CN110514682B - 一种x射线小角散射与x射线成像联用的光学系统 - Google Patents
一种x射线小角散射与x射线成像联用的光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，包括：真空腔；布置于真空腔内的束流阻挡器，包括：依次叠置的二极管、闪烁体、第一透镜组和反射棱镜；布置于真空腔外的X射线小角散射探测器；沿与X射线入射方向垂直的方向安装的X射线成像机构，包括：第二透镜组和X射线成像探测器，以及一维调焦电机；以及计算机；其中，X射线照射到样品，发生小角散射后的X射线通过X射线小角散射探测器采集，穿过样品的直通X射线经过束流阻挡器转换为可见光并被90度折射后在X射线成像探测器上成像，从而实现X射线小角散射和X射线成像的同时测量。根据本发明，提供了一种可实现对X射线小角散射和X射线成像同时检测的光学系统。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域，更具体地涉及一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统。
背景技术
X射线小角散射是指当X射线透过样品时与样品中的电子发生相互作用，在靠近原光束2°～5°的小角度范围内发生的散射现象，散射的X射线在空间的分布与物质内的电子密度起伏密切相关。凝固过程是包含复杂的热力学和动力学过程，涉及到溶质迁移、温度分布、组织结构从微观到宏观的演变等。凝固时各因素之间相互关联，多物理场的耦合作用是其突出的特点。X射线成像技术几乎是目前唯一可实现实时观察难混溶合金动态微观生长行为的实验手段，然而合金凝固组织演变受温度场、溶质场、流场、压力场等多场耦合作用的复杂因素影响。由于凝固过程的时间相关性、合金熔体的高温不透明性、组织结构跨尺度演变等原因，对凝固过程中多场耦合进行跨尺度原位实时的定量化表征，一直是世界性难题。现有技术中已有的检查仪器通常仅能检测1-2项参数，因此不能揭示这样一种复杂的凝固过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，从而解决现有技术无法对合金凝固组织演变过程中的凝固过程进行跨尺度原位实时的定量化表征的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
提供一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，包括：具有一容纳空间的真空腔，所述真空腔的上方包括一窗口；沿X射线入射方向布置于所述真空腔内的束流阻挡器，包括：依次叠置的二极管、闪烁体、第一透镜组以及反射棱镜；沿X射线入射方向布置于所述真空腔外的X射线小角散射探测器，所述X射线小角散射探测器位于束流阻挡器的后端；沿与X射线入射方向垂直的方向安装于所述真空腔外的X射线成像机构，包括：与所述窗口对准的第二透镜组和X射线成像探测器，以及用于所述X射线成像探测器调焦的一维调焦电机；以及与所述X射线成像探测器信号连接的计算机，用于快速获取电信号并重建图像；其中，X射线在照射到样品之后，发生小角散射后的X射线通过所述X射线小角散射探测器采集，穿过所述样品的直通X射线经过所述束流阻挡器转换为可见光并被90度折射后在所述X射线成像探测器上成像，从而实现X射线小角散射和X射线成像的同时测量。
优选地，所述二极管为硅光电二极管；所述闪烁体由YAG∶Ce材料(铈掺杂钇铝石榴石)制成，具有化学稳定性高、硬度大、高熔点和寿命长的特点，用于将X光转换为可见光。
优选地，第一透镜组由四个凸透镜和两个凹透镜依次叠置、彼此压紧组合而成，具体设置为凸透镜、凹透镜、凸透镜、凸透镜、凸透镜、凹透镜(顺着光路方向)这样依次压紧，第二透镜组由两个凸透镜和一个凹透镜依次叠置、彼此压紧组合而成，具体设置为凸透镜、凸透镜、凹透镜(从下往上)这样依次压紧。在该优选方案中，该第一透镜组和第二透镜组的结构设置是发明人通过详细的光学系统设计出来的，能达到最优的技术效果，使成像分辨率达到1μm以下。该设置不是本领域常规技术手段，是实现本发明X射线小角散射和X射线成像探测技术联用的特别优选方案之一。
优选地，所述反射棱镜是采用玻璃制成的直角反射棱镜，该反射棱镜反射可见光而对X射线透明，将光路中未吸收的X射线与闪烁体发出的可见光分离。
优选地，所述第二透镜组安装于由石英玻璃制成的圆筒形结构中，所述圆筒形结构通过法兰安装于所述窗口上。
优选地，所述圆筒形结构的外侧设置有防尘防可见光干扰的保护装置。
优选地，所述束流阻挡器通过一支架安装于所述真空腔内。优选地，该支架由不锈钢材料制成。
优选地，所述支架可通过二维调节支撑平台调节位置，所述二维调节支撑平台包括水平位置调节模块和垂直位置调节模块。
所述一维调焦电机和二维调节支撑平台均通过实验站通用的电机控制器和驱动器进行驱动，以进行姿态调节。
优选地，二极管、闪烁体、第一透镜组以及反射棱镜均依次安装于一圆柱形镜筒中，该束流阻挡器还包括安装于圆柱形镜筒后端的铅皮，用于阻挡直通X射线对所述X射线小角散射探测器的损伤。可选地，圆柱形镜筒的直径为10mm。
优选地，所述窗口由石英玻璃制成。
正如背景技术部分内容所述，由于凝固过程的时间相关性、合金熔体的高温不透明性、组织结构跨尺度演变等原因，对凝固过程中多场耦合进行跨尺度原位实时的定量化表征，一直是世界性难题。然而，根据本发明提供的这样一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，利用X射线成像和小角散射联用技术即能实时的解决不透明高温金属熔体凝固过程中相关参数(如流畅、溶质场和应变场等)无法定量原位实时跨尺度检测的难题。
在上海光源小角散射线站，常规小角散射实验中通常使用的束流阻挡器一般采用表面为不锈钢材质、内部为铅芯材料构成的装置，用于阻挡直通X射线，避免X射线照射到小角探测器上而对探测器造成不可挽回的损伤，根据本发明提供的一种光学系统最大的发明点即在于，通过依次叠置的二极管、闪烁体、第一透镜组以及反射棱镜提供一种可以对X射线光斑进行高空间分辨、高动态范围、高帧频成像的束流阻挡器，其中，二极管用于检测直通光电流，闪烁体用于将X光转换为可见光，第一透镜组用于对可见光进行发散作用，反射棱镜用于反射可见光，从而巧妙地利用该束流阻挡器实现X光转化为可见光，另外还将现有的真空管道改造为安装有透明石英窗口的真空管道，结合第二透镜组以及X射线成像探测器，在通过X射线小角散射探测器采集X射线小角散射信号的同时进行X射线成像的在线测量。
根据本发明提供的一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，通过提供一种改进的束流阻挡器，以及采用一种创新的结构设计，将X射线小角散射探测器与X射线成像探测器集成到了一个光学系统里面，当X射线照射到样品之后，一方面，发生小角散射后通过X射线小角散射探测器采集散射信号，另一方面，穿过样品的X射线经过束流阻挡器转换为可见光并被90度折射后在X射线成像探测器上成像，从而实现X射线小角散射和X射线成像的同时测量，为解决合金凝固组织演变过程中对凝固过程跨尺度原位实时的定量化表征问题提供了可行的技术方案。此外，一维调焦电机和二维调节支撑平台均使用线站通用的电机驱动器和电机控制器进行姿态调节，确保了该光学系统的精准测量。
总之，根据本发明提供的这样一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，可用于在真空腔体内对束流阻挡器上的X射线光斑进行高分辨率、高动态和高采集速率探测，可实现对X射线小角散射和X射线成像同时检测，是国际上首个实现X射线小角散射及X射线成像联用的光学成像系统。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例提供的一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统的整体结构示意图；
图2是如图1中所示束流阻挡器的细节放大示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1所示，是根据本发明的一个优选实施例提供的一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，主要包括：具有一容纳空间的真空腔1；沿X射线20入射方向布置于真空腔1内的束流阻挡器2，如图2所示，该束流阻挡器2包括：依次叠置的二极管21、闪烁体22、第一透镜组23以及反射棱镜24；沿X射线20入射方向布置于真空腔1外的X射线小角散射探测器3，位于束流阻挡器2的后端；沿与X射线入射方向垂直的方向安装于真空腔1外的第二透镜组4和X射线成像探测器5，用于X射线成像探测器5调焦的一维调焦电机6，以及与X射线成像探测器5信号连接的计算机(图未示出)，用于快速获取电信号并重建图像。
根据该优选实施例，真空腔1的上方包括一窗口11，该窗口11由石英玻璃制成。
根据该优选实施例，二极管21采用硅光电二极管，用于实时监测光强。
根据该优选实施例，闪烁体22由厚度为20μm的YAG∶Ce制成，具有高分辨率，用于将入射X射线转为可见光。
根据该优选实施例，第一透镜组23由四个凸透镜和两个凹透镜依次叠置、彼此压紧组合而成，具体设置为凸透镜、凹透镜、凸透镜、凸透镜、凸透镜、凹透镜(顺着光路方向)这样依次压紧，用于对可见光进行发散作用，孔径可选为6mm。
根据该优选实施例，反射棱镜24是采用玻璃制成的直角反射棱镜，用于将X射线成像信号90度折射后在真空腔1外的X射线成像探测器5上进行观察。
根据该优选实施例，第二透镜组4由两个凸透镜和一个凹透镜依次叠置、彼此压紧组合而成，具体设置为凸透镜、凸透镜、凹透镜(从下往上)这样依次压紧，用于对可见光进行汇聚作用，孔径可选为120mm，该第二透镜组4安装于由石英玻璃制成的圆筒形结构7中，该圆筒形结构7通过法兰安装于真空腔1上，法兰通过螺钉与真空腔1连接，该圆筒形结构7的外侧设有风琴遮光罩8，用于防止可见光干扰和灰尘进入。
根据该优选实施例，该风琴遮光罩8和圆筒形结构7及其内部的第二透镜组4以及X射线成像探测器5通过连接件连接成一体，共同安装在装载有窗口11的法兰上。
根据该优选实施例，束流阻挡器2还通过一支架9安装于真空腔1内，该支架9由不锈钢材料制成。
根据该优选实施例，支架9可通过二维调节支撑平台10调节位置，该二维调节支撑平台10包括水平位置调节模块和垂直位置调节模块，以实现对束流阻挡器2沿水平方向和垂直方向的运动，保证束流阻挡器2始终位于同步X射线的中心。
根据该优选实施例，束流阻挡器2还包括安装于圆柱形镜筒后端的厚度为6毫米的铅皮25，避免阻挡直通X射线对X射线小角散射探测器3造成损伤，该厚度可根据实际情况定制。
根据该优选实施例，一维调焦电机6通过实验站通用的电机控制器和驱动器进行驱动，用于辅助X射线成像探测器5调焦。
根据上述优选实施例提供的光学系统，其工作原理如下：
X射线20在照射到样品30之后，发生小角散射后的X射线通过X射线小角散射探测器3采集，穿过样品30的直通X射线经过束流阻挡器2转换为可见光并被90度折射后在X射线成像探测器5上成像，从而实现X射线小角散射和X射线成像的同时测量。
根据本发明提供的X射线小角散射与X射线成像联用光学系统采用了真空腔内束流阻挡器联合真空腔外透镜组方案，可检测入射X射线能量范围为5keV～20keV，束流阻挡器尺寸较小，闪烁体探测分辨率高，成像探测器采集速率快(100fps)，探测器的控制及数据采集界面可基于同步辐射光源控制系统平台编写，满足同步辐射实验站的具体需求和布局，可与实验站其它设备集成为一体。
总之，根据本发明提供的这样一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，可用于在大真空腔体内对束流阻挡器上的X射线光斑进行高分辨率、高动态和高采集速率探测，可实现对X射线小角散射和X射线成像同时检测，是国际上首个实现X射线小角散射及X射线成像联用的光学成像系统。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (3)
1.一种X射线小角散射与X射线成像联用的光学系统，其特征在于，包括：
具有一容纳空间的真空腔，所述真空腔的上方包括一窗口；
沿X射线入射方向布置于所述真空腔内的束流阻挡器，包括：依次叠置的二极管、闪烁体、第一透镜组以及反射棱镜，所述二极管为硅光电二极管，所述闪烁体由YAG:Ce材料制成，所述第一透镜组由凸透镜、凹透镜、凸透镜、凸透镜、凸透镜、凹透镜这样依次压紧组合而成，所述反射棱镜是采用玻璃制成的直角反射棱镜；所述束流阻挡器通过一支架安装于所述真空腔内，所述支架可通过二维调节支撑平台调节位置，所述二维调节支撑平台包括水平位置调节模块和垂直位置调节模块；所述二极管、闪烁体、第一透镜组以及反射棱镜均依次安装于一圆柱形镜筒中；
沿X射线入射方向布置于所述真空腔外的X射线小角散射探测器，所述X射线小角散射探测器位于束流阻挡器的后端，所述束流阻挡器还包括安装于所述圆柱形镜筒后端的铅皮，用于阻挡直通X射线对所述X射线小角散射探测器的损伤；
沿与X射线入射方向垂直的方向安装于所述真空腔外的X射线成像机构，包括：与所述窗口对准的第二透镜组和X射线成像探测器，以及用于辅助所述X射线成像探测器调焦的一维调焦电机，所述第二透镜组由凸透镜、凸透镜、凹透镜这样依次压紧组合而成；以及
与所述X射线成像探测器信号连接的计算机；
其中，所述一维调焦电机和二维调节支撑平台均通过实验站通用的电机控制器和驱动器进行驱动，X射线沿X射线入射方向照射到样品，发生小角散射后的X射线通过所述X射线小角散射探测器采集，穿过所述样品的直通X射线经过所述束流阻挡器转换为可见光并被90度折射后在所述X射线成像探测器上成像，实现X射线小角散射和X射线成像的同时测量。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜组安装于由石英玻璃制成的圆筒形结构中，所述圆筒形结构通过法兰安装于所述窗口上。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述圆筒形结构的外侧设置有防尘防可见光干扰的保护装置。
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