CN111722264B - 一种x射线多层膜反射镜的调节方法及应用 - Google Patents

一种x射线多层膜反射镜的调节方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种X射线多层膜反射镜的调节方法，所述方法通过对X射线多层膜反射镜进行调节从而以之字形方式移动X射线二次衍射光斑，以实现对X射线的聚焦，还提供了其应用。本发明利用现有的元件来调节镜片，无需拆解反射镜。同方向同速度旋转相同镜片，以之字形方式增加二次衍射光斑的面积，操作灵活、简便高效，快速实现对X射线多层膜反射镜的调节。

Description

一种X射线多层膜反射镜的调节方法及应用
技术领域
本发明涉及X射线技术领域，尤其涉及一种X射线多层膜反射镜的调节方法及应用。
背景技术
X射线在国家的科研和工业生产中发挥着不可替代的作用，而如何提高X射线的品质，尤其是提高X射线的强度或者亮度一直是科学家们努力攻克的难题。
P.Kirkpatrick和A.V.Baez在1948年首次提出了一种新型的聚焦X射线元件的设计思路，利用晶体表面成凹面的球面几何构型对X射线进行聚焦，这种构型的X射线聚焦镜也被后人称为Kirkpatrick–Baez(K–B)镜。在1957年，M.Montel则进一步完善了这种构型的设计，即利用两块完全相同但互相垂直放置的反射镜来聚焦X射线，这是一种非常简便且紧缩的方式，更为关键的是两个垂直方向聚焦的光斑大小是一样大的。Montel方案克服了K-B镜序列配置中放大率不同的缺点，在两个方向上光束的质量(尺寸和发散角等)几乎是对称的。两个互相垂直的镜片被安装在预先设计好的底座上，非常容易拆卸和组装，因此Montel方案现在已经成为了设计X射线聚焦元件的主流方案。本发明采用的即是德国Incoatec公司生产的Montel Optics，其是由两个横向镀有多层膜的反射镜组成。
X射线多层膜反射镜由于在安装过程中位置的摆放可能对X射线聚焦产生影响，聚焦光斑的变化会导致强度的降低，因此如何进行镜片的调节就成为了一个关键的问题。而目前还没有人研究反射镜镜片的位置对X射线光斑的影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种X射线多层膜反射镜的调节方法及应用。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种X射线多层膜反射镜的调节方法，所述方法通过对X射线多层膜反射镜进行调节从而以之字形方式移动X射线二次衍射光斑，以实现对X射线的聚焦。
根据本发明第一方面所述的方法，其中，所述X射线多层膜反射镜包括：两片设置为L型的多层膜反射镜镜片、分别设置于多层膜反射镜镜片前后的两个铍窗和用于调节反射镜镜片的齿轮；所述方法还包括设置于多层膜反射镜之外的探测器；
其中，X射线从源点发出后经过第一个铍窗后，通过L型多层膜反射镜镜片反射再通过第二个铍窗，所述探测器放置在第二个铍窗后对X射线进行探测并确定X射线的焦点。
根据本发明第一方面所述的方法，其中，所述每片镜片通过两个齿轮进行调节；
优选地，所述镜片通过活塞与所述齿轮连接；
更优选地，通过电机控制旋转齿轮改变反射镜镜片的姿态。
根据本发明第一方面的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
(1)将探测器放置于第二个铍窗后，调节X射线二次衍射光斑的面积；
(2)调节控制反射镜齿轮旋转的方向和速度，以之字形方式增加二次衍射光斑的面积；
(3)调节完后，观察探测器上一个直通光斑、两个一次衍射光斑和一个二次衍射光斑的形状；
(4)将探测器置于反射镜的焦点处，观察X射线二次衍射光斑的形状和强度，二次衍射光斑在焦点处收敛。
根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(1)中，先对X射线多层膜反射镜进行粗调，使四个X射线光斑同时出现在探测器上。
根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(1)中，将X射线二次衍射光斑的面积调至最大，并观察其是否被铍窗外沿切割。
根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(2)中，控制同一反射镜的两个齿轮按同方向和同速度同时旋转，当X射线二次衍射光斑增加更多时，调节另一反射镜的两个齿轮，按同方向和同速度同时旋转，使二次衍射光斑的面积在探测器上以之字形方式增加；
优选地，所述旋转速度为每次1/8或1/4转。
根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(2)中，如果二次衍射光斑某一边被铍窗外沿切割得更多，则向该边的垂直方向运动；和/或
二次衍射光斑调节过度被铍窗外沿另外一端切割时，反向旋转控制所述齿轮的电机。
根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(3)中，观察探测器上X射线二次衍射的形状，使其不被铍窗外沿切，同时保证四个X射线光斑都完整出现在探测器上。
本发明的第二方面提供了一种X射线的聚焦方法，所述X射线的聚焦方法包括如第一方面所述的X射线多层膜反射镜的调节方法。
本发明的目的是为了解决X射线多层膜反射镜调节的关键技术问题，具体涉及一种利用多层膜反射镜来聚焦X射线的方法，提供一种同方向同速度旋转相同镜片的方法，旨在解决现有X射线多层膜反射镜无法实现快速对X射线聚焦的问题。主要适用于X射线多层膜反射镜由于在安装过程中镜片位置的摆放使得X射线二次衍射光斑被铍窗外沿切的情况，为了解决上述问题，本发明提供了一种X射线多层膜反射镜的调节方法，提出一种以之字形方式移动X射线二次衍射光斑的方法，具有操作灵活、简便高效等优点。
在一个具体实施例中，本发明方法包括以下步骤：
1、将探测器放置于第二个铍窗后，调节X射线二次衍射光斑的面积；
2、调节电机，控制反射镜四个齿轮旋转的方向和速度；
3、调节完后，观察探测器上四个X射线光斑的形状；
4、将探测器置于反射镜的焦点处，观察X射线二次衍射光斑的形状和强度。
根据本发明的方法，其中，所述步骤(1)中，先用靠近焦点一侧的两个电机对X射线多层膜反射镜进行粗调，使四个X射线光斑都同时出现在探测器上。
根据本发明的方法，其中，所述步骤(1)中，将X射线二次衍射光斑的面积调至最大，并观察其是否被铍窗外沿切割。
根据本发明的方法，其中，所述步骤(2)中，利用外部电机来控制四个齿轮的旋转，以此来改变反射镜的姿态。控制同一反射镜的两个电机要按同方向和同速度同时旋转，当X射线二次衍射光斑增加更多时，调节另一反射镜剩下的两个电机，也按同方向和同速度同时旋转，使二次衍射光斑的面积在探测器上以之字形方式增加；优选地，每次以1/8或1/4转的步伐旋转。
根据本发明的方法，其中，所述步骤(2)中，如果二次衍射光斑某一边被切得更多，那么就向该边的垂直方向运动。
根据本发明的方法，其中，所述步骤(2)中，如果二次衍射光斑调节过度，出现被铍窗外沿另外一端切的情况，应该反向旋转电机。
根据本发明的方法，其中，所述步骤(3)中，观察探测器上X射线二次衍射光斑的形状，使其不被铍窗外沿切，同时保证四个X射线光斑都能完整出现在探测器上。
根据本发明的方法，其中，所述步骤(4)中，将探测器放置于反射镜的焦点处，观察X射线二次衍射光斑是否是一个圆，大小是否最小，强度是否最强。
本发明提供了一种X射线多层膜反射镜的调节方法，可以具有但不限于以下有益效果：
(1)利用现有的元件来调节镜片，无需拆解反射镜。
(2)同方向同速度旋转相同镜片，以之字形方式增加二次衍射光斑的面积，操作灵活、简便高效，快速实现对X射线多层膜反射镜的调节。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明的X射线多层膜反射镜的结构简图。
图2示出了本实施例的X射线聚焦的原理示意图。
图3示出了实施例中多层膜反射镜第二个铍窗外四个X射线光斑的分布图。
图4示出了实施例中多层膜反射镜焦点处四个X射线光斑的分布图。
图5示出了实施例中X射线二次衍射光斑被铍窗外沿切时光斑的分布及调节方法。
图6示出了实施例中调整好之后的二次衍射光斑的分布图。
图7(a)和7(b)为实施例中两种X射线二次衍射光斑被铍窗外沿切一部分的情况示意图。
图8(a)和8(b)为实施例中两种X射线二次衍射光斑调节过度，被铍窗外沿另外一端切的情况示意图。
附图标记说明：
1a、多层膜反射镜镜片1；1b、多层膜反射镜镜片2；2、反射镜底座；3a、活塞1；3b、活塞2；3c、活塞3；3d、活塞4；4a、齿轮1；4b、齿轮2；4c、齿轮3；4d、齿轮4；5a、弹簧1；5b、弹簧2；6a、源点；6b、焦点；7a、X射线轨迹1；7b、X射线轨迹2；7c、X射线轨迹3；7d、X射线轨迹4；8a、铍窗底座1；8b、铍窗底座2；9a、铍窗1；9b、铍窗2；10、直通光斑1；11a、一次衍射光斑1；11b、一次衍射光斑2；12、二次衍射光斑1；13、直通光斑2；14a、一次衍射光斑3；14b、一次衍射光斑4；15、二次衍射光斑2；16、铍窗外沿。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的材料如下：
材料：
X射线多层膜反射镜，购自德国Incoatec公司。
实施例1
本实施例用于说明本发明的方法。
图1是本发明的X射线多层膜反射镜的结构简图，其包括多层膜反射镜镜片1a和1b，反射镜底座2，活塞3a、3b、3c和3d，齿轮4a、4b、4c和4d，弹簧5a和5b。多层膜反射镜镜片1a和1b是由两块很多层晶体薄膜镀在衬底上形成，其形状呈L型，表面成椭球面分布，它的曲率半径很大，肉眼几乎看不出来。反射镜底座2用于固定和支撑X射线多层膜反射镜，活塞3a、3b、3c和3d固定在反射镜底座2上，分别与齿轮4a、4b、4c和4d接触。齿轮4a、4b、4c和4d内径的大小是不均匀的，其内径大小之差与反射镜镜片角度的调节幅度有关，差值越大，镜片角度可以调节的幅度越大。齿轮4a和4c分别通过活塞3a和3c控制镜片1b下面的左右两个部位，齿轮4b和4d分别通过活塞3b和3d控制镜片1a前面的左右两个部位，而四个旋转齿轮4a、4b、4c和4d是通过外部的电机(图中未画出)来控制完成的，以此来改变反射镜镜片的姿态。反射镜底座2通过弹簧5a和5b固定于外面的小腔室(图中未画出)内。
图2是多层膜反射镜聚焦X射线的原理示意图。X射线的产生方式有很多种，比如传统的X射线管、超强激光与金属靶相互作用等。它们产生的特征X射线辐射可分为Kα、Kβ等，其中Kα的强度要比Kβ高出许多，因此本发明人选择Kα辐射作为本发明的特征X射线源。源点6a发射出X射线，在空间成4π球面发散分布。铍窗9a是小腔室前的一个窗口，用于收集X射线。然后X射线分别到达多层膜反射镜的上下两块镜片，X射线在镜片的每一层膜上都必须严格满足布拉格衍射方程，才能被镜片反射。经过上下两次反射之后，再次被小腔室后铍窗9b收集，收敛于焦点6b。X射线7a、7b、7c和7d分别表示被镜片反射的X射线轨迹，铍窗底座8a和8b分别用于固定铍窗9a和9b。X射线光斑可以采用两维的探测器(图中未画出)，比如高灵敏度的Andor单光子CCD，去探测。
将探测器置于多层膜反射镜铍窗9b外，对X射线多层膜反射镜进行粗调，先调节靠近焦点6b一侧的两个电机，然后再调节靠近源点6a一侧的两个电机，使四个X射线光斑都同时出现在探测器上。注意电机控制的齿轮作周期性圆周运动，在旋转一圈之后又回到了原来的位置上。在理想的情况下，可以得到四个X射线光斑的分布图，如图3所示。此处的X射线光斑包含四个部分，分别是直通光斑10，一次衍射光斑11a和11b，二次衍射光斑12。其中直通光斑10是没有经过镜片的，从源点6a直接到达探测器阵面上，一次衍射光斑11a和11b是只经过一次镜片的反射，分为上下两部分。二次衍射光斑12是经过两次镜片的反射得到的。如果探测器分辨率足够，直通光斑10与二次衍射光斑12是很容易进行区分地，直通光斑强度分布比较均匀，而二次衍射光斑内部会出现一些精细结构，这是由于反射镜的面形误差导致的强度调制，属于正常的现象。如果在调节过程中发现二次衍射光斑出现忽明忽暗的连续变化，那么较弱的是Kβ辐射，而更亮的则是Kα辐射。这时候微调电机，使更亮的Kα辐射重新出现在探测器上。将探测器置于焦点6b处时，四个X射线光斑的分布图如图4所示。此处的X射线光斑包含四个部分，分别是直通光斑13，一次衍射光斑14a和14b，二次衍射光斑15。与图3相比，直通光斑13明显变大，强度降低，一次衍射光斑14a和14b也变得更加细长，二次衍射光斑15在焦点处收敛，光斑直径最小，强度最强。
由于主要关注X射线二次衍射光斑的强度，现在来看其在铍窗9b后的光斑形状的变化。需要指出的是，在X射线产生过程中，铍窗9a和9b可以起到保护反射镜镜片的作用，其对X射线的透过率很高，几乎是透明的，而铍窗的底座8a和8b对X射线的透过率很低，可以截止绝大部分X射线光子。在不理想情况下，X射线多层膜反射镜由于在安装过程中位置的摆放可能会使得X射线光斑被铍窗外沿16切割，进而改变二次衍射光斑的形状，最终对X射线聚焦造成影响。图5表示的就是二次衍射光斑被铍窗外沿切的一种典型的扇形形状，为了方便，此处未画出直通光斑和两个一次衍射光斑，图7a、7b、8a和8b同上。这个时候就需要利用外部电机(图中未画出)来控制齿轮4a、4b、4c和4d的旋转，以此来改变反射镜的姿态。注意控制同一反射镜的两个电机要按同方向和同速度同时旋转(比如控制齿轮4a和4c以顺时针方向旋转)，当X射线二次衍射光斑面积增加更多时，调节另一反射镜剩下的两个电机，也按同方向和同速度同时旋转，使二次衍射光斑面积在探测器上以之字形方式增加，每次按1/8或1/4转的步伐旋转。如图5所示，使二次衍射光斑按照①②③④先后顺序出现在探测器上，①和②的顺序可以交换，即也可以按照②①④③的顺序出现在探测器上。图6是调整好之后的四个X射线光斑的分布图。
图7(a)和7(b)表示的是两种二次衍射光斑被铍窗外沿切一部分的情况，它们分别需要以图中①②③出现的顺序来调整光斑。
图8(a)和8(b)表示的是两种二次衍射光斑调节过度，被铍窗外沿另外一端切的情况，它们分别需要以图中①②③出现的顺序来调整光斑。
值得注意的是，如果在调节过程中出现二次衍射光斑丢失或者迅速变暗的情况，这可能是由于反射镜靠近源点或焦点一端的角度调节过大造成失谐，就需要以±1/8转的小步伐来调节靠近焦点一端的电机，使二次衍射光斑再次出现在探测器上。
最后将探测器放置于反射镜的焦点处，观察二次衍射光斑的大小是否最小，强度是否最强，如果是的话就说明达到了最后要聚焦的效果。由于X射线在传播过程中会发散，因此在到达焦点位置时，四个X射线光斑之间的间距会拉大，能不能同时看到全部四个光斑取决于探测器的阵列大小。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (7)

1.一种X射线多层膜反射镜的调节方法，其特征在于，所述方法通过对X射线多层膜反射镜进行调节从而以之字形方式移动X射线二次衍射光斑，以实现对X射线的聚焦；其中，
所述X射线多层膜反射镜包括：两片设置为L型的多层膜反射镜镜片、分别设置于多层膜反射镜镜片前后的两个铍窗和用于调节反射镜镜片的齿轮；
所述每片镜片通过两个齿轮进行调节；所述镜片通过活塞与所述齿轮连接；通过电机控制旋转齿轮改变反射镜镜片的姿态；
所述方法包括以下步骤：
(1)将探测器放置于第二个铍窗后，调节X射线二次衍射光斑的面积；
(2)调节控制反射镜齿轮旋转的方向和速度，以之字形方式增加二次衍射光斑的面积；所述步骤(2)中，控制同一反射镜的两个齿轮按同方向和同速度同时旋转，当X射线二次衍射光斑增加更多时，调节另一反射镜的两个齿轮，按同方向和同速度同时旋转，使二次衍射光斑的面积在探测器上以之字形方式增加，所述旋转速度为每次1/8或1/4转；
(3)调节完后，观察探测器上一个直通光斑、两个一次衍射光斑和一个二次衍射光斑的形状；
(4)将探测器置于反射镜的焦点处，观察X射线二次衍射光斑的形状和强度，二次衍射光斑在焦点处收敛。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括设置于多层膜反射镜之外的探测器；
其中，X射线从源点发出后经过第一个铍窗后，通过L型多层膜反射镜镜片反射再通过第二个铍窗，所述探测器在第二个铍窗后对X射线进行探测确定X射线的焦点。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，先对X射线多层膜反射镜进行粗调，使四个X射线光斑同时出现在探测器上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将X射线二次衍射光斑的面积调至最大，并观察其是否被铍窗外沿切割。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，如果二次衍射光斑某一边被铍窗外沿切割更多，则向该边的垂直方向运动；和/或
二次衍射光斑调节过度被铍窗外沿另外一端切割时，反向旋转控制所述齿轮的电机。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，观察探测器上X射线二次衍射的形状，使其不被铍窗外沿切，同时保证四个X射线光斑都完整出现在探测器上。
7.一种X射线的聚焦方法，其特征在于，所述X射线的聚焦方法包括如权利要求1至6中任一项所述的X射线多层膜反射镜的调节方法。
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