CN113741137B - 一种具有高分辨率和高单色性的x射线光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，包括多通道KB成像物镜和探测器，所述多通道KB成像物镜的输出侧与探测器之间放置有N块平面晶体，其中，N≥1，所述平面晶体的数量与单色能点的数量相同，所述多通道KB成像物镜的各通道反射光束之间具有平行出射的光路特性。与现有技术相比，本发明能够解决现有多通道KB结构配合平面晶体元件过程中存在的问题，同时实现高空间分辨和高单色性的目的，本发明提出的多能点X射线成像系统，基于各成像通道相互平行出射的光路排布，易于实现成像物镜与平面晶体匹配时的角度姿态控制，降低角度偏差造成的实际诊断能点相对设计能点的漂移，进而有效提高诊断结果的可靠性。

Description

一种具有高分辨率和高单色性的X射线光学成像系统

技术领域

本发明涉及激光等离子体X射线成像技术领域，尤其是涉及一种具有高分辨率和高单色性的X射线光学成像系统。

背景技术

对等离子体的空间分布、时间演化和能谱特征等重要信息进行高质量的成像诊断，是高能量密度物理(HEDP)和惯性约束聚变(ICF)领域的重要研究内容。将多通道的掠入射X射线成像物镜与时间分辨的分幅相机相配合，每个成像通道分别对应某一时刻等离子体的瞬态信息，可以获得等离子体的二维瞬态演化行为，即空间分布和时间演化信息。弯晶成像则可以在某一特定能点获得等离子体的高能谱分辨二维空间分布，主要适用于对诊断示踪或掺杂元素X射线特征线的单能成像。如果能将高空间分辨的多通道X射线成像物镜(目前主要是多通道KB显微镜) 与高能谱分辨的平面晶体分光元件相耦合，就能够获得多个对同一能点响应的高空间分辨和高单色性成像，再结合分幅相机等像面记录设备，即可完成时间分辨的信号记录，这种兼具高时、空、谱分辨特性的成像系统对HEDP和ICF精密诊断能力的建设具有重要意义。

但是KB(Kirkpatrick-Baez)显微镜与平面晶体的耦合存在着严重的技术障碍：分幅相机的微带记录面沿一定间隔分布，这就要求KB显微镜各成通道的像点排布应与微带间隔一致，而现有多通道KB结构是将大曲率半径超光滑球面反射镜两两相对，依次在子午和弧矢方向上正交放置排列，每一个成像通道各经过子午和弧矢方向一块反射镜的一维聚焦反射成像，所有成像通道在成像时将各反射镜相互利用，最终在探测器记录面上形成矩阵排布的像点组合，图1所示为具有八个成像通道的光路结构(标号1为物点；标号2位支撑锥芯装配靠体——包含M1～M6共六块不同的反射镜，其中，M1、M2、M5和M6是子午方向，M3和M4是弧矢方向；标号3为分幅相机、即探测器)，这种多通道KB结构的光路排布结构只能通过调节物像距等方式，才能实现对像点空间间隔的调控，而且无法控制各通道光束在传播过程中的相对夹角及间隔，各通道出射的X射线光路相互之间以不同的空间范围和夹角在像面的不同位置上成像，因此若通过各通道分别引入一块平面晶体进行单色成像的方式，那么在引入平面晶体后，各通道的入射角度将各不相同，不仅角度姿态难以控制，同时反射后的单色图像空间位置也会发生很大偏离，这就造成现有的多通道KB显微镜与平面晶体很难实现各通道像点间排布与分幅相机记录面间隔的理想匹配，从光路结构上就不具有可行性。另外，由于平面晶体元件是基于布拉格衍射原理工作：2dsinθ＝kλ，其中d为晶格常数，λ为工作波长，θ为布拉格角(即掠入射角)，而HEDP和ICF物理实验一般是对某一靶材料辐射的特征X射线进行成像，如Cu的Kα线的能点为8.04keV(对应波长为0.154nm)，其能谱分辨能力λ/Δλ＝tanθ/Δθ。工作角度的微小偏差Δθ都将会导致平面晶体反射的单色X射线能点与感兴趣的特征X射线能点发生偏离，进而造成各成像通道对应的单色能点存在较大差异，同时成像光强度急剧降低，甚至完全没有信号。因此从诊断效果上看，各幅图像工作能点和光强度的一致性难以得到很好的保证，必然会严重影响诊断测量的数据精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高分辨率和高单色性的X射线光学成像系统，以解决现有多通道KB结构配合平面晶体元件过程中存在的问题，同时实现高空间分辨和高单色性的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有高分辨率和高单色性的 X射线成像光学系统，包括多通道KB成像物镜和探测器，所述多通道KB成像物镜的输出侧与探测器之间放置有N块平面晶体，其中，N≥1，所述平面晶体的数量与单色能点的数量相同，所述多通道KB成像物镜的各通道反射光束之间具有平行出射的光路特性。

进一步地，所述多通道KB成像物镜中各通道的物像距离相同。

进一步地，所述多通道KB成像物镜中各通道的物像距离具体为：

其中，u为物像距离，R为反射镜的曲率半径，M为反射镜的放大倍率，θ为反射镜的掠入射角。

进一步地，所述多通道KB成像物镜中，相对排列的两块反射镜在成像方向上符合如下关系：

其中，R为反射镜的曲率半径，θ为反射镜的掠入射角，M为反射镜的放大倍数，L′为反射镜的光路间距，即任意两通道反射光束之间的间距。

进一步地，所述N＝1时，所述探测器记录面与多通道KB成像物镜的反射光束之间的夹角为2θ。

进一步地，所述N＝1时，所述多通道KB成像物镜的任意两通道反射光束之间的间距与探测器记录面的间隔相同。

进一步地，所述N＞1时，所述多通道KB成像物镜的各通道反射光束被分成 N组，分别以不同角度α₁～α_n入射在N块平面晶体。

进一步地，所述N＞1时，所述探测器记录面与多通道KB成像物镜的反射光束之间的夹角为α₁+α_n。

进一步地，所述N＞1时，所述多通道KB成像物镜中，若任意两通道反射光束分别以不同的角度入射至不同的平面晶体时，该两通道反射光束之间的间距具体为：

其中，L′为两组通道反射光束之间的间距，L为探测器记录面的间隔，m为探测器中心与距离较近侧的通道反射光束的距离，α_i和α_m分别为探测器中心距离较近侧和较远侧的通道反射光束在平面晶体的入射角度。

进一步地，所述N＞1时，所述多通道KB成像物镜中，若任意两通道反射光束均以相同角度α_i入射至同一平面晶体，该两通道反射光束之间的间距具体为：

L'＝Lsin(2α_i-α₁-α_n)

其中，L′为两组通道反射光束之间的间距，L为探测器记录面的间隔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明采用平行出射的多通道KB成像物镜与一块或多块平面晶体配合，使得各通道在入射和出射平面晶体前后的光路间隔排布不会发生改变，有利于实现与平面晶体和探测器的角度耦合以及像点间隔耦合，解决了现有多通道KB结构配合平面晶体元件过程中存在的问题，从而能够实现高空间分辨率和高单色性的目的。

二、本发明采用平行出射的多通道KB成像物镜，无论平面晶体发生何种改变，各通道入射在平面晶体的角度是相同的，因此能够实现对同一能点的良好响应，即能有效提高响应能点的一致性，此外还为实际应用带来良好的效果，由于平面晶体替换简单，易于实现对不同工作能点的切换。

三、本发明根据单色能点的数量要求设置对应数量的平面晶体，以作为分光元件，能够实现对单个能点或多个能点的高空间分辨和高单色性成像；本发明结合多通道KB成像物镜中反射镜的掠入射角以及入射至平面晶体的角度，对应设定探测器记录面与多通道KB成像物镜的反射光束之间的夹角，能够有效保证探测器记录的图像不发生畸变；本发明还对应设置两个反射光束之间间距与探测器记录面间隔之间的关系，以进一步保证各像点与探测器相匹配。

附图说明

图1为现有技术的多通道KB物镜的光路结构示意图；

图2为实施例中四通道KB系统所耦合的分幅相机的微带排布图；

图3为实施例中四通道KB系统的空间分辨模拟结果；

图4为实施例中四通道KB系统在子午方向的光路排布图；

图5为实施例中四通道KB系统在弧矢方向的光路排布图；

图6a为实施例中四通道KB系统所耦合的云母晶体的Bragg角第一实测曲线；

图6b为实施例中四通道KB系统所耦合的云母晶体的Bragg角第二实测曲线；

图中标记说明：1、物点，2、锥芯，3、探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明的目的是解决现有多通道KB结构配合平面晶体元件过程中存在的问题，为此提出了一种高空间分辨和高单色性的X射线成像系统。本发明将各通道反射光束具有平行出射的光路特性的多通道X射线KB结构作为多通道成像物镜，并根据单色能点数量的要求在像面前(即多通道KB物镜的输出侧与探测器之间) 放置一块或多块平面晶体作为分光元件。KB显微镜各通道成像的空间分辨率随视场位置的变化明显，在具有最佳分辨率的中心视场成像符合如下公式：

其中，u为物距，R为曲率半径，M为放大倍率，θ为掠入射角。由于多通道 KB显微镜需要对同一物点成像且被同一探测器记录，因此各通道应具有相同的物像距离，此外由于各反射镜依次正交放置排列，各反射镜的物距和像距具有数值上基本确定的变化关系，因此实际上各反射镜的u和M应仍认为是一定值。在式(1) 要求下，相对排列的两块反射镜在成像方向上具有的一定曲率半径R与掠入射角θ、放大倍数M和光路间距L′之间具有如下的关系：

式(2)使得物点发出的X射线经成像物镜后的X射线光路之间相互平行出射，且仍符合保持高空间分辨成像的公式(1)。为保证各通道具有相同的物像距关系，同时分幅相机记录的图像不发生畸变，当仅针对单个能点时，探测器记录面应尽量与入射X射线光束垂直，即探测器的记录面与X射线出射光路(即多通道KB成像物镜的反射光束)呈2θ夹角放置；

为保证各像点与像面探测设备匹配，各平行出射光路之间的间距L′具有与探测设备记录面的间隔L相同，即L′＝L。在上述结构的基础上，即使改变晶体的角度α或更换不同的平面晶体，各成像通道入射到平面晶体的角度仍是一致的，并且像点间隔L′仍与L相同，因此能够对另一能点的高单色性成像。因此，本发明依靠控制反射镜的掠入射角θ和曲率半径R，通过实现各通道的平行出射光路特性，使得平行出射的光路以相同角度α入射在平面晶体上、并进行反射，以实现对同一能点 E的高单色性成像。

当针对多个不同能点时，则在像面前放置N块平面晶体作为分光元件，各通道光路被分成N组，分别以不同角度α₁至α_n入射在N块平面晶体，能够实现对N 个能点E₁至E_n的高空间分辨和高单色性成像，此时为减小记录图像倾斜引起的畸变，探测器的记录面与X射线出射光路呈α₁+α_n夹角放置。其中，对于以角度α_i和α_m入射到两块平面晶体的任意两组平行出射的X光通道光路，若其在像面探测器上预期的间隔为L，则各平行出射的两组X光通道光路的间隔L′符合如下的关系：

其中，m为像面探测器中心与较近侧一组X射线通道光路的距离，α_i和α_m分别为较近侧和较远侧一组X射线通道光路在平面晶体的入射角度；

对于以相同角度α_i入射到同一块平面晶体的任意两组X光通道光路，若其在像面探测器上预期的间隔为L，则各平行出射的两组X光通道光路的间隔L′符合如下的关系：

L'＝Lsin(2α_i-α₁-α_n) (4)

本实施例采用上述技术方案，将多通道KB物镜用于Z箍缩装置，以在靶丸内爆压缩过程中对示踪元素氧类氢线和类氦线，对能量分别为653.6eVeV和665.7eV 特征线进行成像诊断，在两条特征线能点位置，要求能够实现±5的能谱分辨。本实施例设计的成像通道数为四个。为了与像面位置的分幅相机配合以实现时间分辨，如图2所示，各成像通道在经过晶体单色后，像点位置应位于分幅相机两条微带的中心位置，即4个像点按2×2对称分布于微带上。

本实施例采用云母作为平面晶体，设计的KB成像物镜的曲率半径约为60m、工作掠入射角度约为1.9°、镜长30mm、放大倍数约1.8倍。利用ZEMAX光学设计软件模拟得到系统空间分辨率的变化情况如图3所示，弧矢方向的空间分辨率与子午方向基本相同。可以看出，在±1.5mm视场范围内的空间分辨率均优于40μm，在±1mm视场范围内的空间分辨率均优于25μm，中心视场的最佳空间分辨率可以达到10μm的水平。物镜的几何集光效率约为4.1×10^-7sr，考虑到在660eV能点接近100％效率，系统的有效集光效率与几何效率相比无明显下降。

在500eV左右能点，云母是常用的单色晶体。为简化平面云母与成像物镜的耦合难度，成像物镜四个通道的X射线平行出射。图4是在子午方向上的反射镜 A和C的光路排布情况，该方向对应同一块云母平晶对同一能点的单色化。物点发出的X射线分别经两块反射镜后以符合分幅相机微带间隔的距离(13mm)平行出射。第一块反射镜的曲率半径和掠入射角分别为R₁和θ₃，由于两块反射镜对同一物点成像，并且以特定间隔平行出社，因此后序的第二块反射镜C的掠入射角(θ₃) 与第一块反射镜A的掠入射角(θ₁)相关，第二块反射镜C的曲率半径(R₃)也最终由此确定以便满足KB成像公式要求，从而造成R₃和R₁在数值上的差异。

为降低球面反射镜的加工难度，提高成像关系的一致性；四块KB物镜拟采用两组曲率半径，即子午和弧矢方向的前序和后续的两块反射镜曲率半径分别相同，即R₁＝R₃和R₂＝R₄。图5是四通道KB物镜在弧矢方向的光路排布情况，两块云母分别对653.6eV和665.7eV两个能点分别进行的单色化，最终在像面位置对应分幅相机的同一微带。在云母反射前的X射线间隔约为17.15mm，云母反射后在像面位置的间隔为20mm。转折的距离约为365mm。

最终得到的四通道KB物镜的光学结构参数见表1。需要加工的两组球面反射镜的曲率半径分别为60m和53.639m，表面口径为30*30mm。系统的工作距离为4.0m，经过云母晶体转折后，系统的总长度约为3.7m。

表1

云母晶体在653.6eV和665.7eV对应的理论布拉格角分别约为71.7°和68.8°，实际Bragg角根据云母产地、材质等又存在差异，在同步辐射装置实测了所用云母晶体的Bragg角度，如图6a和图6b所示，云母晶体的厚度为0.2mm。可以看出，两能点下云母平晶的实测Bragg角之间具有很好的区分度。与理论值相比，实测 Bragg角均偏低约0.1°。在665.7eV和653.6eV的角度带宽(FHWM)分别约为0.35°和0.15°，对应的能谱分辨E/ΔE＝θ/Δθ，其值分别约为200和460，换算成ΔE分别约为±1.6eV和±0.7eV，即满足±5eV的技术指标要求。

综上所述，本发明提出的技术方案采用反射面具有特定曲率半径的多通道X 射线KB结构作为多通道成像物镜，在实现高空间分辨的同时使得物点发出的X 射线经成像物镜后由不同通道的X射线光路之间相互平行出射，并具有特定的距离间隔；然后在像面前放置一块或多块平面晶体作为分光元件，各平面晶体具有特定的空间姿态，使得经成像物镜平行出射的各通道光路以相同或不同的角度入射在平面晶体上并进行反射，其中以相同角度入射在同一块平面晶体的各成像通道工作在同一能点，以不同角度入射在多块平面晶体的各成像通道则在各自响应的不同能点下工作；最终在像面上实现成像结果在多个能点下的高空间分辨和高单色性效果。本发明提出的多能点X射线成像系统以各成像通道相互平行出射的光路排布，易于实现成像物镜与平面晶体匹配时的角度姿态控制，降低角度偏差造成的实际诊断能点相对设计能点的漂移，进而有效提高诊断结果的可靠性。

Claims (6)

1.一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，包括多通道KB成像物镜和探测器，其特征在于，所述多通道KB成像物镜的输出侧与探测器之间放置有N块平面晶体，其中，N≥1，所述平面晶体的数量与单色能点的数量相同，所述多通道KB成像物镜的各通道反射光束之间具有平行出射的光路特性，所述多通道KB成像物镜中各通道的物像距离相同；

多通道KB成像物镜中各通道的物像距离具体为：

其中，u为物像距离，R为反射镜的曲率半径，M为反射镜的放大倍率，θ为反射镜的掠入射角；

多通道KB成像物镜中，相对排列的两块反射镜在成像方向上符合如下关系：

其中，R为反射镜的曲率半径，θ为反射镜的掠入射角，M为反射镜的放大倍数，L′为反射镜的光路间距，即任意两通道反射光束之间的间距；

当N＝1时，多通道KB成像物镜的任意两通道反射光束之间的间距与探测器记录面的间隔相同。

2.根据权利要求1所述的一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，其特征在于，当N＝1时，所述探测器记录面与多通道KB成像物镜的反射光束之间的夹角为2θ。

3.根据权利要求1所述的一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，其特征在于，当N＞1时，所述多通道KB成像物镜的各通道反射光束被分成N组，分别以不同角度α₁～α_n入射在N块平面晶体。

4.根据权利要求3所述的一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，其特征在于，当N＞1时，所述探测器记录面与多通道KB成像物镜的反射光束之间的夹角为α₁+α_n。

5.根据权利要求3所述的一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，其特征在于，当N＞1时，所述多通道KB成像物镜中，若任意两通道反射光束分别以不同的角度入射至不同的平面晶体时，该两通道反射光束之间的间距具体为：

其中，L′为两组通道反射光束之间的间距，L为探测器记录面的间隔，m为探测器中心与距离较近侧的通道反射光束的距离，α_i和α_m分别为探测器中心距离较近侧和较远侧的通道反射光束在平面晶体的入射角度。

6.根据权利要求3所述的一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，其特征在于，当N＞1时，所述多通道KB成像物镜中，若任意两通道反射光束均以相同角度α_i入射至同一平面晶体，该两通道反射光束之间的间距具体为：

L'＝Lsin(2α_i-α₁-α_n)

其中，L′为两组通道反射光束之间的间距，L为探测器记录面的间隔。