CN117170171A - 梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法，定性分析单针孔配合多层膜成像时不同的靶丸尺寸、针孔孔径情况下掠入射角θ变化与成像单能性之间的关系，给出在满足单能成像条件下周期厚度变化与各结构参数之间的数值关系；扩展至针孔阵列，分析不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响；确定系统的结构参数；利用激光等离子体辐射的X射线信号，进行离线实验，对性能进行验证。能够在光学测量直接实现高能谱分辨的多色单能成像能力，有效避免现有多色单能X射线成像方法存在的单能效果差和信号失真等问题，为激光等离子体X射线信息在空间、能谱以及时间维度的同步获取通过了一种有价值的途径。
Description
技术领域
本发明涉及ICF等离子体诊断用MMI系统技术领域，尤其是涉及梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法。
背景技术
激光惯性约束聚变对国防安全、清洁能源等重大需求和高能量密度物理等基础前沿研究等均具有至关重要的意义。在激光惯性约束聚变研究中，压缩最大时刻的热斑物理状态是判断聚变点火质量的关键，一般通过在燃料区掺杂中高原子序数的元素(如Ar或Ti等)作为示踪材料进行成像诊断。将多通道的成像系统与元件对X射线的色散特性结合，对热斑等离子体进行能点渐变且高能谱分辨的多色单能X射线成像，可以得到示踪元素特征谱的强度比、线形和半高宽等能谱信息，同时还能测量其在不同位置的梯度变化，从而定量给出热斑的温度、密度或面密度以及混合量等重要信息。
基于针孔阵列配合X射线色散元件的多色单能成像技术和系统在国内外多个激光装置已经得到应用，该技术以针孔的阵列排布形成足够多的成像通道，其后放置平面晶体或多层膜反射镜作为色散元件，从而实现了对Ti、Cu、Ge等中高原子序数元素特征线的诊断。该技术所采用的光学结构如图1所示，按照光路顺序依次放置X射线源、针孔阵列板、色散元件(平面晶体或多层膜反射镜)以及X射线CCD。激光等离子体辐射的X射线通过针孔阵列后，以掠入射形式入射到多层膜器件，经过多层膜分光后被像面探测器接收，各针孔响应的中心波长λ与掠入射角θ满足布拉格衍射条件(2dsinθ＝kλ)，其中d为多层膜周期厚度，k为衍射级次，对传统的周期多层膜结构，通过各针孔的X射线投影在多层膜镜不同位置的掠入射角存在差异，对应的中心波长并不相同，因此存在能量展宽的问题。
因此，现有的多色单能X射线成像诊断技术需要通过针孔阵列的倾斜排布以及子图像截取、拼接和重构等数据处理过程，使得重构的各针孔成像具有精细的能点变化，以保证成像结果的单能性，但是也存在一些瓶颈问题，严重影响了其实际诊断效果。
首先，实际可选择的针孔数量受靶丸尺寸和记录设备幅面的制约，如OMEGA装置所用的MMI系统在每个能点仅能截取5至7幅子图像，对应的能谱分辨仅可提高到约100。其次，截取子图像的宽度、特征线半峰宽和针孔阵列的倾斜角度等因素会对数据可信度产生影响，严重时将造成重构图像的失真。
发明内容
本发明的目的是提供梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法，能够在光学测量直接实现高能谱分辨的多色单能成像能力，有效避免了现有多色单能X射线成像方法存在的单能效果差和信号失真等问题，为激光等离子体X射线信息在空间、能谱以及时间维度的同步获取通过了一种有价值的途径。
为实现上述目的，本发明提供了梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法，包括以下步骤：
S1、定性分析单针孔配合多层膜成像时不同的靶丸尺寸、针孔孔径情况下掠入射角θ变化与成像单能性之间的关系，给出在满足单能成像条件下周期厚度变化与各结构参数之间的数值关系；扩展至针孔阵列，分析不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响；
S2、根据能谱分辨率、反射率设计要求，确定系统的结构参数；
S3、利用激光等离子体辐射的X射线信号，进行离线实验，对性能进行验证。
优选的，在步骤S1中，单能成像条件下周期厚度变化与各结构参数之间的数值关系确定过程如下：
激光等离子体X射线信号经过针孔阵列的某一针孔后，以某一的中心掠入射角入射在横向梯度多层膜反射镜，通过调控针孔位置改变掠入射角θ以及调控具有周期厚度变化率k0的多层膜周期厚度d，补偿镜面不同位置X射线掠入射角变化引起的工作能量漂移，使不同位置反射的X射线在同一个中心能量下符合布拉格衍射条件，从而消除能量展宽的问题，实现高能谱分辨的单能成像。
优选的，在步骤S1中，不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响如下：
X射线信号经过针孔阵列的不同针孔后，以不同的中心掠入射角入射在梯度多层膜反射镜，并在不同的中心能量下符合布拉格衍射条件，从而在像面探测器上形成渐变响应能量的图像，使MMI成像具备多色性，实现整个系统的多色单能成像需求。
优选的，在步骤S2中，中心针孔对应周期多层膜具有横向变化的参数确定过程如下：
激光等离子体源具有一定的尺寸，其辐射的X射线经过中心针孔P0后投影在梯度多层膜元件上，该系统的各个针孔成像的单能性由掠入射角θ和多层膜周期厚度d控制，为了保证针孔P0成像的单能性，X射线在镜面不同位置的投影均应针对同一能量满足布拉格条件，并符合中心针孔对应周期多层膜具有横向变化的周期厚度变化率其中d0是多层膜在中心针孔P0在多层膜反射镜上投影的中心位置O的膜层厚度，l0即为针孔P0与其在反射镜上投影的中心位置O的距离，X射线经过其他任一针孔后，为保证该针孔成像单能性，其他针孔在多层膜上投影的位置同样具有横向变化的周期厚度变化率/>其中d1是该针孔对应的多层膜膜层厚度，l1是该针孔与其在多层膜上投影位置的距离，与中心针孔需要满足的周期厚度变化率一致，通过控制周期厚度变化率来改变不同位置多层膜的周期厚度，补偿掠入射角变化引起的工作能量变化，实现高能谱分辨的单能成像。
优选的，在步骤S2中，横向梯度多层膜反射镜在子午方向的参数确定步骤为：
横向梯度周期多层膜反射镜的周期厚度变化率以其他某一针孔完全单能成像为标准进行设计，横向梯度多层膜反射镜在子午方向的周期厚度变化率其中d2是该针孔对应的多层膜膜层厚度，l2是该针孔到其在多层膜上投影位置的距离，使不同位置反射的X射线在同一个中心能量下均符合布拉格衍射条件，满足单能成像的要求。
优选的，在步骤S2中，梯度多层膜MMI在子午方向上实现多个能点的准单能成像，为拓展响应能量区间，该系统通过调控针孔位置排布和横向梯度多层膜在弧矢方向上的梯度变化率，调控弧矢方向上不同针孔的掠入射角θ和多层膜膜层厚度d，从而形成多组响应能量区间不同的针孔成像条带，从而进一步扩展系统整体的响应能量区间。
本发明提供了梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统，该系统由针孔阵列与掠入射反射式的横向梯度多层膜反射镜协同使用而构成。
优选的，横向梯度周期多层膜的膜层材料需选择两种不同的材料，选择更换不同的材料组合获得有效改善因膜层材料带来的能谱展宽。
优选的，X射线探测器部分，通过安装分幅相机或条纹相机，该系统进一步与分幅相机或条纹相机配合，实现时间分幅或时间扫描的多色单能成像记录。
因此，本发明采用上述梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法，其技术效果如下：
(1)将梯度多层膜引入激光等离子体的MMI诊断，通过调控多层膜的周期厚度，直接保证成像的单能性，补偿了现有MMI诊断方法存在的能量展宽问题，避免了数据后处理复杂和信号失真等问题，能够有效提升激光等离子体X射线诊断的多色单能成像效果。
(2)能谱分辨效果好，直接在成像上保证记录信号的单能性。通过周期厚度的调控，不同反射镜镜面位置对应同一能量进行布拉格衍射，图像整体的单能性E/ΔE可以达到60-80eV。
(3)易于扩展响应能区的范围，灵活调控响应能量的间隔，且易与记录设备配合等。通过针孔阵列板上各针孔数量、空间间隔和错位排布的变化，能够灵活调控响应的能区范围、能量间隔，以及不同的像面排布，从而在宽能谱范围内的成像，且实现与探测器记录面耦合的时间分辨记录。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明梯度多层膜耦合针孔阵列的MMI系统的示意图，其中1为X射线源，2为针孔阵列板，3为色散元件，4为X射线CCD。
图2为本发明梯度多层膜耦合针孔阵列的MMI系统的子午方向的示意图其中1为X射线源，2为针孔阵列板，3为色散元件，4为X射线CCD。
图3为本发明实施例中基于梯度多层膜耦合针孔阵列的MMI系统的示意图，其中1为X射线源，2为针孔阵列板，3为色散元件，4为X射线CCD及可选择使用的分幅相机和条纹相机。
图4为本发明实施例中选择的针孔阵列。
图5为本发明中梯度Ru/C多层膜周期厚度随样品位置的理论及实测XRD变化曲线。
图6为本发明中梯度多层膜MMI系统模拟成像结果以及各针孔的能谱图像。
图7为本发明梯度多层膜耦合针孔阵列的MMI系统的实验光路图，其中1为Mn靶X光管，2为物点模拟孔，3为针孔阵列板，4为梯度多层膜元件，5为X射线CCD(PIXIS-XO-20488)。
图8是放置梯度多层膜元件前，针孔阵列直接X射线成像结果.
图9是在放置梯度多层膜元件后，使用Mn靶作为背光源模拟得到的多色单能成像结果。
图10是在放置梯度多层膜元件后，根据入射光与反射光的位置距离差异，多次标定掠入射角于2.2°，实验得到的多色单能成像结果。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。
还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明/发明的保护范围之内。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。
实施例一
如图所示，本发明提供了梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统，该系统由针孔阵列与掠入射反射式的横向梯度多层膜反射镜协同使用而构成。
横向梯度周期多层膜的膜层材料需选择两种不同的材料，选择更换不同的材料组合获得有效改善因膜层材料带来的能谱展宽。
X射线探测器部分，通过安装分幅相机或条纹相机，该系统进一步与分幅相机或条纹相机配合，实现时间分幅或时间扫描的多色单能成像记录。
梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统的设计方法，包括以下步骤：
S1、定性分析单针孔配合多层膜成像时不同的靶丸尺寸、针孔孔径情况下掠入射角θ变化与成像单能性之间的关系，给出在满足单能成像条件下周期厚度变化与各结构参数之间的数值关系；扩展至针孔阵列，分析不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响；
单能成像条件下周期厚度变化与各结构参数之间的数值关系确定过程如下：
激光等离子体X射线信号经过针孔阵列的某一针孔后，以某一的中心掠入射角入射在横向梯度多层膜反射镜，通过调控针孔位置改变掠入射角θ以及调控具有周期厚度变化率k0的多层膜周期厚度d，补偿镜面不同位置X射线掠入射角变化引起的工作能量漂移，使不同位置反射的X射线在同一个中心能量下符合布拉格衍射条件，从而消除能量展宽的问题，实现高能谱分辨的单能成像。
不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响如下：
X射线信号经过针孔阵列的不同针孔后，以不同的中心掠入射角入射在梯度多层膜反射镜，并在不同的中心能量下符合布拉格衍射条件，从而在像面探测器上形成渐变响应能量的图像，使MMI成像具备多色性，实现整个系统的多色单能成像需求。
S2、根据能谱分辨率、反射率设计要求，确定系统的结构参数；
中心针孔对应周期多层膜具有横向变化的参数确定过程如下：
激光等离子体源具有一定的尺寸，其辐射的X射线经过中心针孔P0后投影在梯度多层膜元件上，该系统的各个针孔成像的单能性由掠入射角θ和多层膜周期厚度d控制，为了保证针孔P0成像的单能性，X射线在镜面不同位置的投影均应针对同一能量满足布拉格条件，并符合中心针孔对应周期多层膜具有横向变化的周期厚度变化率其中d0是多层膜在中心针孔P0在多层膜反射镜上投影的中心位置O的膜层厚度，l0即为针孔P0与其在反射镜上投影的中心位置O的距离，X射线经过其他任一针孔后，为保证该针孔成像单能性，其他针孔在多层膜上投影的位置同样具有横向变化的周期厚度变化率/>其中d1是该针孔对应的多层膜膜层厚度，l1是该针孔与其在多层膜上投影位置的距离，与中心针孔需要满足的周期厚度变化率一致，通过控制周期厚度变化率来改变不同位置多层膜的周期厚度，补偿掠入射角变化引起的工作能量变化，实现高能谱分辨的单能成像。
横向梯度多层膜反射镜在子午方向的参数确定步骤为：
横向梯度周期多层膜反射镜的周期厚度变化率以其他某一针孔完全单能成像为标准进行设计，横向梯度多层膜反射镜在子午方向的周期厚度变化率其中d2是该针孔对应的多层膜膜层厚度，l2是该针孔到其在多层膜上投影位置的距离，使不同位置反射的X射线在同一个中心能量下均符合布拉格衍射条件，满足单能成像的要求。
梯度多层膜MMI在子午方向上实现多个能点的准单能成像，为拓展响应能量区间，该系统通过调控针孔位置排布和横向梯度多层膜在弧矢方向上的梯度变化率，调控弧矢方向上不同针孔的掠入射角θ和多层膜膜层厚度d，从而形成多组响应能量区间不同的针孔成像条带，从而进一步扩展系统整体的响应能量区间。
S3、利用激光等离子体辐射的X射线信号，进行离线实验，对性能进行验证。
实施例二
采用实施例一种的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法结合实例实践。
本实施例针对激光惯性约束聚变研究中热斑等离子体能点渐变且高能谱分辨的多色单能X射线成像需求，以6.3keV为中心工作能量，覆盖工作能区为5.2keV～7.0keV，且实现高单色性成像。
首先通过公式推导和模拟，定性分析单针孔配合多层膜成像时不同的靶丸尺寸、针孔孔径等情况下掠入射角θ变化与成像单能性之间的关系，给出在满足单能成像条件下周期厚度d变化与各结构参数之间的数值关系。将研究扩展至针孔阵列，分析不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响，本实施例中设计针孔阵列倾斜错位排布，确定针孔阵列的排布后建立考虑多层膜因素的光学模拟，评价各初始结构参数与MMI(MultipleMonochromatic X-RayImaging多色单能X射线成像)谱分辨、工作能量范围等关键指标之间的关系。
其次确定系统的结构参数。根据能谱分辨率、反射率等设计要求，确定针孔阵列11排11列并且倾斜4.21°错位排布，光源距中心针孔距离为160mm，中心针孔距多层膜镜距离为640mm,中心针孔的布拉格角为2.2°，多层膜镜尺寸为130mm×30mm，根据多层膜镜尺寸计算可利用的针孔范围在5排9列。综合考虑膜厚变化率、几何尺寸等因素对镀膜可行性影响，并将实施例的结构参数带入膜厚变化率公式，本实施例中梯度多层膜的子午方向梯度变化率为0.077nm/cm，并且由于针孔阵列错位排布，弧矢方向上不同针孔在多层膜上投影位置不一致，因此梯度多层膜的弧矢方向厚度不需要梯度变化率，详见图3、图4。
本实施例中选择Ru/C作为多层膜材料，根据计算出的梯度变化率以及中心针孔对应在多层膜上投影位置的膜层厚度，确认多层膜厚度曲线，具体制备出的多层膜厚度使用XRD仪器进行膜层厚度测量，得到与目标预期的对比，本实施例中对理论膜厚与实际膜厚分别进行了模拟计算，结果能谱展宽并无明显差异，仅在响应能量范围上有平移，因此实际制备时保证梯度多层膜的梯度变化率即可保证成像质量，详见图5。
本系统的X射线探测器部分将分幅相机、条纹相机配合使用，经模拟在此光学结构下，得到了系统的成像结果，共有5排9列针孔成像。A、B是两个边缘针孔，针孔中心能量分别为7.0keV和5.2keV，一起给出了MMI能量响应的能谱图像，各针孔响应的能量具有一定的能谱带宽，约在60-80eV。该数值主要受多层膜自身材料性质影响，如采用Ni/B4C等多层膜材料对可以进一步降低至约30-40eV，详见图6。
最后进行离线实验。利用激光等离子体辐射的X射线信号，对MMI性能进行验证。实验选择了Mn的X射线光管作为激光等离子体辐射的X射线信号源，根据光学设计中选取的5.4keV～7.2keV工作能区，Mn的三条特征线(Kα1(5898.8eV)、Kα2(5889.6eV)和Kβ(6490.4eV))处于该能量范围内，通过测量响应特征线能量的针孔数目，可以得到某一针孔整体的能谱响应带宽。标定实验搭建的梯度多层膜MMI结构主要部件包括Mn靶X射线管、物点模拟孔、针孔阵列板、梯度多层膜元件和X射线CCD等，详见图7。
实验前首先根据物距像距进行了简单的光路系统搭建，之后通过多次角度标定，保证中心针孔对应掠入射角度在2.2°，在完成梯度多层膜MMI系统的离线安装后，进行离线实验标定。
离线实验标定得到了梯度多层膜MMI成像结果，详见图8、图9和图10。图8是放置梯度多层膜元件前，针孔阵列直接X射线成像结果，虚线框标注了可利用的针孔范围。同时标记了与Mn特征线能量最接近的针孔位置。图9是在放置梯度多层膜元件后，使用Mn靶作为背光源模拟得到的多色单能成像结果。图10是在放置梯度多层膜元件后，根据入射光与反射光的位置距离差异，多次标定掠入射角于2.2°，实验得到的多色单能成像结果。区域A是对Mn的Kα特征线响应结果，由于Kα两条特征线能量接近，完全处于MMI的60-80eV的能谱带宽范围以内，因此该区域A的三个针孔都可对该特征线响应。区域B是对Mn的Kβ特征线响应结果，与区域A成像情况接近，区域B的三个针孔皆可对Kβ特征线响应。区域C与区域A的能量响应有部分的重叠，区域内两个针孔的响应能量包含Mn的两条Kα线。空间上对应响应针孔位置一致，图9和图10结果基本一致，验证了本实施例中对梯度多层膜MMI单能性标定实验结果的可靠性。
因此，本发明采用上述梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统及设计方法，能够在光学测量直接实现高能谱分辨的多色单能成像能力，有效避免了现有多色单能X射线成像方法存在的单能效果差和信号失真等问题，为激光等离子体X射线信息在空间、能谱以及时间维度的同步获取通过了一种有价值的途径。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、定性分析单针孔配合多层膜成像时不同的靶丸尺寸、针孔孔径情况下掠入射角θ变化与成像单能性之间的关系，给出在满足单能成像条件下周期厚度变化与各结构参数之间的数值关系；扩展至针孔阵列，分析不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响；
S2、根据能谱分辨率、反射率设计要求，确定系统的结构参数；
S3、利用激光等离子体辐射的X射线信号，进行离线实验，对性能进行验证。
2.根据权利要求1所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统的设计方法，其特征在于，在步骤S1中，单能成像条件下周期厚度变化与各结构参数之间的数值关系确定过程如下：
激光等离子体X射线信号经过针孔阵列的某一针孔后，以某一的中心掠入射角入射在横向梯度多层膜反射镜，通过调控针孔位置改变掠入射角θ以及调控具有周期厚度变化率k0的多层膜周期厚度d，补偿镜面不同位置X射线掠入射角变化引起的工作能量漂移，使不同位置反射的X射线在同一个中心能量下符合布拉格衍射条件，从而消除能量展宽的问题，实现高能谱分辨的单能成像。
3.根据权利要求2所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统的设计方法，其特征在于，在步骤S1中，不同参数的针孔阵列排布对诊断效果的影响如下：
X射线信号经过针孔阵列的不同针孔后，以不同的中心掠入射角入射在梯度多层膜反射镜，并在不同的中心能量下符合布拉格衍射条件，从而在像面探测器上形成渐变响应能量的图像，使MMI成像具备多色性，实现整个系统的多色单能成像需求。
4.根据权利要求1所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，中心针孔对应周期多层膜具有横向变化的参数确定过程如下：
激光等离子体源具有一定的尺寸，其辐射的X射线经过中心针孔P0后投影在梯度多层膜元件上，该系统的各个针孔成像的单能性由掠入射角θ和多层膜周期厚度d控制，为了保证针孔P0成像的单能性，X射线在镜面不同位置的投影均应针对同一能量满足布拉格条件，并符合中心针孔对应周期多层膜具有横向变化的周期厚度变化率其中d0是多层膜在中心针孔P0在多层膜反射镜上投影的中心位置O的膜层厚度，l0即为针孔P0与其在反射镜上投影的中心位置O的距离，X射线经过其他任一针孔后，为保证该针孔成像单能性，其他针孔在多层膜上投影的位置同样具有横向变化的周期厚度变化率/>其中d1是该针孔对应的多层膜膜层厚度，l1是该针孔与其在多层膜上投影位置的距离，与中心针孔需要满足的周期厚度变化率一致，通过控制周期厚度变化率来改变不同位置多层膜的周期厚度，补偿掠入射角变化引起的工作能量变化，实现高能谱分辨的单能成像。
5.根据权利要求4所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，横向梯度多层膜反射镜在子午方向的参数确定步骤为：
横向梯度周期多层膜反射镜的周期厚度变化率以其他某一针孔完全单能成像为标准进行设计，横向梯度多层膜反射镜在子午方向的周期厚度变化率其中d2是该针孔对应的多层膜膜层厚度，l2是该针孔到其在多层膜上投影位置的距离，使不同位置反射的X射线在同一个中心能量下均符合布拉格衍射条件，满足单能成像的要求。
6.根据权利要求5所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，梯度多层膜MMI在子午方向上实现多个能点的准单能成像，为拓展响应能量区间，该系统通过调控针孔位置排布和横向梯度多层膜在弧矢方向上的梯度变化率，调控弧矢方向上不同针孔的掠入射角θ和多层膜膜层厚度d，从而形成多组响应能量区间不同的针孔成像条带，从而进一步扩展系统整体的响应能量区间。
7.根据权利要求1-6任一项所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统，其特征在于，该系统由针孔阵列与掠入射反射式的横向梯度多层膜反射镜协同使用而构成。
8.根据权利要求7所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统，其特征在于，横向梯度周期多层膜的膜层材料需选择两种不同的材料，选择更换不同的材料组合获得有效改善因膜层材料带来的能谱展宽。
9.根据权利要求7所述的梯度多层膜耦合针孔阵列的多色单能成像系统，其特征在于，X射线探测器部分，通过安装分幅相机或条纹相机，该系统进一步与分幅相机或条纹相机配合，实现时间分幅或时间扫描的多色单能成像记录。
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