CN117476420A - 一种线焦斑x射线源及x射线光栅成像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种线焦斑X射线源及X射线光栅成像系统，涉及光栅成像技术领域。线焦斑X射线源，包括线焦斑X射线阳极靶和阴极；所述线焦斑X射线阳极靶包括基板和靶材，所述基板的一侧开设有呈直线型延伸的线型凹槽组，所述靶材填充于所述线型凹槽组中；所述阴极与所述线焦斑X射线阳极靶中的所述靶材相对设置。本申请提供的线焦斑X射线源可提供具有高相干性和高通量的X射线。
Description
技术领域
本申请涉及光栅成像技术领域，尤其涉及一种线焦斑X射线源及X射线光栅成像系统。
背景技术
现有最常用的基于光栅的X射线干涉仪是泰伯-劳干涉仪(Talbot-Lauinterferometer)。利用泰伯-劳干涉仪采集一组数据后，通过相移法或傅里叶变换法，可同时恢复出物体的吸收、相位和散射信息，比传统的透射成像可获得更多的物体内部信息。
然而，现有泰伯-劳干涉仪中所用到的X射线存在通量低、相干性差等问题。
发明内容
本申请提供了一种线焦斑X射线源及X射线光栅成像系统，以产生高相干性和高通量的X射线。
本申请提供了一种线焦斑X射线源，包括线焦斑X射线阳极靶和阴极；
所述线焦斑X射线阳极靶包括基板和靶材，所述基板的一侧开设有呈直线型延伸的线型凹槽组，所述靶材填充于所述线型凹槽组中；
所述阴极与所述线焦斑X射线阳极靶中的所述靶材相对设置。
在一些可能的实施方式中，所述线型凹槽组包括一第一线型凹槽，所述靶材填充于所述第一线型凹槽中。
基于以上技术方案，由于本申请提供的线焦斑X射线阳极靶中的靶材呈线型结构，具有较小的宽度。当阴极产生的高速电子束撞击靶材时，可产生在一个方向上具有高空间相干性，在另一垂直方向具有高通量的X射线。
在一些可能的实施方式中，所述线型凹槽组包括多个第二线型凹槽，所述多个第二线型凹槽呈直线型依次排列设置，所述靶材填充于所述多个第二线型凹槽中。
在一些可能的实施方式中，所述线焦斑X射线阳极靶具有X射线传播轴，所述阴极所产生电子束的轴线与所述X射线传播轴同轴。
在一些可能的实施方式中，所述线焦斑X射线阳极靶具有X射线传播轴，所述阴极所产生电子束的轴线与所述X射线传播轴相交。
在一些可能的实施方式中，所述基板由多晶金刚石制成。
另外，本申请还提供了一种X射线光栅成像系统，包括如上各实施方式中提供的所述线焦斑X射线源。
在一些可能的实施方式中，所述X射线光栅成像系统还包括相位光栅、吸收光栅和探测器；
所述相位光栅、所述吸收光栅和所述探测器依次设置于所述线焦斑X射线阳极靶光路的下游。
在一些可能的实施方式中，所述X射线光栅成像系统还包括探测器和两相位光栅；
所述两相位光栅和所述探测器依次设置于所述线焦斑X射线阳极靶光路的下游。
在一些可能的实施方式中，所述X射线光栅成像系统用于检测样品的二阶相位导数。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了一些实施例中基板的俯视结构；
图2示出了一些实施例中线焦斑X射线阳极靶的剖面结构示意图；
图3示出了另一些实施例中基板的俯视结构；
图4示出了另一些实施例中线焦斑X射线阳极靶的剖面结构示意图；
图5示出了一些实施例中线焦斑X射线源的结构示意图；
图6示出了另一些实施例中线焦斑X射线源的结构示意图；
图7示出了一些实施例中泰伯-劳干涉仪的结构示意图；
图8示出了一些实施例中双相位光栅干涉仪的结构示意图；
图9示出了一些实施例中非相干成像系统的结构示意图；
图10示出了另一些实施例中非相干成像系统的结构示意图。
主要元件符号说明：
1000-线焦斑X射线源；
100-线焦斑X射线阳极靶；110-基板；1101-侧面；111-线型凹槽组；1111-第一线型凹槽；1112-第二线型凹槽；120-靶材；
200-阴极；
2000-相位光栅；3000-吸收光栅；4000-探测器。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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申请和简化描述，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。
此外，术语“第一”、“第二”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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1和图2所示，建立笛卡尔坐标系，定义线焦斑X射线阳极靶100的长度方向平行于x轴所示方向，线焦斑X射线阳极靶100的宽度方向平行于y轴所示方向，线焦斑X射线阳极靶100的厚度方向平行于z轴所示方向。可以理解的是，以上定义仅是为了便于理解线焦斑X射线阳极靶100中各部分结构的相对位置关系，不应理解为对本申请的限制。
如图5和图6所示，实施例中提供了一种线焦斑X射线源1000，可用于产生具有高相干性和高通量的X射线。实施例中，线焦斑X射线源1000包括线焦斑X射线阳极靶100和阴极200。
如图1至图4所示，线焦斑X射线阳极靶100可包括基板110和靶材120。基板110的一侧可开设有呈直线型延伸的线型凹槽组111。靶材120可填充于线型凹槽组111中。在一些实施例中，线型凹槽组111可平行于线焦斑X射线阳极靶100的长度方向。
再一并结合图5和图6，阴极200可与线焦斑X射线阳极靶100设置有靶材120的一侧相对。
使用过程中，阴极200可用于产生高速电子束，以轰击线焦斑X射线阳极靶100上的靶材120。线焦斑X射线阳极靶100可在电子束的轰击作用下产生在一个方向上具有高空间相干性，在另一垂直方向具有高通量的X射线。
由此可见，本申请提供的线焦斑X射线源1000，由于线焦斑X射线阳极靶100上靶材120呈线型设置，具有较小的宽度，可用于产生具有高空间相干性和高通量的X射线。
在一些实施例中，基板110可由多晶金刚石制成。多晶金刚石的导热率约为2kW/mk，比常见的金属如铜、银等材料高四至五倍左右，有利于实现快速散热。另外，相对于单晶金刚石，多晶金刚石的电阻率较低，约为5×10-4Ωm，适合与电极进行相连。
如图1和图2所示，在一些实施例中，线型凹槽组111可包括一第一线型凹槽1111。第一线型凹槽1111可延线焦斑X射线阳极靶100的长度方向延伸设置。靶材120可填充于第一线型凹槽1111中。且靶材120相对于第一线型凹槽1111开口外露的一侧表面可与基板110靠近线型凹槽组111的侧面1101平行。在一些实施例中，靶材120相对于第一线型凹槽1111开口外露的一侧表面大致可与基板110的侧面1101处于同一平面。即第一线型凹槽1111可由靶材120填充满。
在一些实施例中，第一线型凹槽1111在线焦斑X射线阳极靶100长度方向上的尺寸可设置为0.01mm-2mm。第一线型凹槽1111在线焦斑X射线阳极靶100宽度方向上的尺寸可设置为0.1μm-100μm。第一线型凹槽1111在线焦斑X射线阳极靶100厚度方向上的尺寸可设置为1μm-20μm，即第一线型凹槽1111的深度可设置为1μm-20μm。
示例性地，在一些实施例中，第一线型凹槽1111在线焦斑X射线阳极靶100长度方向上的尺寸可设置为0.01mm、0.05mm、0.12mm、0.56mm、0.78mm、0.9mm、1.05mm、1.25mm、1.4mm、1.65mm、1.8mm、2mm或0.01mm-2mm中的其他任一值。第一线型凹槽1111在线焦斑X射线阳极靶100宽度方向上的尺寸可设置为0.1μm、5μm、15μm、18μm、22μm、29μm、35μm、42μm、55μm、64μm、70μm、85μm、91μm、96μm、100μm或0.1μm-100μm中的其他任一值。第一线型凹槽1111的深度可设置为1μm、1.5μm、2.9μm、3.5μm、5.6μm、7.5μm、9μm、11.2μm、13.5μm、15μm、16.4μm、17μm、17.5μm、19.2μm、20μm或1μm-20μm中的其他任一值。
再一并结合图5，另外，在一些实施例中，在基板110上的线型凹槽组111可通过反应离子刻蚀技术实现，靶材120的填充可通过物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺等实现，具体可包括如下步骤：
步骤一：在基板110的侧面1101上溅射厚度为约为2mm的二氧化硅，然后，在二氧化硅远离基板110的一侧蒸镀厚度约为800nm的光刻胶。
步骤二，通过光刻工艺将掩膜上的图案化设计转移到光刻胶上，然后，在光刻胶的镂空区域镀上厚度约为300nm的铬，再去除光刻胶。
步骤三，用反应离子刻蚀技术对二氧化硅和基板110进行刻蚀，以获得线型凹槽组111。
步骤四，在线型凹槽组111中沉积靶材120。
步骤五，剥离二氧化硅。
可以理解的是，在剥离二氧化硅的同时，可将二氧化硅表面的铬一同去除。
在一些实施例中，靶材120可选用钨、钼、铜等材料。
如图3和图4所示，在另一些实施例中，线型凹槽组111可包括多个第二线型凹槽1112。多个第二线型凹槽1112可沿线焦斑X射线阳极靶100的长度方向依次间隔设置。示例性地，线型凹槽组111可包括三个、五个或八个等数量的第二线型凹槽1112。另外，第二线型凹槽1112在线焦斑X射线阳极靶100长度方向上延伸尺寸可设置为10μm-200μm。第二线型凹槽1112在线焦斑X射线阳极靶100宽度方向上的尺寸可设置为0.1μm-100μm。第二线型凹槽1112在线焦斑X射线阳极靶100厚度方向上的尺寸可设置为1μm-20μm，即第二线型凹槽1112的深度可设置为1μm-20μm。另外，相邻两第二线型凹槽1112之间的距离可设置为1μm-50μm。其中，相邻两第二线型凹槽1112之间的距离可指，两第二线型凹槽1112彼此靠近一侧边之间的垂直距离。靶材120可填充于该多个第二线型凹槽1112中。从而，随着使用时间的延长，可降低靶材120发生断裂、脱落的风险。示例性地，第二线型凹槽1112在线焦斑X射线阳极靶100长度方向上延伸尺寸可设置为10μm、25μm、38μm、42μm、65μm、70μm、76μm、95μm、105μm、125μm、133μm、146μm、167μm、185μm、192μm、200μm或10μm-200μm中的其他任一值。第二线型凹槽1112在线焦斑X射线阳极靶100宽度方向上的尺寸可设置为0.1μm、5μm、15μm、18μm、22μm、29μm、35μm、42μm、55μm、64μm、70μm、85μm、91μm、96μm、100μm或0.1μm-100μm中的其他任一值。第二线型凹槽1112的深度可设置为1μm、1.5μm、2.9μm、3.5μm、5.6μm、7.5μm、9μm、11.2μm、13.5μm、15μm、16.4μm、17μm、17.5μm、19.2μm、20μm或1μm-20μm中的其他任一值。另外，相邻两第二线型凹槽1112之间的距离可设置为1μm、5μm、8.6μm、12.5μm、16μm、19.2μm、21.5μm、26μm、27.8μm、32μm、36.5μm、41μm、43.7μm、46μm、50μm或1μm-50μm中的其他任一值。
实施例中，阴极200和线焦斑X射线阳极靶100可一同置于真空玻璃容器(图未示)中，且阴极200可与线焦斑X射线阳极靶100设置有靶材120的一侧相对。从而，可获得一线焦斑X射线源1000。
如图5所示，在一些实施例中，线焦斑X射线阳极靶100可为透射靶。线焦斑X射线阳极靶100具有X射线传播轴。阴极200所产生电子束的轴线可与线焦斑X射线阳极靶100的X射线传播轴同轴。即，阴极200所产生电子束的轴线可垂直于基板110的侧面1101，相应地，电子束可垂直轰击在靶材120上，X射线可从线焦斑X射线阳极靶100远离阴极200的一侧出射。
如图6所示，在另一些实施例中，线焦斑X射线阳极靶100可为反射靶。具体地，基板110的侧面1101可与阴极200所产生电子束的轴线相交且不垂直。相应地，阴极200所产生电子束的轴线可与线焦斑X射线阳极靶100的X射线传播轴相交，即不同轴。电子束轰击靶材120时，所激发的X射线可从线焦斑X射线阳极靶100靠近靶材120的一侧出射。
如图6至图10所示，实施例中还提供了一种X射线光栅成像系统，可用于获取样品的二阶相位导数。其中，X射线光栅成像系统可包括实施例中提供的线焦斑X射线阳极靶100。
如图7所示，在一些实施例中，X射线光栅成像系统可以是一种泰伯-劳干涉仪。
实施例中，X射线光栅成像系统还包括相位光栅2000、吸收光栅3000和探测器4000。
实施例中，相位光栅2000、吸收光栅3000和探测器4000均设置于真空玻璃容器外侧。且相位光栅2000、吸收光栅3000和探测器4000可依次设置于线焦斑X射线阳极靶100的光路下游。即，线焦斑X射线源1000所产生的X射线从线焦斑X射线阳极靶100出射后，可依次经过相位光栅2000和吸收光栅3000，并到达探测器4000。
如图8所示，在另一些实施例中，X射线光栅成像系统可以是双相位光栅干涉仪。具体地，X射线光栅成像系统还包括探测器4000和两相位光栅2000。探测器4000和两相位光栅2000可位于真空玻璃容器的外侧，且两相位光栅2000可间隔设置于线焦斑X射线阳极靶100与探测器4000之间，即两相位光栅2000和探测器4000依次设置于线焦斑X射线阳极靶100光路的下游。两相位光栅2000可形成大周期条纹，可直接被探测器4000检测到。可以理解的是，从线焦斑X射线阳极靶100出射的X射线可依次通过两相位光栅2000后到达探测器4000。
如图9和图10所示，在另一些实施例中，X射线光栅成像系统还可以是非相干成像系统。具体地，X射线光栅成像系统可包括探测器4000和至少一吸收光栅3000，探测器4000和该至少一吸收光栅3000设置于真空玻璃容器外侧，且该至少一吸收光栅3000位于线焦斑X射线阳极靶100与探测器4000之间，即该至少一吸收光栅3000和探测器4000可依次设置于线焦斑X射线阳极靶100光路的下游。示例性地，X射线光栅成像系统可包括一吸收光栅3000，样品的信息可调制于吸收光栅3000的集合放大投影中。在另一些实施例中，X射线光栅成像系统可包括两吸收光栅3000，远离线焦斑X射线阳极靶100的吸收光栅3000，可将靠近线焦斑X射线阳极靶100的吸收光栅3000的几何投影进行放大，并将微小的X射线偏移量放大。
实施例中提供的线焦斑X射线源1000至少可具有以下优点：
一、X射线源的光通量与焦斑的面积成正相关，而线焦斑X射线源1000的焦斑面积是传统微焦斑X射线源面积的几十倍，因此线焦斑X射线源1000的光通量是微焦斑X射线源的几十倍之多，可以大大缩短成像时间。
二、线焦斑X射线源1000的空间相干性要远远好于结构阳极X射线源或大焦斑X射线管与源光栅的组合。因为线焦斑X射线源1000在其中一个方向上的尺度只有几个微米，在该方向上的空间相干长度可与微焦斑X射线源相当。
三、将申请提供的线焦斑X射线源1000应用于泰伯-劳干涉仪等X射线光栅成像系统中，可实现样品二阶相位导数的检测。由于线焦斑X射线源1000在其中一个方向具有高空间相干性，且焦斑稳定性高，因此可以检测出样品的二阶相位导数。另外，利用光栅干涉仪，还能够将样品的二阶相位导数像与吸收像完全分离开来。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种线焦斑X射线源，其特征在于，包括线焦斑X射线阳极靶和阴极；
所述线焦斑X射线阳极靶包括基板和靶材，所述基板的一侧开设有呈直线型延伸的线型凹槽组，所述靶材填充于所述线型凹槽组中；
所述阴极与所述线焦斑X射线阳极靶中的所述靶材相对设置。
2.根据权利要求1所述的线焦斑X射线源，其特征在于，所述线型凹槽组包括一第一线型凹槽，所述靶材填充于所述第一线型凹槽中。
3.根据权利要求1所述的线焦斑X射线源，其特征在于，所述线型凹槽组包括多个第二线型凹槽，所述多个第二线型凹槽呈直线型依次排列设置，所述靶材填充于所述多个第二线型凹槽中。
4.根据权利要求1至3任一项所述的线焦斑X射线源，其特征在于，所述线焦斑X射线阳极靶具有X射线传播轴，所述阴极所产生电子束的轴线与所述X射线传播轴同轴。
5.根据权利要求1至3任一项所述的线焦斑X射线源，其特征在于，所述线焦斑X射线阳极靶具有X射线传播轴，所述阴极所产生电子束的轴线与所述X射线传播轴相交。
6.根据权利要求1至3任一项所述的线焦斑X射线源，其特征在于，所述基板由多晶金刚石制成。
7.一种X射线光栅成像系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的线焦斑X射线源。
8.根据权利要求7所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，所述X射线光栅成像系统还包括相位光栅、吸收光栅和探测器；
所述相位光栅、所述吸收光栅和所述探测器依次设置于所述线焦斑X射线阳极靶光路的下游。
9.根据权利要求7所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，所述X射线光栅成像系统还包括探测器和两相位光栅；
所述两相位光栅和所述探测器依次设置于所述线焦斑X射线阳极靶光路的下游。
10.根据权利要求7所述的X射线光栅成像系统，其特征在于，所述X射线光栅成像系统用于检测样品的二阶相位导数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311467663.XA CN117476420A (zh) | 2023-11-06 | 2023-11-06 | 一种线焦斑x射线源及x射线光栅成像系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311467663.XA CN117476420A (zh) | 2023-11-06 | 2023-11-06 | 一种线焦斑x射线源及x射线光栅成像系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117476420A true CN117476420A (zh) | 2024-01-30 |
Family
ID=89634460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311467663.XA Pending CN117476420A (zh) | 2023-11-06 | 2023-11-06 | 一种线焦斑x射线源及x射线光栅成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117476420A (zh) |
-
2023
- 2023-11-06 CN CN202311467663.XA patent/CN117476420A/zh active Pending
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