CN1563926A - 简易x射线干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种简易X射线干涉仪，其特点是它由X射线源、两块平面玻璃板、样品和探测器组成：在X射线源的X射线前进的方向上，略入射地放置两块平面玻璃板，该两平面玻璃板的夹角为1″，这两块平面玻璃板分别反射X射线，其中一束反射的X射线经样品后，再与另一束反射的X射线相交并相互干涉后，用探测器进行检测。本发明具有结构简单、成本低、使用可靠的优点。

Description

简易X射线干涉仪

技术领域：

本发明涉及干涉仪，特别是一种简易的X射线干涉仪，这种干涉仪可以用来测试同步辐射源和微聚焦X射线管空间相干性等。

背景技术：

X射线本质和可见光一样都是电磁辐射，X射线也具有波粒二象性，其微粒特性包括光电效应、非相干以及相干散射、气体电离等。其波动性包括：相速度、位相、反射、折射、衍射、干涉和偏振等。自从X射线被发现以来，人们一直利用这些特性，从事各种有益于人类的活动，例如家喻户晓的XCT成像技术。

X射线短波长的性质，使其在物质中的折射率是一个稍小于1的量，因此不可能使用通常类似于可见光中使用的光学元件，使X射线成像聚焦和分束等等。

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射线可以进行高分辨率干涉计量研究。又由于现有X射线源的时间相干性较差，例如Δλ/λ≈10-4，因此，时间相干长度仅为微米量级，这些都为X射线干涉仪的制作带来困难。

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，如图1所示，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，用底片纪录下条纹。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。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对上述在先技术所存在的缺点，提出一种简易结构X射线干涉仪，它只要两块玻璃板、一个X射线源和CCD探测器就可构成，具有结构简单、成本低、使用可靠的优点。

本发明的技术解决方案的依据如下：

根据电磁波理论，X射线在镜面上的振幅反射率可由Fresnel公式给出。结果X射线从真空入射到折射率为 的介质表面，则

对垂直偏振波：

$r_s=\frac{\sin \mathrm{\θ}-{({\tilde{n}}^2-{\cos }^2\mathrm{\θ})}^{1/2}}{\sin \mathrm{\θ}+{({\tilde{n}}^2-{\cos }^2\mathrm{\θ})}^{1/2}}$

对水平偏振波：

$r_p=\frac{-{\tilde{n}}^2\sin \mathrm{\θ}+{({\tilde{n}}^2-{\cos }^2\mathrm{\θ})}^{1/2}}{{\tilde{n}}^2\sin \mathrm{\θ}+{({\tilde{n}}^2-{\cos }^2\mathrm{\θ})}^{1/2}}$

其中θ为掠入射角。对于正入射情况(θ＝90°)，以上两式得到相同的值，且反射强度

$R={\mathrm{rr}}^{*}={\left(\frac{1-\tilde{n}}{1+\tilde{n}}\right)}^2\≈\frac{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\β}}^2}{4}$

因为δ及β值均非常小，因此可以看出，对于一般正入射情况，镜面反射率几乎可以忽略。

在普通光学中，我们知道，当光线由光密介质向光疏介质传播时，如果入射角超过一定值，光线将被全反射，正好发生全反射的角度称为全反射临界角。

当入射X射线以略入射方式入射到反射镜面时，由于 $\tilde{n}<1,$ 当它从真空入射到某种物质时，将可能发生“全反射”。按照Snell定律 $\sin \mathrm{\&phi;}=\tilde{n}\sin {\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;},$ 其中φ及φ’分别为入射角及折射角。用掠入角θ＝90°-φ代替φ’，则当掠入射角小于某一临界角θ_c时发生全反射，并可得到 ${\mathrm{\&theta;}}_c={\cos }^{-1}\tilde{n}.$ 如果忽略吸收作用，此时n＝1-δ，因而得到：

sinθ_c＝(2δ)^1/2

θ_c≈(2δ)^1/2

$\mathrm{\&delta;}=\frac{r_0}{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}^2\mathrm{Nf}$

${\mathrm{\&theta;}}_c={\mathrm{\&lambda;}}_c{\left(\frac{r_0}{\mathrm{\&pi;}}{N}_{\mathrm{at}}f\right)}^{1/2}$

式中r₀为电子经典半径，f为单个质子自由电子数，N为原子数密度。λ_c称为临界波长。当δ＞＞β时，反射率在临界角处发生剧烈变化，掠入射角小于临界角时，反射率接近100％。

从以上讨论可以得出一个结论：当X射线以小于临界角入射到某一镜面时，会产生全反射。根据这个原理，我们的具体技术方案如下：

一种简易X射线干涉仪，其特征在于它由X射线源、玻璃板、玻璃板、样品和探测器组成：在X射线源的X射线前进的方向上，略入射地放置两块平面玻璃板，该两平面玻璃板的夹角为1″，这两块平面玻璃板分别反射X射线，其中一束反射的X射线经样品后，再与另一束反射的X射线相交并相互干涉后，用探测器进行检测。

所说的X射线源可是一个同步辐射源，或者是一台微聚焦的X射线管。

所说的两块玻璃板都是一块k₉玻璃板，表面光洁度和平整度保证X射线波面无畸变地反射。

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：

本发明采用两块夹角在1″左右的玻璃板几乎平行放置的条件下，X射线略入射到这两块玻璃板，它们产生全反射的两束X射线夹角为1″，这两组X射线相交以后，产生干涉条纹，不需要任何晶体，非常简单。

本发明的简易X射线干涉仪，与在先技术相比，具有结构简单，不需要任何分束器和晶体，由于是全反射，可充分利用X射线束。

附图说明：

图1为在先技术中X射线干涉仪。

图2为本发明的简易X射线干涉仪原理图。

具体实施方式

本发明的简易X射线干涉仪如图2所示，由图可见，本发明简易X射线干涉仪，它由X射线源1、平面玻璃板2、平面玻璃板3、样品4和探测器5组成：在X射线源1的X射线前进的方向上，略入射地放置该两块平面玻璃板2和玻璃板3，该平面玻璃板2和玻璃板3的夹角为1″，这两块平面玻璃板2和玻璃板3将反射X射线，其中一束反射的X射线经样品4后，再与另一束反射的X射线相交并相互干涉后，用探测器5进行检测。

所述的X射线源1是一台同步辐射源，它的输出波长用单色器限定在X射线区域，为1左右。

所述的平面玻璃板2和3都是一块k₉玻璃，尺寸为20×20mm，表面光洁度达到镜面水平。

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，信号送入到计算机中去。

本发明的简易X射线干涉仪的工作原理和基本过程如下：

当X射线略入射到玻璃板2和3以后，产生全反射，其中一束X射线经样品，含有样品信息和另一束X射线相交产生干涉，干涉图形被CCD5接收，干涉条纹的距离取决于两束X射线的交角，调整两块玻璃板的夹角，可以改变干涉条纹的距离，当两块玻璃板的夹角趋大时，可以获得X射线全息图。

Claims (4)

1、一种简易X射线干涉仪，其特征在于它由X射线源(1)、玻璃板(2)、玻璃板(3)、样品(4)和探测器(5)组成：在X射线源(1)的X射线前进的方向上，设置成略入射地放置两块平面玻璃板(2)和玻璃板(3)，该平面玻璃板(2)和玻璃板(3)的夹角为1″，这两块平面玻璃板(2)和玻璃板(3)反射X射线，其中一束反射的X射线经样品(4)后，再与另一束反射的X射线相交并相互干涉后，用探测器(5)进行检测。

2、根据权利要求1所述的简易X射线干涉仪，其特征在于所说的X射线源(1)是一台同步辐射源，它的输出波长用单色器限定在X射线区域，为1左右。

3、根据权利要求1所述的简易X射线干涉仪，其特征在于所述的平面玻璃板(2)和(3)，都是一块k₉玻璃，尺寸为20×20mm，表面光洁度达到镜面水平。

4、根据权利要求1所述的简易X射线干涉仪，其特征在于所述的探测器(5)是一个CCD接收器，信号送入到计算机中去。

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