CN113376190B

CN113376190B - 光阑及光学装置

Info

Publication number: CN113376190B
Application number: CN202110622010.9A
Authority: CN
Inventors: 杨一鸣; 石泓; 张小威; 常广才; 张一�; 冀斌
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2041-06-03
Also published as: CN113376190A

Abstract

本申请公开了一种光阑及光学装置，所述光阑包括：承载容器，设置有入光面、出光面和密封的空腔；塑形构件，沿射线的出射方向设置于所述空腔内，所述塑形构件设置有入光端和出光端，所述入光端与所述入光面连接，所述出光端与所述出光面连接，用于在射线的出射方向上形成具有预设轮廓的透射区域；液态金属，填充所述空腔未被所述塑形构件占据的空间，用于在射线的出射方向上形成不透射区域。本申请采用液态金属作为射线的屏蔽材料，其不会产生明显的寄生衍射，且具有良好的流动性，使得该光阑不投射区域与投射区域之间的界面足够光滑，一般散射的强度低，显著降低了寄生衍射的发生。

Description

光阑及光学装置

技术领域

本申请一般涉及光学技术领域，具体涉及一种光阑及光学装置。

背景技术

光阑是用于限制光束尺寸或空间范围的光学器件，其刀口(透光孔)多由钨或钽等高密度金属制成。对于高能射线，例如高能X射线而言，较薄的刀口会被穿透，一方面无法完全遮挡直通光信号，另一方面，由于金属材料往往为多晶，在高能X射线照射下，会产生低角度的强衍射信号(如图1和图2所示)；而较厚的刀口不仅难以加工，而且难以保证其边缘处的平整度和光滑度，亦会导致产生较强的衍射信号；上述现象与小角衍射中常见的“寄生散射”现象极为类似，称之为“寄生衍射”，寄生衍射信号往往会叠加到探测信息中导致探测结果不准确，严重影响数据质量。

在同步辐射光源发展的初期阶段，由于高品质的高能X射线的缺乏，寄生衍射现象的影响范围较小且程度较低。但是，随着高能同步辐射的普及，这一现象的影响越来越显著。

现有的一种解决方法通过使用纵向排列的多组光阑以吸收寄生衍射，这不仅增加了成本、复杂了光路，更重要的是，很多实验站的聚焦X射线的工作距离极其有限，根本没有足够的空间以放置两组以上的光阑。因此，亟需开发一种适用于高能射线的无寄生衍射光阑。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请期望提供一种适用于高能射线的无寄生衍射光阑及具有该光阑的光学装置。

作为本申请的第一方面，本申请提供一种光阑。

作为优选，所述光阑包括：

承载容器，设置有入光面、出光面和密封的空腔；

塑形构件，沿射线的出射方向设置于所述空腔内，所述塑形构件设置有入光端和出光端，所述入光端与所述入光面连接，所述出光端与所述出光面连接，用于在射线的出射方向上形成具有预设轮廓的透射区域；

液态金属，填充所述空腔未被所述塑形构件占据的空间，用于在射线的出射方向上形成不透射区域。

作为优选，所述液态金属为熔点低于常温的金属单质或合金。

作为优选，所述液态金属为汞单质、镓单质、镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金中的至少一种。

作为优选，所述承载容器和塑形构件分别由不与液态金属发生反应且无衍射或低衍射的材料制成。

作为优选，所述塑形构件为空心或实心的柱体。

作为优选，所述承载容器包括本体、盖体和底座，所述盖体上设有用于注入液态金属的注入口，所述底座上设有用于与调姿机构连接的连接结构。

作为优选，所述入光面和出光面的外壁上还设有用于标识所述塑形构件设置位置的定位结构。

作为优选，所述射线为高能X射线。

作为本申请的第二方面，本申请提供一种光学装置。

作为优选，所述光学装置包括如第一方面所述的光阑。

作为优选，所述光学装置至少包括两个光阑，所述光阑以姿态可调的方式沿射线的出射方向并排设置且彼此靠近。

本申请的有益效果：

本申请的光阑通过采用液态金属作为射线的屏蔽材料，以及采用塑性构件对液态金属进行塑形，形成了不投射区域和具有预设轮廓的投射区域，液态金属不会产生明显的寄生衍射，且具有良好的流动性，使得该光阑不投射区域与投射区域之间的界面足够光滑，一般散射的强度低，显著降低了寄生衍射的发生。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有的多晶钨圆孔光阑在高能X射线下的衍射平场像；

图2为应用多晶钨圆孔光阑的LaB₆标准样品的原始衍射像；

图3为本申请实施例的第一种光阑的示意图(未填充液态金属)；

图4为图3的光阑填充液态金属后的示意图；

图5为本申请实施例的第二种光阑的示意图(未填充液态金属)；

图6为图5的光阑填充液态金属后的示意图；

图7为本申请实施例的第三种光阑的示意图(未填充液态金属)；

图8为图7的光阑填充液态金属后的示意图；

图9为本申请实施例的第四种光阑的示意图(未填充液态金属)；

图10为图9的光阑填充液态金属后的示意图；

图11为无光阑时高能X射线的平场像；

图12为使用本申请的光阑时的吸收成像结果图；

图13为本申请的光阑在高能X射线下的平场像；

图14为应用本申请的光阑的LaB₆标准样品的原始衍射像；

图15为经过背景减除后的LaB₆标准样品的衍射像；

图16为应用本申请的光阑的信噪比结果图；

图17为应用现有多晶钨圆孔光阑的信噪比结果图；

图18为不同厚度铟嫁合金对不同能量X射线的透过率结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

光阑的使用会滤除光束周围的杂散光，并对光束形状及尺寸进行限制；光束经过光阑时，由于光的衍射效应，经过光阑截断后的光束横截面光强或光场分布会发生变化，请参照图1和图2，示出了对LaB₆标准样品进行高能X射线(50keV)照射实验时，采用现有的多晶钨圆孔光阑出现的寄生衍射现象，其中，图1为多晶钨圆孔光阑在高能X射线下的衍射图，a为多晶钨的衍射环，最内环被样品座遮挡了下半部分，b为用作屏蔽的铅皮的衍射斑，图2为LaB₆标准样品的衍射图，可以看出，钨和铅产生了非常强的衍射信号，它们叠加在LaB₆标准样品的衍射环中，严重干扰了LaB₆标准样品的高角衍射信号，影响了数据准确性。

根据本申请的第一方面，请参照图3和图4，示出了本申请的一种优选的实施方式的光阑，包括承载容器1，塑形构件2和液态金属3，其中，承载容器1设置有入光面11、出光面12和密封的空腔；塑形构件2沿射线的出射方向设置于所述空腔内，所述塑形构件2设置有入光端21和出光端22，所述入光端21与所述入光面11连接，所述出光端22与所述出光面12连接，用于在射线的出射方向上形成具有预设轮廓的透射区域4；液态金属3填充所述空腔未被所述塑形构件2占据的空间，用于在射线的出射方向上形成不透射区域5。

在本实施方式中，承载容器1用于容纳并包封液态金属3，射线可以穿透承载容器1，其接受射线的面为入光面11，沿射线出射方向与入光面11相对的面为出光面12；承载容器2的形状不受限制，例如可以为具有空腔的正方体、长方体、圆柱体等；

液态金属3是指常温下呈液态的低熔点金属，其熔点范围可以在10℃至45℃之间，可在一般状态下保持流体状态，其作为射线的屏蔽材料或挡光材料，在射线经过光阑时与射线相互作用，损耗其能量并吸收射线，从而在光阑上形成不投射区域5，即该区域无射线透过；

塑形构件2用于对液态金属3塑形从而在光阑上形成投射区域4，即形成透光孔，亦称之为光阑孔径；具体而言，由于液态金属3的流动性和屏蔽性，为获得所需的透光孔形状和尺寸，需要借助塑形构件2占据空腔的部分空间，使得该部分空间不被液态金属3填充而允许射线穿过；投射区域4的形状和尺寸(即投射区域的轮廓，也即光阑孔径)与塑形构件2的形状和尺寸相对应；其中，塑形构件2平行于射线出射方向设置于空腔中，其入光端21连接于承载容器2的入光面11，出光端22连接于承载容器1的出光面12，即塑形构件2的两个端部连接在承载容器1的内壁上，射线从塑形构件2的入光端21射入，经由塑形构件2本体从塑形构件2的出光端22射出；其中，液态金属3屏蔽性能优异，且不会产生明显的寄生衍射，能够有效避免干扰性衍射的产生，同时其具有良好的流动性、柔韧性和高分散性，使得液态金属3与塑形构件2的边界光洁度较好，也即使得投射区域4与不投射区域5的界面足够光滑，一般散射的强度低，显著降低了寄生衍射的发生。

在本实施方式中，塑形构件2可以和承载容器1一体成型，也可以形成为单独的元件，通过任何合适的方式连接到承载容器1的内壁，诸如通过紧固件、焊接、熔接、粘合剂等。

在本实施方式中，所述射线包括但不限于为X射线、γ射线、α射线、β射线、中子、质子等具有足够穿透能力的射线；在一些更优选的方式中，所述射线为高能射线，诸如高能X射线，高能γ射线。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述液态金属3为熔点低于常温的金属单质或合金。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述液态金属3为汞单质、镓单质、镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金中的至少一种。示例性地，镓铟共晶合金熔点15.9℃、镓锡共晶合金熔点20.4℃，镓铟锡共晶合金熔点11℃。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述承载容器1和塑形构件2分别由不与液态金属3发生反应且无衍射或低衍射的材料制成，使得本申请的光阑显著减少寄生衍射的发生。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述承载容器1和塑形构件2分别由塑料或碳材料制成，上述材料为非晶材料，不会产生衍射，可防止液态金属3的腐蚀性，且具有较好的导热性和耐辐照性；其中，塑料包括但不限于为PMMA、PE、PP、PVC、ABS等，碳材料包括但不限于为石墨、碳纤维等。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述塑形构件2为空心或实心的柱体；其中，柱体包括但不限于为圆柱体、长方体、正方体。请参照图3至图10，示出了几种类型的光阑，其中，图3和图4中的塑形构件2为圆柱体，其纵切面呈长方形，设置于形状为长方体的承载容器1的中心区域，其两个圆面(即底面)作为入光端21和出光端22，分别连接入光面11和出光面12，使得该光阑为中间具有透光孔的圆孔光阑，光阑孔径等于圆柱体底面的直径；图5和图6的塑形构件2为长方体，其设置于形状为长方体的承载容器的中心区域，其背面和正面分别作为入光端和出光端，分别连接入光面和出光面，使得该光阑为中间具有透光孔的方孔光阑；图7和图8的塑形构件2为长方体，其设置于形状为长方体的承载容器的左下角处，其背面和正面分别作为入光端和出光端，且塑形构件2除入光端和出光端之外的另外两个面(底面和左侧面)也与空腔的内壁连接，占据空腔1/4的面积，使得该光阑为左下角具有透光孔的方孔光阑；图9和图10的塑形构件2的形状及与承载容器的连接方式与图7类似，不同的地方在于塑形构件2设置于承载容器的右上角处，其背面和正面分别作为入光端和出光端，除入光端和出光端之外的另外两个面(顶面和右侧面)也与空腔的内壁连接，使得该光阑为右上角具有透光孔的方孔光阑。

优选地，所述塑形构件2为空心柱体，以尽可能地避免塑形构件2自身可能产生的微弱的衍射环。其中，针对不同实验样品可以选取不同的塑形构件2以避开样品的衍射角度。

优选地，承载容器1中可设置多个形状相同或不同的塑形构件2，使得所形成的光阑具有多个投射区域4。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述承载容器1包括本体13、盖体14和底座15，所述盖体14上设有用于注入液态金属3的注入口16，所述底座15上设有用于与调姿机构连接的连接结构17。

在本实施方式中，当塑形构件2与承载容器1为单独的元件时，通过取下盖体14可以便于将塑形构件2固定连接在空腔中；

其中，注入口16的设置位置应避免位于塑形构件3的上方，以免在注入液态金属3时产生的冲击力损坏塑形构件2，优选注入口16设置于所述盖体14上；其中注入口16具有与其相匹配的封堵件，以在液态金属3注入完成后封堵注入口16，封堵件可以为弹性塞或螺纹塞等；

其中，调姿机构是指用于调整光阑姿态的机构，借助调姿机构实现光阑的姿态可调。在本申请中，姿态可调是指光阑的位置可以相对于射线的出射端移动或光阑可以绕光轴旋转，从而能够根据实际应用情况调整光阑孔径与射入的射线的相对位置，使其可以随时改变出射的光束的尺寸和形状，即调整光通量和光束形状，不仅方便调整实验状态，而且有助于提高实验精确性和信噪比；特别地，当具有多个光阑时，每个光阑可通过独立的调姿机构相对移动或旋转交错叠加以形成可变光阑孔，调整机构包括但不限于为直线电机；其中，连接结构17包括但不限于为设置在底座上的连接孔、卡扣等，使得光阑可以与调姿机构以栓接、螺接或卡接的形式连接。

其中，承载容器1腔壁的厚度应适宜，过薄导致光阑机械强度差，容易损坏；过厚会影响光阑对射线的限制，尤其当两个以上光阑并排设置使用时，过厚会导致各光阑投射区域之间的间隙较大，容易发生漏光。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述入光面11和出光面12的外壁上还设有用于标识所述塑形构件2设置位置的定位结构18。

在本实施方式中，通过位于外壁的定位结构18可知塑形构件2在空腔内部的大致设置位置；在另一些情况下，当承载容器1和塑形构件2为独立的元件时，通过定位结构18可获知塑形构件2的预设位置，便于方便地将塑形构件2连接在相对应的区域；此外，定位结构18还可以用于光阑在线调姿时的定位；

定位结构18包括但不限于为设置于承载容器1外壁的具有任意几何形状的盲孔或凸起，其中，定位结构18的尺寸应小于塑形构件2的尺寸。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述射线为高能X射线；优选地，所述高能X射线的典型能量范围为50-200keV；进一步优选地，所述高能X射线的能量范围为50-80keV。

进一步地，借助同步辐射装置进行吸收成像实验和衍射实验对本申请的光阑的性能进行测试，其中，实验组所采用的光阑中填充的液态金属为铟嫁合金，含20％铟，80％镓，铟镓配比为1:4，塑形构件为图2所示的圆柱状，对照组采用多晶钨圆孔光阑，实验品采用LaB₆标准样品，高能射线为50keV高能X射线。

吸收成像实验

吸收成像实验的目的在于验证本申请的光阑对高能X射线的直接屏蔽作用。获得的结果如图11和图12所示，其中，图11为未使用本申请的光阑时采集的平场像，作为对比使用，图12为使用本申请的光阑时采集的吸收像，图11和图12中上方图像为黑线所示水平方向的强度分布图，右侧图像为灰线所示垂直方向的强度分布图。

可以看出，图11中水平和垂直方向强度分布是近似于高斯分布的(灰线下方位置是被其他光阑所限制的)。从图12可以直观的看出，光阑对高能X射线有很好的屏蔽作用；其次，垂直方向的强度分布图显示出了很锐利的强度变化，定量地证明了光阑对高能X射线有非常好的屏蔽效果，而水平方向的强度变化不如垂直方向“陡峭”，这是因为光源的水平尺寸太大，使得水平方向的点扩展函数过大导致的，而非光阑本身的问题；进一步地，通过对线性强度分布的细致分析可以发现，图12中被屏蔽部分(黑色区域)的强度的绝对读数极低，小于1000，但在光阑圆孔附近的强度略微升高，约为3000，这是由于光源的点扩展函数和光阑边缘的散射造成的，但此强度值仍远低于直通光的强度值，在不采集小角度散射信号时几乎没有影响。因此，可以得出结论，本发明的光阑对于高能X射线的直接屏蔽作用效果显著。

衍射实验

衍射实验的目的在于验证本申请的光阑在高能X射线下是否会产生有干扰性的衍射信号。实验结果如图13至图15所示，其中，图13为未放置样品时采集的本申请的光阑的平场像。首先，值得注意的是，虽然液态金属材料本身没有产生衍射信号，但图中显示出一圈弥散的环状散射信号，该信号主要来自于对液态金属塑形时所使用的圆柱形塑形构件(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)。结合图14和图15的进一部分析表明，该散射信号分布均匀且强度相对较低，一般不会影响样品的衍射信号，且通过图像处理等手段可以有效的去除；其次，图13中的a1-a4为不同曝光时间下相同灰线位置上的强度分布结果。随着曝光时间的增长，绝对强度线性提升，但相对关系保持不变，表明曝光时间的长短对实验结果没有影响。

图14为放入LaB₆标准样品时采集的衍射像，可见标准样品的衍射信号明显高于背景信号；其中，b1-b4为不同曝光时间下相同灰线位置上的强度分布结果，通过灰线所示位置的强度分布也可以定量的印证这一结果。但是，由于本次实验所使用的光阑孔径较大，约为1mm，因此，样品高角度衍射信号的分辨率较差。缩小光阑孔径可以有效的解决这一问题，但对塑形构件的加工提出了更高的要求。

图15为将图13与图14进行背景减除后的结果，从灰线所示位置的强度分布可以看出(c1-c4)，衍射信号的信噪比很好，更进一步的分析见图16和图17。

图16所示为LaB₆标准样品在使用本申请的光阑时的信噪比结果，图17为使用现有的多晶钨圆孔光阑(直径约300μm)的信噪比结果，可以看出使用本发明的光阑可以显著提高信噪比，所获得的实验数据质量较高，这得益于光阑本身的寄生衍射的干扰较少。

进一步地，由于射线在穿过本申请的光阑的不投射区域时发生衰减，不投射区域对射线的屏蔽作用除了与液态金属的屏蔽性能相关，还与不投射区域的厚度相关，也即与射线所穿过的液体金属的厚度相关，其中，液体金属的厚度等于入光面与出光面之间的距离；

为保证实验样品衍射信号的信噪比，要求不投射区域的射线透过率小于0.1％，图18显示了不同厚度铟嫁合金(含20％铟，80％镓，铟镓配比1:4)对不同能量X射线的透过率，可以看出，X射线的透过率与液体金属的厚度之间呈负相关，液体金属厚度越大，X射线透过率越低，对X射线的屏蔽效果就越好；在实际应用中可以根据射线不同的能量，选择合适的液体金属厚度以实现对射线的良好屏蔽。

作为本申请的第二方面，本申请提供一种光学装置，所述光学装置包括如上所述的光阑，以对光束形状及尺寸进行限制。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述光学装置至少包括两个光阑，所述光阑以姿态可调的方式沿射线的出射方向并排设置且彼此靠近。

示例性地，所述光学装置包括如图8和图10所示的两个光阑，两个光阑在射线的出射方向上串联布置且彼此靠近，由于两个光阑的投射区域处于呈对角线分布的两个拐角处，一个光阑的投射区域与另一个光阑的不投射区域叠加，从而在光阑的中心区域形成可透光的狭缝，由于两个光阑各自独立的体态可调，通过调整其中任意一个或两个光阑的姿态可使狭缝的尺寸和形状改变，从而被安装成能够相对于彼此定位的狭缝光阑的形式，以满足更多的实验要求。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述光学装置还包括与所述光阑可拆卸连接的调姿机构，诸如直线电机。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述光学装置还包括射线产生机构，诸如射线管，所述光阑设置于射线产生机构的出射端。

进一步地，在本申请一些优选的实施方式中，所述光学装置还包括射线检测机构，用于检测所述射线并输出图像信号。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种光阑，其特征在于，包括：

承载容器，设置有入光面、出光面和密封的空腔；

液态金属，填充所述空腔未被所述塑形构件占据的空间，用于在射线的出射方向上形成不透射区域；

所述承载容器和塑形构件分别由不与液态金属发生反应且无衍射或低衍射的材料制成；

所述射线为高能X射线。

2.根据权利要求1所述的光阑，其特征在于，所述液态金属为熔点低于常温的金属单质或合金。

3.根据权利要求2所述的光阑，其特征在于，所述液态金属为汞单质、镓单质、镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的光阑，其特征在于，所述塑形构件为空心或实心的柱体。

5.根据权利要求1所述的光阑，其特征在于，所述承载容器包括本体、盖体和底座，所述盖体上设有用于注入液态金属的注入口，所述底座上设有用于与调姿机构连接的连接结构。

6.根据权利要求5所述的光阑，其特征在，所述入光面和出光面的外壁上还设有用于标识所述塑形构件设置位置的定位结构。

7.一种光学装置，其特征在于，所述光学装置包括如权利要求1至6任一项所述的光阑。

8.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置至少包括两个光阑，所述光阑以姿态可调的方式沿射线的出射方向并排设置且彼此靠近。