CN1243213C - 孪生波带片x射线干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种孪生波带片X射线干涉仪，包括一X射线源，其特征是在该X射线源的X射线前进方向上，放置两中心略偏且贴近的第一波带片和第二波带片，在第一波带片或第二波带片的焦点后设有一放置待测样品的样品架，再后设置一探测干涉图形的X射线探测器。本发明孪生波带片X射线干涉仪，结构简单，不要任何分束器和晶体，在生物医学和材料科学中有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及X射线干涉仪，特别是一种孪生波带片X射线干涉仪
背景技术
由于X射线波长比可见光短得多，用它来进行精密检测时，在理论上分辨率要比可见光高2～4个量级。因此，利用X射线干涉技术可以进行高分辨率干涉计量研究。
1965年，美国Cornell大学的U.Bonse和M.Hart研制成的第一台X射线干涉仪，它是由三块平行的单晶硅构成的，基于晶体衍射原理，第一块晶体用来作为分束器，第二块晶体将这两束X射线复合，由于X射线波长比可见光的要短得多，它们形成的干涉条纹太密，以致不能用肉眼直接观察，第三块晶体则解决了这个难题，它将两束X射线之间的夹角变得很小，几乎平行，用底片记录下条纹。这种干涉仪几乎是等光程的，因此它成功地应用于硬X射线相衬成像研究。这种干涉仪最大的缺点是：需要三块高质量的晶体，不仅晶面方向要一致，而且三块晶体要相互平行，无疑这给晶体生长和加工带来了困难。
2004年4月，中国科学院上海光机所高鸿奕等人提出了简易X射线干涉仪(参见在先技术：中国专利局专利申请号：200410017870.6)，结构非常简单，在生物医学等领域能获得广泛的应用，但这种干涉仪所使用的两块玻璃板需要高精度加工。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述在先技术中所存在的缺点，提出一种孪生波带片X射线干涉仪，这种干涉仪只需两块市售波带片，在生物医学材料科学中能获得广泛的应用。
波带片是X射线光学中的重要成像元件。普通透镜无法用来对X射线成像，X射线的折射率是一个小于但又极接近于1的常数，再加上一般材料对X射线的吸收很强，无法加工出可对X射线成像的透镜，而X射线波带片正好填补了这个空缺。
波带片是一种特殊形式的衍射光学元件，可看成一个圆形光栅，其线密度沿径向递增。利用它效率较高的一级衍射，几乎可以对所有波长的辐射成像。最基本的波带片是菲涅耳波带片，它由一系列黑白相间的环带组成。位相波带片是全透明的，但在相邻环带内引入π相移，其理论效率是菲涅耳波带片的4倍。
事实上，菲涅耳波带片的提出，距今已有100多年(1875年)。长时间以来，它没有得到应有的重视。其原因：(1)它的效率太低，入射到环带板上的能量只有1/π2(～10％)，聚焦在一级焦点上；(2)成像背景太强，或信噪比太低。有1/4的入射光未被衍射，而在像平面上产生一个连续背景；(3)具有很强的色散(f∝1/λ)；(4)制作工艺上的困难。
近几年来，同步辐射加速器的建造、X射线激光器研制所取得的突破性进展，为X射线光学研究提供了高亮度、高相干度的光源。特别是水窗X射线(2.36～4.50nm)，在观察生物活细胞、细胞器的超微结构，乃至其内部动态变化上的重要应用，重新唤起人们对X射线光学研究的兴趣，从而促进了波带片的发展。精密加工技术发展，又使X射线波带片的制作成为可能。
效率、分辨率、工作波长和直径是波带片最基本的参数。鉴于现有X射线源的亮度较低，如何提高X射线波带片的效率，一直是有待解决的问题。早在1888年，瑞利就提出位相波带片的设想。10年以后，Wood又论证了这一波带片的优越性。结果表明，位相波带片的理论效率为40％，是菲涅耳波带片的4倍。1990年，Hisao Fijisaki又提出梯度折射率位相波带片的设想，该波带片同一带上的点到焦点等光程，不同带之间的程差为2mπ，m为整数。似乎我们可以这样认为，与普通透镜类似，该波带片同样适用于费马原理，它的理论效率达100％。即使考虑到吸收，其效率也可达34％，是相同材料制成的位相波带片的1.4倍。
分辨率的高低会直接影响波带片成像质量的好坏。X射线波带片的一个重要应用是“显微”，它对分辨率的要求也更为突出。波带片的分辨率由最小波带宽度决定，其解析形式为Δ≈1.22(Δγ)min，加工精度的高低对成像波带片的分辨率影响极大。在全息法、电子束制版法、离子束直写及喷镀法等波带片制作中，以全息法和电子束制版法较为成熟，加工的最小波带宽度已达50nm左右。应用直径极小的场致发射电子束对光刻胶(PMMA)曝光，这一宽度还可以减小。
材料对X射线的吸收随波长而变化，工作波长决定了制作波带片的材料。制作材料选择不当，就会大大降低波带片的效率。工作波长不匹配，还会给波带片带来色差，并有可能引入其它像差(如球差)等。直径是波带片的另一重要参数，它直接影响波带片的空间分辨率。
除了成像、会聚光束外，还可利用波带片的强色散，获取单色X射线。一定带宽的X射线入射到波带片上，波长不同，其焦点位置也不同。将孔径适当的光阑置于波带片的焦平面处，改变光阑在轴上的位置，即可选出所需波长的X射线。
从以上讨论我们可以看出，当把两块结构参数完全相同的波带片略微错开叠加在一起时，将会产生两个衍射焦点，这两个焦点可视为两个点源，它们发出的球面波重叠时，将产生干涉条纹，根据这个原理，本发明的结构如下：
一种孪生波带片X射线干涉仪，包括一X射线源，其特征是在该X射线源的X射线前进方向上，放置两中心略偏且贴近的第一波带片和第二波带片，在第一波带片或第二波带片的焦点后设有一放置待测样品的样品架，再后设置一探测干涉图形的X射线探测器。
在X射线前进方向上，放置中心略偏的两块波带片，产生了波带片的两个焦点。在一个波带片的焦点后置一待测样品，由这两个焦点发射的X射线将相交，并相互干涉，干涉图形用X射线探测器进行探测。
所说的X射线源是一个同步辐射源，或者是一台微聚焦的X射线管。
所说的两块X射线波带片是市售的X射线波带片。
所说的样品是一个待测的生物体，或者其它材料。
所说的探测器是一个能接受和记录X射线干涉条纹的装置。
本发明的技术效果如下：
本发明采用两块结构完全相同的X射线波带片，即所谓的孪生波带片，当它们中心略微错开叠在一起时，经软X射线照射以后，将产生两个错开的焦点，这两个焦点可视为两个新的X射线点源，它们将相交并产生条纹，但结构非常简单。
与在先技术相比：本发明的孪生波带片X射线干涉仪，结构简单，不要任何分束器和晶体，在生物医学和材料科学中有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明孪生波带片X射线干涉仪实施例的光路结构图。
具体实施方式
先请参阅图1，图1是本发明的孪生波带片X射线干涉仪实施例的光路结构图，由图可见，本发明孪生波带片X射线干涉仪，其结构包括一X射线源1，是在该X射线源1的X射线前进方向上，放置两中心略偏且贴近的第一波带片2和第二波带片3)在第一波带片2或第二波带片3的焦点后设有一放置待测样品4的样品架，再后设置一探测干涉图形的X射线探测器5。
所说的X射线源1，是一个同步辐射源，它的输出波长用单色器限定在X射线区域，为1.5左右。
所说的第一波带片2和第二波带片3，是一块市售的X射线波带片，直径为5mm，焦距为60mm，波带数N＝500，两块波带片中心错开80μm。
所说的样品4是一个位相物体，如老鼠的肝。
所说的探测器5是一个CCD接收器，信号送入到计算机(图中未示)进行数据处理。
本发明的孪生波带片X射线干涉仪的工作原理和基本过程如下：
当X射线入射到第一波带片2和第二波带片3以后，产生两个焦点，即两个X射线点源，其中一点源发出的光束经待测样品4形成含有待测样品讯息的光束和另点源发出的光束相交产生干涉，干涉图形被CCD探测器5接收，干涉条纹的距离取决于两束X射线的交角，调整两块波带片的中心偏角，可以改变干涉条纹的距离，当两块波带片的中心错位趋大时，可以获得X射线全息图。
Claims (5)
1、一种孪生波带片X射线干涉仪，有一X射线源(1)，其特征是在该X射线源(1)的X射线前进方向上，放置两中心略偏且贴近的第一波带片(2)和第二波带片(3)，在第一波带片(2)或第二波带片(3)的焦点后设有一放置待测样品(4)的样品架，再后设置一探测干涉图形的X射线探测器(5)。
2、根据权利要求1所述的孪生波带片X射线干涉仪，其特征在于所述的X射线源(1)是一个同步辐射源，或者是一台微聚焦的X射线管。
3、根据权利要求1所述的孪生波带片X射线干涉仪，其特征在于所述的波带片是市售的X射线波带片。
4、根据权利要求1所述的孪生波带片X射线干涉仪，其特征在于所述的待测样品(4)是一个待测的生物体。
5、根据权利要求1所述的孪生波带片X射线干涉仪，其特征在于所述的探测器(5)是一个能接受和记录X射线干涉条纹的装置。
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