CN109186548B - 一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法，首先通过六维精密装置台和激光发生器将X射线光源、MPO透镜及SDD探测器调整为一个共轴光学系统。其次所述X射线光管发出的X射线束，经所述光阑A和光阑B约束为准平行X射线束照射到所述MPO透镜上。再通过六维精密装置台调整MPO透镜的状态使得SDD探测器计数最大，此时MPO透镜方孔通道的倾角即为精密台旋转的角度。对MPO的位置进行二维扫描，记录不同位置处的MPO透镜方孔通道倾角。本发明操作简单，测量精度高，可实现对MPO透镜倾角的快速检测，准确获取不同位置处通道倾角信息，有助于指导工艺和发现质量问题。

Description

一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法
技术领域
本发明涉及X射线探测和成像领域，尤其是涉及一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法。
背景技术
1979年，Angle根据龙虾眼结构，首次提出基于正方形阵列结构来研制龙虾眼型X射线天文望远镜。然而受限于当时的制作工艺和加工水平，直到20世纪90年代，随着一种新型微孔光学系统(Micro-pore optic，MPO)的日渐成熟，LE系统才得以实现和推广。2004年，Libor Sveda等人设计龙虾眼装置模型，模拟论证了龙虾眼望远镜应用于太空领域的可行性。2005年，NASA与DARPA共同研制出了Lobster-ISS望远镜(包含6片Angle型球面方孔MPO镜片)。2009年，ESA与Leicester大学基于MPO技术合作研制出了焦距仅有350mm的聚焦镜头。2014年，ESA与NASA采用MPO技术研制了LOFT卫星，视场达180°×90°，总重量约80kg。
MPO透镜制造流程十分复杂，其复杂的结构难免会存在缺陷进而对MPO镜片的成像性能造成负面影响。而LE系统关键技术在于龙虾眼透镜(Micro Pore Optic,MPO)研制，其中MPO透镜方孔通道的倾角信息是制造工艺和质量控制最重要的评价手段，也是发现质量问题、改进工艺参数的依据。然而受限于MPO透镜几何参数，常规光学检测手段会产生干涉和衍射现象而无法使用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法，快速对MPO透镜倾角的完成检测，准确获取不同位置处通道倾角信息。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的X射线光源、激光发生器、光阑A、光阑B、MPO透镜以及SDD探测器，其中，
所述激光发生器位于X射线光源下方，并且朝向所述X射线光源的方向，用于向X射线光源提供激光束；
所述X射线光源用于向MPO透镜发射X射线束；
所述光阑A、光阑B设置于发射光路中，所述光阑A用于减少X射线光源出射光子的发散角，所述光阑B用于限束和准直；
所述MPO透镜设置于发射光路中，用于汇聚X射线光源所发出的X射线；
所述SDD探测器设置于MPO透镜的焦距处，用于收集穿透MPO透镜的X射线并成像；
所述X射线光源、光阑A、光阑B、MPO透镜以及SDD探测器的中心共轴且对应齐平；
所述X射线光源的点光源到MPO透镜的距离S，等于SDD探测器到MPO透镜的距离f；
所述MPO透镜放置于六维精密装置台上，转动所述六维精密装置台调节MPO透镜的方孔通道的倾角。
本发明的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法，起显著的有益效果在于：
(1)操作简单，测量精度高，便于实现。
(2)快速对MPO透镜倾角的完成检测，准确获取不同位置处通道倾角信息。
(3)有助于发现MPO透镜质量问题和改进工艺参数。
附图说明
图1为本发明一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法的示意图；
图2为本发明龙虾眼透镜方孔通道结构图；
图3为本发明龙虾眼透镜聚焦X射线原理图。
图4为本发明龙虾眼透镜倾角信息高斯拟合图像。
具体实施方式
本发明提供了基于一种测量龙虾眼透镜(Micro Pore Optic,MPO)方孔通道倾角的装置和方法，该装置由X射线光源1、激光发生器2、光阑A3、光阑B 4、MPO透镜5、六维精密装置台6以及SDD探测器7组成。
激光发生器2位于X射线光源1下方，并且朝向X射线光源的方向，用于向X射线光源提供激光束。X射线光源用于向MPO透镜发射X射线束。光阑A、光阑B设置于发射光路中，所述光阑A用于减少X射线光源出射光子的发散角，所述光阑B用于限束和准直。MPO透镜设置于发射光路中，用于汇聚X射线光源所发出的X射线。SDD探测器设置于MPO透镜的焦距处，用于收集穿透MPO透镜的X射线并成像。X射线光源、光阑A、光阑B、MPO透镜以及SDD探测器的中心共轴且对应齐平。
激光发生器将激光束作为定向发射而在空间形成的一条光束作为准直的基准线。
所述X射线光源、光阑A、光阑B、MPO透镜以及SDD探测器的中心共轴且对应齐平；根据龙虾眼透镜的聚焦成像原理特性，X射线光源的点光源到MPO透镜的距离S，等于SDD探测器到MPO透镜的距离f。
MPO透镜放置于六维精密装置台上，转动所述六维精密装置台调节MPO透镜的方孔通道的倾角。
在一些实施例中，所述X射线光源的出射X射线光子的能量为10keV～20keV。
优选的，所述MPO透镜的外型为平面状，其方孔直径为20μm，方孔中心间距为6μm，壁厚为1.25mm。
优选的，所述MPO透镜采用MCP制作技术，在硅酸盐玻璃表面刻蚀上百万个方孔通道，内壁表面的粗糙度RMS小于1nm。
所述MPO透镜的方孔通道的倾角方向与二次全反射的光轴重合，且物距等于像距。
在一些实施例中，所述光阑A和光阑B的直径范围为0.5～2mm。
在一些实施例中，所述六维精密装置台的旋转角度精度小于1”，角度范围为1°～10°；步进精度小于1μm行程范围为10mm～200mm。
在一些实施例中，所述SDD探测器为硅漂移探测器，由前置放大器和一个热电致冷系统组成，不需要额外的制冷液氮系统。所述SDD探测器能量分辨率低于150eV FWHM@8.04keV。
其方法包括以下步骤：
(1)首先通过六维精密装置台和激光发生器将X射线光源、MPO透镜及SDD探测器调整为一个共轴光学系统。
(2)其次所述X射线光管发出的X射线束，经所述光阑A和光阑B约束为准平行X射线束照射到所述MPO透镜上。
(3)再旋转六维精密装置台的三个维度θx,θy,θz方向，使其SDD探测器在计数率最大，此时MPO透镜方孔通道的倾角即为精密台旋转的角度θ＝(θx,θy,θz)。
(4)对MPO的位置进行二维扫描检测，记录不同位置处的MPO透镜方孔通道倾角，进行高斯拟合得到整个MPO的的倾角信息的均期望μ和方差σ。
本发明的优点是操作简单，测量精度高，可实现对MPO透镜倾角的快速检测，准确获取不同位置处通道倾角信息，有助于指导工艺和发现质量问题。
本发明的目的是提出一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置和方法，可快速实现对龙虾眼透镜的方孔通道倾角度的检测，准确不同位置处倾角信息和结果，结构简单，实时性快。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例
请参考附图1，本发明实施例的具体实施步骤为：
第一步：找出与X射线相互垂直的MPO透镜表面，该过程很容易通过激光照射透镜表面产生干涉条纹来实现。工作原理为激光照射到透镜表面，产生干涉条纹，如果MPO透镜与光轴出现倾斜没有垂直，那么二者的光程差不等，后面图纸呈现的干涉条纹不清晰，不停地调整MPO的角度，直至干涉条纹最清晰，默认方孔通道表面与光轴相互垂直。
第二步:将直径为0.5mm光阑B放置离光源170cm中心处，安装完成后，该光阑的上下移动偏差约为10μm，这导致放置光源中心处的位置偏差约为100μm。其次将直径为1mm光阑A放置离激光2cm几何中心处，X射线发出的X射线束穿过光阑A、B垂直照射到MPO透镜方孔表面上。
第三步：SDD探测器放置于MPO透镜距离为186cm位置处，再通过精密旋转台调整龙虾眼方孔通道与水平轴的倾角，使其探测器计数最大，默认此刻方孔通道与光轴平行，旋转精密台的角度即为方孔通道的倾角。聚焦原理如图3所示。X射线光源O发出的X射线光束经过平面方孔MPO会聚于SDD探测器位置A，S为点光源到MPO透镜的距离，f为探测器到平面MPO透镜的距离。由图3中几何关系可以得到：
∵α0＝α1
∴S＝f
其中，α0为入射角，α1为反射角。
第四步：移动不同位置处的龙虾眼透镜的位置，重复上述步骤，记录不同位置处的方孔通道倾角信息。
X射线光源为8.04keV Cu靶(Oxford生产，光斑尺寸小于1mm)，在X光管铍窗几何中心处放置一个直径为1mm的光阑A(作用限束)。离光源170cm的距离处再放置一个直径0.5mm的光阑B(限束和准直，假设出射X射线光束直径为1mm，经过光阑后的X射线发散度约为+/-2arcmin)。MPO透镜放置于精密调整台上(Newport RVS80CC生产，步进精度小于1um)离光源约为186cm，探测器为SDD X射线探测器(美国Amptek公司生产，型号XR-100CR)距离MPO透镜186cm。X射线管发出X射线，通过1mm的光阑A被限束为1mm的X射线束，再经过170cm处的0.5mm光阑B被限束为0.5mm的X射线束(发散度约为+/-2arcmin)，照射到龙虾眼透镜的方孔表面，被X射线探测器所收集，为了获取MPO透镜的倾角信息，需要旋转六维精密装置台的三个维度θx,θy,θz方向，使其SDD探测器在计数率最大，则通道的倾角信息为θ＝(θx,θy,θz)。为了整体评价MPO透镜的倾角信息，则通过高斯拟合函数，得到倾角信息的期望μ和方差σ。
g(x)＝aexp((x-μ)^2/2σ^2)
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的X射线光源、激光发生器、光阑A、光阑B、MPO透镜以及SDD探测器，其中，
所述激光发生器位于X射线光源下方，并且朝向所述X射线光源的方向，用于向X射线光源提供激光束；
所述X射线光源用于向MPO透镜发射X射线束；
所述光阑A、光阑B设置于发射光路中，所述光阑A用于减少X射线光源出射光子的发散角，所述光阑B用于限束和准直；
所述MPO透镜设置于发射光路中，用于汇聚X射线光源所发出的X射线；
所述SDD探测器设置于MPO透镜的焦距处，用于收集穿透MPO透镜的X射线并成像；
所述X射线光源、光阑A、光阑B、MPO透镜以及SDD探测器的中心共轴且对应齐平；
所述X射线光源的点光源到MPO透镜的距离S，等于SDD探测器到MPO透镜的距离f；
所述MPO透镜放置于六维精密装置台上，转动所述六维精密装置台调节MPO透镜的方孔通道的倾角。
2.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：所述X射线光源的出射X射线光子的能量为10keV～20keV。
3.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：所述MPO透镜的外型为平面状，其方孔边长为20μm，方孔中心间距为6μm，壁厚为1.25mm。
4.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：所述MPO透镜采用MCP制作技术，在硅酸盐玻璃表面刻蚀上百万个方孔通道，内壁表面的粗糙度RMS小于1nm。
5.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：所述MPO透镜的方孔通道的倾角方向与微孔的光轴重合，且S物距等于像距f。
6.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：所述光阑A直径dA和光阑B直径dB，直径范围为0.5～2mm。
7.根据权利要求6所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：光阑A、光阑B两个的间距位置l关系需满足以下关系：
Figure FDA0002614225310000021
8.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：所述六维精密装置台的旋转角度精度小于1”，角度范围为1°～10°；步进精度小于1μm行程范围为10mm～200mm。
9.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：在8keV能量情况下，SDD探测器能量分辨率低于150eV。
10.根据权利要求1所述的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的装置，其特征在于：所述激光发生器将激光束作为定向发射而在空间形成的一条光束作为准直的基准线。
11.基于权利要求1-10任一所述的装置实现的测量龙虾眼透镜方孔通道倾角的方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)通过六维精密装置台和激光发生器将X射线光源、光阑A、光阑B、MPO透镜及SDD探测器调整为一个共轴光学系统；
(2)所述X射线光源发出的X射线束，经所述光阑A和光阑B约束为准平行X射线束照射到所述MPO透镜上；
(3))再旋转六维精密装置台的三个维度θx,θy,θz方向，使其SDD探测器在计数率最大，此时MPO透镜方孔通道的倾角即为精密台旋转的角度θ＝(θx,θy,θz)；
(4)对MPO的位置进行二维扫描，记录不同位置处的MPO透镜方孔通道倾角。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了整体评价MPO透镜的倾角信息，通过高斯拟合函数，得到倾角信息的均期望μ和方差σ：
g(x)＝aexp((x-μ)^2/2σ^2)
其中，g(x)为高斯拟合函数，a为拟合系数。
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