CN109461513A - 一种基于实验室x光源的组合毛细管x光会聚系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，包括X射线光源、毛细管X光微会聚透镜、锥形单毛细管X管透镜和调节架。X射线光源位于毛细管X光微会聚透镜的前焦点处，锥形单毛细管X光透镜出口端位于毛细管X光微会聚透镜后焦点处。X射线光源焦斑中心，毛细管X光微会聚透镜中轴线和锥形单毛细管X光透镜中轴线，三者处于同一直线。两个透镜准直采用与其相连接的调节架调节。本发明通过组合透镜的方式，把通常只能用于同步辐射X射线光源的锥形单毛细管X光透镜应用于常规实验X射线光源，通过组合透镜能够在实验室获得微米级乃至亚微米级微焦斑，为在实验室开展微区X射线光谱分析提供了硬件基础。

Description

一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及会聚X射线的光学器件。
背景技术
原位微区X射线光谱分析是X射线光谱分析领域的一个重要分支。其广泛应用于环境、考古、地学、生物医学、刑侦、材料以及工业控制等研究领域。原位微区X射线光谱分析技术的关键在于如何获得高强度的X光微焦斑。在各种X射线会聚器件中，毛细管X光透镜以其制作简单，价格低，物理强度高，广泛用于实验室X光管和同步辐射光源的X光聚焦。毛细管X光透镜主要分为两类：单毛细管X光透镜和多毛细管X光透镜。其中多毛细管X光透镜能够会聚发散的实验室X光或准平的同步辐射X光至几十微米，并获得103量级的光强增益。单毛细管X光透镜能够获得更小的会聚焦斑，能够达到微米乃至几十纳米。但是单毛细管X光透镜一般用于同步辐射光源，同步辐射光源为大型科学装置，难以大规模推广。因此，如何把单毛细管X光透镜用于普通实验室X光源，对于原位微区X射线光谱分析技术的推广具有重要意义。
为了解决以上问题，本发明提出一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统用于获得用于微区X射线光谱分析的微焦斑。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种组合式会聚X射线光学系统，能够用于实现毛细管X光透镜会聚常规实验室X光源获得微焦斑。
本发明采用如下技术方案：
一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，包括：
X光源，用于产生X射线；
毛细管X光微会聚透镜：用于接收X光源发出发散X射线，将接收到的发散X光束转化成发散度很小的会聚光束；
锥形单毛细管X光透镜，用于接收毛细管X光微会聚透镜发出的微会聚光束，并把此光束进一步压缩得到用于原位微区X射线光谱分析的微焦斑；
调节架，两个调节架分别安装在毛细管X光微会聚透镜下侧或锥形单毛细管X光透镜下侧，用于组合毛细管X光会聚系统的光路准直调节；
本发明进一步的技术方案是，X光源为铁，铜或钼靶X光源，光源焦斑形状为点状。
本发明进一步的技术方案是，所述X光源位于毛细管X光微会聚透镜前焦点处，锥形单毛细管X光透镜位于毛细管X光微会聚透镜之后，且X光源焦斑中心、毛细管X光微会聚透镜中轴线和锥形单毛细管X光透镜中轴线三者位于同一直线。
本发明进一步的技术方案是，毛细管X光微会聚透镜为硅酸盐玻璃或铅玻璃材质。
优选的是，毛细管X光微会聚透镜由30-100万根单通道玻璃毛细管组成。
优选的是，毛细管X光会聚透镜入口端直径Din和出口端直径Dout范围8-30mm，长度范围L为40-100cm。
本发明进一步的技术方案是，锥形单毛细管X光透镜入口端直径din大于出口端直径dout。
优选的是，锥形单毛细管X光透镜入口端直径din范围30-200um，出口端直径dout范围5-50um，长度Ls范围30-150mm。
本发明进一步的技术方案是，锥形单毛细管X光透镜为硅酸盐玻璃或铅玻璃材质。
本发明的通过组合透镜的方式，把通常只能用于同步辐射X射线光源的锥形单毛细管X光透镜应用于常规实验X射线光源，通过组合透镜能够在实验室获得微米级乃至亚微米级微焦斑，为在实验室开展微区X射线光谱分析提供了硬件基础。
附图说明
图1为本发明的实施例组合毛细管X光会聚系统结构示意图；
图2为本发明的实施例中毛细管X光微会聚透镜示意图；
图3为图2中毛细管X光微会聚透镜沿垂直于透镜中心线剖面图；
图4为本发明实施例中锥形单毛细管X光透镜示意图。
图中：1-X射线光源、2-入射X射线束、3-毛细管X光微会聚透镜、4-锥形光束、5-锥形单毛细管X光透镜、6-出射微焦斑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
锥形单毛细管X光透镜能够把X射线会聚得到微米乃至亚微米微焦斑，但是由于实验室光源发出X光为发散光，锥形单毛管X光透镜并不适用于实验室X光源。把锥形单毛细管X光透镜应用于实验室X光源获得微区X射线光谱分析技术的推广具有重要意义。
本发明提出X射线调控器件设计，最终得以突破提出以下技术方案：
参照图一,其示出了本实施例基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统的结构组成，该组合透镜系统包括：X射线光源1、毛细管X光微会聚透镜3、锥形单毛细管X光透镜5和调节架7。X射线光源1位于毛细管X光微会聚透镜3的前焦点处，锥形单毛细管X光透镜5出口端位于毛细管X光微会聚透镜3后焦点处。X射线光源1焦斑中心，毛细管X光微会聚透镜3中轴线和锥形单毛细X光透镜5中轴线，三者处于同一直线。两个透镜准直采用与其相连接的调节架7调节。
X射线光源1发出的发散的入射X射线束2被毛细管X光微会聚透镜3接收，接收到的X射线光束经毛细管X光微会聚透镜调控转化成锥形光速4。锥形光束4被锥形单毛细管X光透镜接收经进一步压缩成出射微焦斑6于锥形单毛细管X光透镜出口端后一定距离，此距离一般为5～30mm。
需要强调的是，本实施例中X射线光源1结构简单，因为其后所采用的毛细管X光微会聚透镜3可以根据X射线光源1结构进行设计和适配，并且毛细管X光微会聚透镜3所产生的锥形光束4形状与X射线光源1并无太大关系，锥形光束4与毛细管X光微会聚透镜3后半段外形参数所决定。因此，本实施例所提出的组合毛细管X光会聚系统可以广泛适用于实验室光源，具有较好的推广基础。
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光微会聚透镜3的结构。
如图2所示，毛细管X光微会聚透镜3靠近X射线光源1的一端称之为入口端。毛细管X光微会聚透镜3入口端直径Din和出口端直径Dout与其最大直径Dmax相比较小；毛细管X光微会聚透镜3的前焦距f1为前焦点F1到透镜入口端的距离，后焦距f2为后焦点F2到透镜出口端的距离；毛细管X光微会聚透镜3的前焦距f1可根据X射线光源1的结构设计，在此系统中后焦距f2要与其后锥形单毛细管X光透镜5匹配，要保证后焦距f2大于锥形单毛细管X光透镜长度l，如图4所示；透镜的接收角ωcap和发散角ωdiv随透镜的结构变化而变化；毛细管X光微会聚透镜3的长度L一般为50-150mm；
如图3所示，毛细管X光微会聚透镜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外形曲线为二次曲线。其中，将毛细管X光微会聚透镜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。单毛细管的内径大小可以相同也可以不用，其内径大小一般范围为3-200um。
如图4所示，锥形单毛细管X光透镜5入口端直径din大于其出口端直径dout；锥形单毛细管X光透镜5锥度α为透镜内径曲线与其中轴线夹角，其大小可以根据以下公式计算：
实施例下面给出基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统的实例：
X射线光源1采用实验室常规Cu靶光源，光源焦斑大小100um，形状为点状，功率为600W；毛细管X光微会聚透镜3由约30万根直径为6微米的单毛细管构成，前焦距f1为60mm，后焦距f2为150mm，毛细管X光微会聚透镜3长度L为80mm，入口端直径Din和出口端直径Dout与其最大直径Dmax分别为5mm，6.5mm和5.5mm，其对应接收角ωcap和发散角ωdiv分别为4.77°和2.10°；锥形单毛细管X光透镜5长度l为50mm，入口端直径din和出口端直径dout分别为50um和20um，锥度α为0.3mrad。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，包括：
X光源，用于产生X射线；
毛细管X光微会聚透镜，用于接收X光源发出的发散X射线，将接收到的发散X射线光束转化成发散度很小的会聚光束；
锥形单毛细管X光透镜，用于接收毛细管X光微会聚透镜发出的微会聚光束，将此光束进一步压缩得到用于原位微区X射线光谱分析的微焦斑；
调节架，两个调节架分别安装在矮毛细管X管微会聚透镜下侧，和锥形单毛细管X光透镜下侧，用于组合毛细管X光会聚系统的光路准直调节；
所述X光源位于毛细管X光微会聚透镜前焦点处，锥形单毛细管X光透镜位于毛细管X光微会聚透镜之后，且X光源焦斑中心、毛细管X光微会聚透镜中轴线和锥形单毛细管X光透镜中轴线三者位于同一直线。
2.根据权利要求1所述的一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，所述X光源为铁、铜、钼靶X光源中的任意一种，光源焦斑形状为点状。
3.根据权利要求1所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，锥形单毛细管X光透镜入口端直径din大于其出口端直径dout；锥形单毛细管X光透镜锥度α为透镜内径曲线与其中轴线夹角，其大小按照如下公式计算：
4.根据权利要求3所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，锥形单毛细管X光透镜入口端直径din范围为30-200um，出口端直径dout范围为5-50um，长度Ls为30-150mm。
5.根据权利要求1所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，毛细管X光微会聚透镜为硅酸盐玻璃或铅玻璃材质；锥形单毛细管X光透镜为硅酸盐玻璃或铅玻璃材质。
6.根据权利要求1所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，毛细管X光微会聚透镜入口端直径Din和出口端直径Dout小于毛细管X光微会聚透镜最大截面直径Dmax，后焦距f2大于锥形单毛细管X光透镜长度l。
7.根据权利要求6所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，毛细管X管微会聚透镜入口端直径Din取值范围为8-30mm，出口端直径Dout取值范围为8-30mm，毛细管X光微会聚透镜长度L范围是40-100mm。
8.根据权利要求7所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，毛细管X光微会聚透镜沿垂直于其中心线方向的横截面为正六边形，沿其长度方向上的界面外形曲线为二次曲线。
9.根据权利要求8所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，将毛细管X管微会聚透镜中间一根单毛细管A所在层数定位为第一层，从内向外第n层中单毛细管的数目为6(n-1)，且n＞1。
10.根据权利要求9所述一种基于实验室X光源的组合毛细管X光会聚系统，其特征在于，单毛细管的内径大小范围为3-200um，毛细管X管微会聚透镜由30-100万根单通道玻璃毛细管组成。
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