器通过直杆驱动转轴转动。

Description

一种在超高真空环境下实现毛细管聚焦X射线的装置

技术领域

本发明涉及一种在超高真空环境下实现毛细管聚焦X射线的装置。

背景技术

上世纪90年代发展起来的导管X射线光学以及产生的毛细管光学元件是X射线光学的新突破。它实现了对大功率宽波段X射线的调控，极大提高了X射线的使用效率。毛细管光学元件是由单根或多根内表面非常光滑的空心玻璃管构成，并分为单毛细管和多毛细管两种形式。它利用全反射原理实现X射线在元件内部的高效传输，从而达到对X射线进行调控的目的。而毛细管最重要的应用是聚焦X射线，获得小光斑并提高光斑亮度。

在实际应用中，毛细管需置于X射线光路中，并且要与X射线对准，否则会显著降低其传输效率，而且能量越高的X射线对准毛细管的要求越高。X射线源主要分为常规X射线源和同步辐射源两类。同步辐射源发出的X射线方位和方向是固定的，不具备调节能力；常规X射线源虽然可以进行姿态调节，但是远没有调节无论是体积和重量都小很多的毛细管方便，因此需要为毛细管配备姿态调节装置，调节毛细管对准X射线源。此外，为了避免X射线照射到人体上，毛细管的调节装置需要遥控和电动。

X射线依据是否能够在空气中传播分为硬X射线和软X射线。对于硬X射线，毛细管的姿态调节装置只需工作在空气中。装置主要由三维精密电控平移台和两维精密电控旋转台组成。毛细管需要的调节维度(如图1所示)包括：在垂直于X射线的面内沿X和Z轴方向的平移，以及绕X’和Z’轴的旋转，和沿Y轴方向的平移。调节毛细管姿态的步骤如下：首先做X和Z轴方向的平移将毛细管的入口对准X射线，然后沿Z’轴和X’轴旋转毛细管使聚焦后的X射线光强最强，最后在Y方向上调节毛细管，使毛细管的焦点(X射线聚焦后的最小光斑)位于需要的位置。硬X射线聚焦装置的结构如图2所示。图中毛细管的X、Y、Z方向平移运动分别由三台一维精密电控平移台实现，而毛细管的X’和Z’轴的旋转分别由一台精密电控倾斜台和一台精密电控旋转台实现。毛细管由毛细管支架固定，而毛细管支架固定在精密电控倾斜台上，精密电控倾斜台固定在精密电控旋转台上，精密旋转台固定在精密电控平移台3上，平移台3固定在平移台2上，平移台2固定在平移台1上。所以，当平移台1运动时，将带动平移台2，平移台3，旋转台，倾斜台、毛细管支架和毛细管做Y方向平动；当平移台2运动时，将带动它上面的所有组件(平移台3，旋转台，倾斜台、毛细管支架和毛细管)做X方向平动；当平移台3在竖直方向运动时，将带动安装旋转台、倾斜台、毛细管支架和毛细管做Z方向(竖直)平动；当旋转台旋转时，可带动安装在它上面的组件(倾斜台、毛细管支架和毛细管)沿竖直轴Z’旋转；当倾斜台旋转时，可使毛细管支架和毛细管沿X’轴旋转。整个五维精密运动控制台控制毛细管做五维姿态调节，实现对X射线聚焦。

因为软X射线很容易被空气吸收，所以软X射线的传播需要在真空或超高真空环境下。相应的，如果要聚焦软X射线，那么毛细管及其姿态调节装置也要在真空环境下。如上段所述的毛细管聚焦硬X射线一样，可以选择适用真空和超高真空环境的精密电控平移台、旋转台和倾斜台控制毛细管姿态完成对X射线的聚焦。

如前所述，对于软X射线，可以采用选择适用真空和超高真空环境的精密电控平移台、旋转台和倾斜台控制毛细管姿态完成对X射线的聚焦。但是兼容真空和超高真空环境的精密电控平移台和旋转台国内基本无法生产，需要从国外进口，价格是工作在大气环境下产品的10倍或更高(适用的真空度越高，价格越高)；而且适用真空环境的线缆和接头的价格也是普通线缆和接头的10倍或更高。此外，这些兼容真空环境的平移台和旋转台组装起来体积大，因此需要体积更大的真空腔体来容纳，同时也势必要求排量更大的真空泵。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种在超高真空环境下实现毛细管聚焦X射线的装置，以较低的成本实现毛细管的五维精密运动(3维平动和2维转动)控制其姿态，又减少对真空环境的占用。

本发明将三维精密位移台、旋转驱动器和螺旋测微仪导入器结合起来实现超高真空环境下的毛细管五维姿态调整，使毛细管能够精确对准X射线，实现对X射线的聚焦。

本发明的技术方案为：

一种在超高真空环境下实现毛细管聚焦X射线的装置，其特征在于，包括三维精密位移台、旋转驱动器、螺旋测微仪直线导入器和毛细管支架；其中，所述螺旋测微仪直线导入器上设有一直杆，所述旋转驱动器上设有一连接用支撑管，所述连接用支撑管一端位于真空腔内，该直杆穿过该连接用支撑管进入该真空腔内，所述毛细管支架位于该真空腔内且与所述连接用支撑管相连，所述连接用支撑管的另一端与该真空腔外的旋转驱动器密封连接，所述旋转驱动器与所述螺旋测微仪直线导入器密封连接；所述旋转驱动器用于通过控制该连接用支撑管的旋转带动所述毛细管支架绕该支撑管的轴线旋转；所述三维精密位移台用于通过控制该连接用支撑管的移动对该毛细管支架进行三维平移操作；所述毛细管支架上设有一用于连接或安装毛细管的转轴，该转轴的轴线垂直于该支撑管的轴线，所述螺旋测微仪直线导入器通过所述直杆驱动该转轴转动。

进一步的，所述螺旋测微仪直线导入器安装在所述旋转驱动器上，所述旋转驱动器安装在所述三维精密位移台的Z方向平移机构上，该Z方向平移机构安装在所述三维精密位移台的Y方向平移机构上，该Y方向平移机构安装在所述三维精密位移台的X方向平移机构上。

进一步的，所述三维精密位移台通过法兰和波纹管与该真空腔密封连接。

进一步的，所述三维精密位移台的X方向平移机构、Y方向平移结构通过该法兰与该真空腔密封连接，该法兰内设有一波纹管，即粗波纹管，该粗波纹管一端通过法兰A与该真空腔密封连接，另一端通过法兰B与该X方向平移机构、Y方向平移结构以及所述三维精密位移台的Z方向平移机构下端口密封连接；该所述三维精密位移台的Z方向平移机构上设有一波纹管，即细波纹管，该细波纹管的一端通过法兰C与该Z方向平移机构的下端口密封连接，另一端通过法兰D与该Z方向平移机构的上端口密封连接；所述连接用支撑管穿过该细波纹管、粗波纹管进入该真空腔内。

进一步的，所述连接用支撑管的另一端焊接在一盲法兰上，该盲法兰固定在该细波纹管的法兰D上。

进一步的，所述三维精密位移台的Z方向平移机构与所述旋转驱动器密封连接。

进一步的，所述毛细管支架包括一筒状单元，该筒状单元下端设有所述转轴以及与所述转轴连接的传动单元，所述直杆通过该传动单元驱动所述转轴的转动。

进一步的，所述连接用支撑管伸入所述筒状单元上端内部与所述毛细管支架连接。

进一步的，所述传动单元包括弹簧、杠杆组件、直角推杆，所述转轴与所述杠杆组件连接，所述杠杆组件的上端设有一A端与该直角推杆的下端接触，所述杠杆组件的下端设有一B端与该弹簧的一端连接，该弹簧的另一端与所述筒状单元的底端连接；该直角推杆的上端位于所述筒状单元内部；所述直杆与该直角推杆的上端连接，用于对该直角推杆施力，所述杠杆组件用于通过该力驱动所述转轴的转动。

进一步的，所述转轴的中心或其轴线延长线上设有一用于安装毛细管的孔。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明将实现毛细管姿态调节的五维调节机构的很少部分置于真空环境中，在真空或者超高真空环境下实现毛细管对X射线的聚焦，对毛细管姿态进行五维精密调节，使聚焦的最小光斑处于要求的位置，在保证性能的情况下，降低了成本，而且可以适用超高真空环境，例如普通的电机、接头、线缆等零部件即可满足要求，不需要成本高得多的适应真空或超高真空的零部件。同时显著减少了对真空空间的占用，可以使用较小的真空腔体，间接降低了成本。

附图说明

图1为毛细管需要的调节维度示意图；

图2硬X射线毛细管聚焦装置的结构；

图3为超高真空毛细管X射线聚焦装置示意图；

(a)正视图，(b)侧视图；

图4为毛细管支架部分示意图；

(a)正视图，(b)侧视图；

图5为装置剖面及真空腔体连接示意图；

图6为真空内三维精密驱动原理。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图3为装置的原理框图。它主要包括三维精密位移台(由Z方向精密平移机构和X、Y方向二维精密平移台组成)、一维旋转驱动器、螺旋测微仪直线导入器和毛细管支架。其中三维精密位移台通过连接用支撑管对毛细管及其支架进行X、Y、Z三维精密平移操作，毛细管支架与支撑管相连，支撑管属于旋转驱动器的一部分，螺旋测微仪直线导入器安装在旋转驱动器上，旋转驱动器安装在Z方向平移机构上，Z方向平移机构安装在Y方向平移机构上，Y方向平移机构安装在X方向平移机构上；该三维精密位移台是利用波纹管的柔性实现的真空内的运动。如图6所示，下面较粗的波纹管用于X、Y方向平动，当推动法兰B时，其上所有部分及支撑管做X、Y方向平动；细波纹管用于Z(竖直)方向平动，在竖直方向Z推动法兰D可带动支撑管沿竖直方向平动。支撑管焊接在盲法兰上，盲法兰固定在细波纹管的法兰D上。细波纹管的法兰C通过转接法兰与粗波纹管的法兰B连接，法兰A、B、C、D以及转接法兰都是中空的，为了支撑杆能够穿过。因为粗波纹管要水平运动(X、Y平动)，为了不让支撑杆碰到波纹管内壁，需要根据X、Y平动的最大范围以及支撑杆的粗细选择波纹管的内径，所以负责X、Y平动的波纹管比Z平动的波纹管内径要粗。

从图3可以看到，毛细管固定在毛细管支架上，毛细管支架固定在支撑管上，支撑管属于旋转驱动器的一部分，旋转驱动器固定在Z方向平移机构上，Z方向平移机构固定在Y方向平移机构上，而Y方向平移机构固定在X方向平移机构上。因此，当驱动X方向平移机构时，安装在其上面的Y方向平移机构、Z方向平移机构和旋转驱动器及其支撑管沿X方向平移。当驱动Y方向平移机构时，其上的Z方向平移机构、旋转驱动器及其支撑管沿Y方向平移。依次类推，实现对毛细管的三维平移运动。

连接用支撑管与旋转驱动器是一体的。旋转驱动器是通过空气端的磁铁产生的高强度磁场穿过不锈钢外壳(真空腔)与真空内的磁铁互锁，当空气端磁铁旋转时，带动真空端的磁铁旋转。旋转驱动器带动支撑管旋转，进而带动毛细管组件旋转，实现毛细管的绕Z′轴旋转。

旋转驱动器也是通过连接用支撑管对毛细管进行绕Z’轴的旋转。旋转螺旋测微仪直线导入器可精密驱动连接用支撑管中间的直杆(见图4，连接用支撑管是一段钢管，它与旋转驱动器相连，其内部有直杆穿过；直杆与螺旋测微仪直线导入器相连，从支撑管内部穿过)，直杆连接的直角推杆在A点向下推动毛细管支架上的杠杆组件，将平动转变为对毛细管转动(逆时针旋转)，实现毛细管绕X’轴旋转；在图4中，“毛细管转轴X’”即杠杆组件的转轴，因为毛细管固定在杠杆组件上，杠杆组件旋转时也就是毛细管在绕X’轴旋转。同时，杠杆组件的B点向上运动，拉动下面的弹簧，使其伸长而拉力增加。当反方向旋转螺旋测微仪直线导入器时，直杆连接的直角推杆在A点处向上运动，直角推杆在A点施加的力减小，在弹簧的拉力下，杠杆组件反方向(顺时针)旋转，实现毛细管绕X’轴反方向旋转，如图4所示。

五维调节可以手动操作，也可以增加驱动电机，实现电动遥控操作。聚焦装置与真空腔体通过超高真空连接用刀口法兰(DN150CF)连接起来，从图5中可以看到，与旋转驱动器相连的连接用支撑管以及毛细管支架处于真空中，支撑管穿过的焊接波纹管内部也是真空环境，装置其它部分在大气环境下。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种在超高真空环境下实现毛细管聚焦X射线的装置，其特征在于，包括三维精密位移台、旋转驱动器、螺旋测微仪直线导入器和毛细管支架；其中，所述螺旋测微仪直线导入器上设有一直杆，所述旋转驱动器上设有一连接用支撑管，所述连接用支撑管一端位于真空腔内，该直杆穿过该连接用支撑管进入该真空腔内，所述毛细管支架位于该真空腔内且与所述连接用支撑管相连，所述连接用支撑管的另一端与该真空腔外的旋转驱动器密封连接，所述旋转驱动器与所述螺旋测微仪直线导入器密封连接；所述旋转驱动器用于通过控制该连接用支撑管的旋转带动所述毛细管支架绕该连接用支撑管的轴线旋转；所述三维精密位移台用于通过控制该连接用支撑管的移动对该毛细管支架进行三维平移操作；所述毛细管支架上设有一用于连接或安装毛细管的转轴，该转轴的轴线垂直于该连接用支撑管的轴线，所述螺旋测微仪直线导入器通过所述直杆驱动该转轴转动。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋测微仪直线导入器安装在所述旋转驱动器上，所述旋转驱动器安装在所述三维精密位移台的Z方向平移机构上，该Z方向平移机构安装在所述三维精密位移台的Y方向平移机构上，该Y方向平移机构安装在所述三维精密位移台的X方向平移机构上。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述三维精密位移台通过法兰和波纹管与该真空腔密封连接。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述三维精密位移台的X方向平移机构、Y方向平移机构通过该法兰与该真空腔密封连接，该法兰内设有一波纹管，即粗波纹管，该粗波纹管一端通过法兰A与该真空腔密封连接，另一端通过法兰B与该X方向平移机构、Y方向平移机构以及所述三维精密位移台的Z方向平移机构下端口密封连接；该所述三维精密位移台的Z方向平移机构上设有一波纹管，即细波纹管，该细波纹管的一端通过法兰C与该Z方向平移机构的下端口密封连接，另一端通过法兰D与该Z方向平移机构的上端口密封连接；所述连接用支撑管穿过该细波纹管、粗波纹管进入该真空腔内。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述连接用支撑管的另一端焊接在一盲法兰上，该盲法兰固定在该细波纹管的法兰D上。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述三维精密位移台的Z方向平移机构与所述旋转驱动器密封连接。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述毛细管支架包括一筒状单元，该筒状单元下端设有所述转轴以及与所述转轴连接的传动单元，所述直杆通过该传动单元驱动所述转轴的转动。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述连接用支撑管伸入所述筒状单元上端内部与所述毛细管支架连接。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述传动单元包括弹簧、杠杆组件、直角推杆，所述转轴与所述杠杆组件连接，所述杠杆组件的上端设有一A端与该直角推杆的下端接触，所述杠杆组件的下端设有一B端与该弹簧的一端连接，该弹簧的另一端与所述筒状单元的底端连接；该直角推杆的上端位于所述筒状单元内部；所述直杆与该直角推杆的上端连接，用于对该直角推杆施力，所述杠杆组件用于通过该力驱动所述转轴的转动。

10.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述转轴的中心或其轴线延长线上设有一用于安装毛细管的孔。