CN1441441A - 高亮度空间相干x射线源 - Google Patents
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Abstract
一种高亮度空间相干X射线源，包括处于一防辐射外壳内的X光光源和X射线空间相干增益腔，其特点是：所述的X光光源由电子束激发X光光源和毛细管X光聚焦透镜组成，毛细管X光聚焦透镜设置于电子束激发X光光源的出射窗口处；该X射线空间相干增益腔的入口处设有入射限孔光阑，该入射限孔光阑位于该毛细管X光透镜的后焦点处；该电子束激发X光光源、毛细管X光透镜、空间相干增益腔的入射限孔光阑和出射窗口同轴；该X射线空间相干增益腔的出射窗口的孔径D出大于入射限孔光阑的孔径D入；D入的选取范围是：1微米<D入<30微米。本发明高亮度空间相干X射线源，具有普遍适用、高相干性、高亮度、低成本、体积小和稳定性好的特点。
Description
技术领域：
本发明是关于一种高亮度空间相干X射线源，它可作为小型相干X射线源应用在对X光亮度和空间相干度都有一定要求的X射线的成像、探测和诊断中。并且也适用于采用超短激光泵浦源来产生亚皮秒高亮度空间相干X射线。
背景技术：
在先技术[1]：利用同步辐射加速器来产生高亮度空间相干X射线。这种研究是个很活跃的领域，各国物理学家均进行过这方面的研究。比较有代表性的是
D.R.Kania和H.Kornblum等人所作的以激光与金箔靶作用产生的高能高密度等离子体作为工作物质产生X射线(发表文章见PhysicalReview A，46(12)，7853-7868，1992)。他在实验中泵浦激光波长为1.06微米，脉宽为1纳秒，脉冲能量为6500焦耳。经过倍频晶体磷酸二氢钾(KDP)倍频，再聚焦和随机改变位相后，实际入射激光波长为0.53微米，脉宽1纳秒，脉冲能量为3600焦耳。聚焦后的激光斜入射到金箔靶上，并利用背向出射的X射线进行成像及诊断。此装置造价较低、结构简单、排布紧凑、稳定性好，还可以达到较高的亮度，可以应用于对曝光量和光源相干度要求不高的场合。但是在这类装置中只注重X光辐射的强度、能谱分布等指标，对光源的空间展宽没有进行有效的控制，使出射光束的空间相干度低，不能满足高分辨率成像的要求。另外一个很重要的不足是金属箔靶材在与强激光作用过程中总会被不断消耗，到一定时间后将无法产生X射线，因此它不可能实现X光的连续稳定输出。这种情况下若频繁更换靶材也必然会使工作过程很烦琐，特别是如果相互作用过程是在真空靶室中进行，则每一次更换靶材总要伴随放气和抽真空的过程，因此这种光源要想用在对X光曝光量有较高要求的环境中还有相当长的距离。
在先技术[2]：澳大利亚CSIRO的Wilkins等人利用微聚焦X光管来获得空间相干的X光(发表文章见Rev.Sci.Instrum，68(7)，2774-2782，1997)。
实验以固态CO2作为靶材，用高真空微调阀控制进入靶室内的CO2气体流量。在真空靶室中采用液氮作为冷却剂使吹入的CO2气体凝结，形成固态CO2靶。采用波长1.06微米，脉宽8纳秒，单次脉冲能量1焦耳的聚焦激光作为泵浦光源。由于此装置中的CO2气体可不断补充，因此可以实现X射线的连续输出，而且在强激光脉冲的作用下可使靶材的碎片迅速汽化，避免由碎片产生的污染。但是在该装置中固态靶需要液氮的不断冷却，涉及到两种气体的循环过程，这就给装置的轻便小巧化带来一定困难。而且CO2气体的冷凝过程及凝结形状不易控制，很难保证大部分靶面处于激光的焦斑范围内，这就造成X射线的转换效率低下，且无法控制出射X光的相干性和其它特性，使其在X光成像方面的工作中暂时不能有普遍的应用价值。另外它也同样存在光源展宽使X射线空间相干度不佳的问题。
由于在X光的成像诊断工作中，成像的分辨率是评价成像结果的决定性因素，因此要求到达记录介质上的X光必须具有较高的信噪比，这意味着记录介质上的曝光量有一个下限(参阅文献J.Opt.Soc.Am.A，7(10)，1847-1861，1990)。而在目前激光与等离子体相互作用产生X射线的工作中，X射线的转换效率还比较低，需要经过较长的曝光时间才能达到一定的X光输出能量，因此实现X光的稳定连续输出成为了X射线源成功的必要条件。同时，在理论上对X射线空间相干度与成像分辨率的定量关系的研究也表明，X射线空间相干度的降低也将导致成像分辨率的显著降低，(参阅文献Optics Communications，172，17-22，1999)。激光等离子体X光源可看作是源面上各点互不相干的热光源，减小光源的横向尺度可以有效提高输出X光的空间相干度，进而提高成像的横向分辨率。此外，飞秒量级的X射线源对于生物与分子化学等研究领域有着非常重大的意义，近年来随着激光技术的发展，目前最先进的激光器输出脉冲的脉宽已经达到了飞秒量级，功率也迅速提高到太瓦以上，产生飞秒X光的技术条件已经成熟。但在先技术中在激光聚焦前多采用的透射式光学元件会造成超短脉冲的严重展宽，同时导致聚焦后的激光打靶功率密度的下降，这是要获得超短X射线源所必须避免的。
在先技术[3]：中科院上海光机所汤宇辉等人曾发明一种激光等离子体X射线源(专利号：ZL01253947.3)，包括激光光源和真空靶室。激光光源发射的激光束穿过真空靶室的窗口射到置于真空靶室内的平面反射镜上，平面反射镜反射的激光束由离轴抛物面反射聚焦镜经过固体靶组件中的前向光阑聚焦到带状靶材上。置于真空靶室内的固体靶组件中带状靶材一端固定于主动轮上，绕过第一辅动轮、锥孔X光阑、第二辅动轮，盘绕在被动轮上。由同步信号发生器同时控制步进电机和激光光源步进电机驱动主动轮转动，带动带状靶材移动。此发明与其它技术相比，具有普遍适用性，适用于长脉冲或短脉冲和各种波长X光。具有稳定性好、成本低、高相干度和高分辨率。但是由于其出射的X光未经过汇聚，因此远场的相干X光亮度较低，不能充分满足某些需要高亮度空间相干X射线源的应用要求。
在先技术[4]：X射线激光
X射线激光的特点是相干性好，单色亮度高，脉冲持续时间短，而且波长在一定范围内可以控制。X射线激光器逐渐向小型化发展，谐振腔X射线激光器的研究也正在积极展开。国内中科院上海光机所利用神光装置已实现复合泵浦及电子碰撞机制X射线激光的运转。已有的X射线激光亮度比同步辐射源高出几个数量级，波长范围为35-3.5nm，已经能基本满足对生物样品进行X射线全息等三维高分辨率成像的要求。X射线激光能实现单发产生全息图，但目前该类系统仍极为昂贵，且无硬X光激光，辐照面积小，作为普遍使用的X射线成像光源也仍有一定距离。
综上所述，可以看出，使X射线源具有小的空间尺度和连续输出对于X光成像诊断是至关重要的。同时，要获得高亮度的空间相干X射线源也要考虑到出射X光的汇聚等光路问题。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺陷，提供一种高亮度空间相干X射线源，它应具有普遍适用、高相干性、高亮度、低成本、体积小和稳定性好的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种高亮度空间相干X射线源，包括处于一防辐射外壳内的X光光源和X射线空间相干增益腔，其创造点是：
1、所述的X光光源由电子束激发X光光源和毛细管X光聚焦透镜组成，毛细管X光聚焦透镜设置于电子束激发X光光源的出射窗口处；
2、所述X射线空间相干增益腔的入口处设有入射限孔光阑，该入射限孔光阑位于毛细管X光透镜的后焦点处；
3、所述的电子束激发X光光源、毛细管X光透镜、空间相干增益腔的入射限孔光阑和出射窗口同轴；
4、所述X射线空间相干增益腔的出射窗口的孔径D出大于入射限孔光阑的孔径D入；
5、该入射限孔光阑的通光孔径D入的选取范围为：1微米＜D入＜30微米。
所述的入射限孔光阑放置于固定在底盘上的三维光学调整架上。
所述的毛细管X光透镜放置于固定在底盘上的六维光学调整架上。
所述的X射线空间相干增益腔的长度L是可调的。
本发明与在先技术X射线源相比，主要有以下优点：
1、有普遍适用性即普适性。本发明与在先技术比，适用长脉冲或短脉冲和各种常规X光波长(＜50KeV)。此外，毛细管X光透镜聚焦还与X光的波长基本无关，对于不同波长的X光的聚焦焦距相同。做到了对各种X光光源的普遍适用。而在先技术中采用的透射聚焦系统对于不同波长的泵浦激光光源是必须重新设计加工的。
2、高相干度和高分辨率。本发明利用了小孔压缩光源的横向尺度的方法，并可保证该尺度及光源空间位置在X射线连续输出时保持精确不变，显著地提高了出射X光的空间相干度及稳定性。由于采用小孔光阑限束，分辨率比在先技术大大提高，使利用通用X射线源在普通实验室、医院、工业应用中进行高分辨率成像等成为可能。
3、高亮度。本发明利用毛细管X光透镜进行聚焦，亮度比在先技术提高了约100倍，从而，相比于在先技术大大减小了曝光所需时间，使得成像过程对人体或生物组织的损伤达到最小。
4、低成本和小体积。在先技术中靶材及部分外围设备的制备都比较困难，使用同步辐射产生X射线更是价格昂贵、体积庞大，仅适用于实验研究，而本发明所用所有部件都很容易加工和购买，体积也较小。采用电子束激发X光点光源来产生具有不同强度及频谱特性的X光，是目前医疗及工业上常用的方法，毛细管X光透镜和限束光阑也较容易加工。
5.稳定性好。本发明的主要部件都可以实现在一块底板上的集成，各元件间不会产生相对位移，可保证X射线源的稳定输出和低故障率，这些对较长的曝光时间和高分辨率的成像是非常重要的。
附图说明：
图1是本发明高亮度空间相干X射线源最佳实施例结构位置俯视示意图。
图2是本发明高亮度空间相干X射线源最佳实施例结构位置侧视示意图。
具体实施方式：
请参见图1和图2，本发明高亮度空间相干X射线源，包括：电子束激发X光聚焦光源1，X射线空间相干增益腔2，底盘3和防辐射外壳4。在电子束激发X光聚焦光源1内置有电子束激发X光光源5和毛细管X光透镜6，在X射线空间相干增益腔2内有入射限孔光阑201和出射窗口202。由电子束激发X光光源5出射窗口501发出的X光被毛细管X光透镜6的入射端601收集后，经毛细管X光透镜6汇聚在其焦点602处，发射的汇聚X射线光束(Gr)经X射线空间相干增益腔2的入射限孔光阑201限束后，通过腔内自由空间的传播到达X射线空间相干增益腔2的出射窗口202。
其特点是：
1、电子束激发X光聚焦光源1内置有毛细管X光透镜6，由电子束激发X光光源5的出射窗口501出射的X光被毛细管X光透镜6的入射端601收集；
2、X光被毛细管X光透镜6的入射端601收集后，再经毛细管X光透镜6汇聚在其焦点602处，即到空间相干增益腔2的入射限孔光阑201中；
3、电子束激发X光点光源5，毛细管X光透镜6，空间相干增益腔2的入射限孔光阑201及出射窗口202在同一中心轴线上，电子束激发X光点光源5固定于底盘3上，毛细管X光透镜6置于由底盘3固定的六维精密光学调整架301上，入射限孔光阑201放置于固定在底盘3上的三维精密光学调整架302上，其位置位于毛细管X光透镜6的焦点；
4、X射线空间相干增益腔2内部为自由空间，其长度L可调，真空状态由应用系统的X光探测器类型决定。
5、X光入射限孔光阑201的通光孔径是圆形，其孔径D入为：1微米＜D入＜30微米。
6、X射线空间相干增益腔2的出射窗口202的孔径D出大于入射限孔光阑201的孔径D入，即D出＞D入。
本发明的X射线源的结构，从功能上可以划分为三大部分。第一部分包括电子束激发X光聚焦光源1、底盘3和其上的六维精密光学调整架301，以及位于电子束激发X光聚焦光源1内的电子束激发X光光源5和毛细管X光透镜6。这一部分用于提供高亮度X射线光源。第二部分包括X射线空间相干增益腔2、底盘3和其上的三维精密光学调整架302，以及位于X射线空间相干增益腔2内的X光入射限孔光阑201。这一部分用于改进第一部分产生的X射线光源相干性，从而获得高亮度空间相干X射线源。第三部分是防辐射外壳4和位于X射线空间相干增益腔2内的X光出射窗口202，用来构成安全的X射线出射窗口，防止X射线产生辐射泄漏，造成意外伤害。
在第一部分中，电子束激发X光光源5用于提供X射线，可以是长脉冲(脉宽在纳秒量级)或短脉冲(脉宽为皮秒或飞秒量级)和各种常规X光波长(＜50KeV)的X光光源。
其具体工作过程是：
由第一部分的电子束激发X光光源5出射窗口501发出的X光被毛细管X光透镜6的入射端601收集后，经毛细管X光透镜6汇聚在其后焦点602处，产生高亮度X射线。而此焦点与第二部分的空间相干增益腔2的入射限孔光阑201位置重合，即发射的汇聚X射线光束(Gr)汇聚于第二部分空间相干增益腔2的入射限孔光阑201，经入射限孔光阑201焦点限束，在空间相干增益腔2内的自由空间传播，获得高相干性，最后到达X射线空间相干增益腔2的出射窗口202，出射成为高亮度空间相干X射线。
综上所述，并经试用证明，本发明高亮度空间相干X射线源，具有普遍适用、高相干性、高亮度、低成本、体积小和稳定性好的特点。
Claims (4)
1、一种高亮度空间相干X射线源，包括处于一防辐射外壳(4)内的X光光源(1)和X射线空间相干增益腔(2)，其特征在于：
<1>所述的X光光源(1)由电子束激发X光光源(5)和毛细管X光聚焦透镜(6)组成，毛细管X光聚焦透镜(6)设置在电子束激发X光光源(5)的出射窗口(501)处；
<2>所述X射线空间相干增益腔(2)的入口处设有入射限孔光阑(201)，该入射限孔光阑(201)位于毛细管X光透镜(6)的后焦点处；
<3>所述的电子束激发X光光源(5)、毛细管X光透镜(6)、空间相干增益腔(2)的入射限孔光阑(201)和出射窗口(202)同轴；
<4>所述X射线空间相干增益腔(2)的出射窗口(202)的孔径D出大于入射限孔光阑(201)的孔径D入；
<5>该入射限孔光阑(201)的通光孔径D入的选取范围为：1微米＜D入＜30微米。
2、根据权利要求1所述的高亮度空间相干X射线源，其特征在于所述的入射限孔光阑(201)放置于固定在底盘(3)上的三维光学调整架(302)上。
3、根据权利要求1所述的高亮度空间相干X射线源，其特征在于所述的毛细管X光透镜(6)放置于固定在底盘(3)上的六维光学调整架(301)上。
4、根据权利要求1或2或3所述的高亮度空间相干X射线源，其特征在于所述的X射线空间相干增益腔(2)的长度L是可调的。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20041124 Termination date: 20140314 |