CN1787118A - 一维x射线折衍射微结构器件 - Google Patents

Abstract

一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。本发明优化了一维X射线折衍射微结构器件的透镜单元的空气隙面形形状，采用椭圆面形，像差几乎为零，焦斑质量比较好，有利于达到对平面X射线入射波完美聚焦的效果。

Description

一维X射线折衍射微结构器件

(一)技术领域

本发明属于X射线微结构光学器件，尤其是基于折射和衍射双重效应的微结构X射线光学器件，适用于对高能X射线波段(＞5keV)辐射进行一维聚焦和成像的场合。

(二)背景技术

X射线组合透镜是A.Snigirev在1996年提出的一种适用于高能X射线波段(即X射线辐射能量超过5keV)的、基于折射效应的X射线微结构光学器件。具有不需要折转光路、高温稳定性好且易冷却、结构简单紧凑、对透镜表面粗糙度要求低等优点。在超高分辨率X射线诊断科学和技术领域有广泛的应用前景。近年来，基于X射线组合透镜的各种X射线诊断技术研究非常活跃。比如用于样本中元素分布测量的高能X射线荧光微层析实验系统；利用铝材料X射线组合透镜的中子显微镜；以及用于单细胞检测、化学微分析、早期胸部肿瘤检测等的高能X射线实验系统等等。然而，由于X射线组合透镜由数十到数百个X射线透镜单元组合而成，对X射线的吸收很大，并进而影响了X射线组合透镜的透射效率。因此减小X射线组合透镜的吸收对改善X射线组合透镜的性能就变得非常重要。

最初减小X射线组合透镜吸收方面的研究，是基于X射线组合透镜的材料特性，选择低原子序数的材料来制作透镜，因为低原子序数材料对X射线的吸收小。同时还要考虑X射线组合透镜的加工性能，选择那些容易加工的材料。综合上述两方面考虑，一些材料，如铝、硅、锂、硼、碳、氧化铝、有机材料PMMA等，常被认为最适合制作X射线组合透镜。然而仅仅靠着材料特性来减小X射线吸收还不能满足要求，另一种方法就是靠改变X射线组合透镜的结构来减小它的吸收，而基于折射和衍射双重效应的一维X射线折衍射微结构器件就能够达到这样的目的。

目前基于折射和衍射双重效应的一维微结构X射线光学器件国内尚未见报道。国际上与现有技术最接近的是采用在平凹抛物面形X射线透镜单元的平面侧壁制作出阶梯状的台阶，也就是呈阶梯状去除部分透镜材料来减小X射线材料吸收。并采用光学刻蚀和反应性离子束刻蚀相结合的平面微制作技术在Si材料上制成(V.Aristov，et al.，Appl.Phys.Lett.，2000，vol.77，pp4058-4060)。若对该结构的X射线组合透镜进行分解，该组合透镜的每一个透镜单元靠着抛物面形实现折射，阶梯结构实现衍射，而整个组合透镜由多个这样的透镜单元顺序放置构成。图2给出了已有技术的抛物面形一维聚焦X射线组合透镜示意图，它由Si材料和空气隙两部分组成。这种技术存在以下缺点：1、实现折射效应的抛物面形并不是理想面形，而是理想面形(即椭圆面形)在傍轴近似条件下的近似，因此并不能达到理想的聚焦性能；2、其次，如图2所示，其平凹抛物面形X射线透镜单元有多处材料厚度趋近于零(比如台阶的顶点处)。这样的结构虽然可以最小化X射线吸收，然而由于在制作过程中的误差，比如侧壁的过度刻蚀，使得结构中材料厚度趋近于零的各处刻透了，因此结构不再连续，这样就影响了透镜单元的尺寸精度和形状精度。并因此很大程度地影响了X射线折衍射微结构器件的性能；3、此外，这种光学刻蚀与反应性离子束刻蚀相结合的平面微制作技术对Si材料的微细制作工艺较成熟，而对于其他材料限制较大。

(三)发明内容

为了克服已有技术中透镜聚焦性能不够理想，以及制作工艺精度不够高的缺点，本发明提供一种透镜单元所开空气隙为椭圆面形的聚焦性能强的一维X射线折衍射微结构器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。

所述台阶的阶宽为2π的整数倍，位于椭圆顶点处透镜沿长轴方向的厚度为H，距椭圆顶点最远处透镜沿短轴方向的厚度为D，H与D之比约等于椭圆弧线最大倾角φ的正切。

所述透镜单元材料可以为下列之一：①硅、②铝、③氧化铝、④PMMA。

所述透镜单元的厚度范围在20微米-2000微米。

本发明的有益效果主要表现在：1、优化了一维X射线折衍射微结构器件的透镜单元的空气隙面形形状，采用椭圆面形，像差几乎为零，焦斑质量比较好，有利于达到对平面X射线入射波完美聚焦的效果；2、优化了一维X射线折衍射微结构器件的结构设计，并综合考虑了制作过程中可能引入的制作误差，优化后的透镜单元结构在任何位置处材料厚度都不为零，因此使得一维X射线折衍射微结构器件的工艺精度更高，器件性能更好；3、对材料限制小，基本上可以消除球差，可以一体化、一次性精密加工成型。

(四)附图说明

图1是本发明一维X射线折衍射微结构器件的透镜示意图。

图2是已有技术的示意图

1-透镜的主体，2-透镜的空气隙

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1：

如图1所示，一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙2的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体1的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体1的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。所述台阶的阶宽为2π的整数倍，因此达到既减小了X射线吸收又不改变所述透镜单元的光学性能的目的，同时所述透镜单元靠着阶梯状的台阶结构实现衍射效应。所述透镜单元的结构在任何位置处材料厚度都不为零，距椭圆顶点最远处的台阶顶点处的材料厚度为4微米，所述位于椭圆顶点处透镜沿长轴方向的厚度为H，距椭圆顶点最远处透镜沿短轴方向的厚度为D，H与D之比约等于椭圆弧线最大倾角φ的正切。所述透镜主体为硅材料。所述一维X射线折衍射微结构器件的高度为20微米。

实施例2：

一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙2的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体1的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体1的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。所述台阶的阶宽为2π的整数倍，因此达到既减小了X射线吸收又不改变所述透镜单元的光学性能的目的，同时所述透镜单元靠着阶梯状的台阶结构实现衍射效应。所述透镜单元的结构在任何位置处材料厚度都不为零，距椭圆顶点最远处的台阶顶点处的材料厚度为5微米，所述位于椭圆顶点处透镜沿长轴方向的厚度为H，距椭圆顶点最远处透镜沿短轴方向的厚度为D，H与D之比约等于椭圆弧线最大倾角φ的正切。所述透镜主体为PMMA材料。所述一维X射线折衍射微结构器件的高度为2000微米。

实施例3：

一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙2的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体1的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体1的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。所述台阶的阶宽为2π的整数倍，因此达到既减小了X射线吸收又不改变所述透镜单元的光学性能的目的，同时所述透镜单元靠着阶梯状的台阶结构实现衍射效应。所述透镜单元的结构在任何位置处材料厚度都不为零，距椭圆顶点最远处的台阶顶点处的材料厚度为3微米，所述位于椭圆顶点处透镜沿长轴方向的厚度为H，距椭圆顶点最远处透镜沿短轴方向的厚度为D，H与D之比约等于椭圆弧线最大倾角φ的正切。所述透镜主体为铝材料。所述一维X射线折衍射微结构器件的高度为500微米。

实施例4：

一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙2的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体1的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体1的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。所述台阶的阶宽为2π的整数倍，因此达到既减小了X射线吸收又不改变所述透镜单元的光学性能的目的，同时所述透镜单元靠着阶梯状的台阶结构实现衍射效应。所述透镜单元的结构在任何位置处材料厚度都不为零，距椭圆顶点最远处的台阶顶点处的材料厚度为5微米，所述位于椭圆顶点处透镜沿长轴方向的厚度为H，距椭圆顶点最远处透镜沿短轴方向的厚度为D，H与D之比约等于椭圆弧线最大倾角φ的正切。所述透镜主体为氧化铝材料。所述一维X射线折衍射微结构器件的高度为1500微米。

实施例5：

一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙2的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体1的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体1的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。所述台阶的阶宽为2π的整数倍，因此达到既减小了X射线吸收又不改变所述透镜单元的光学性能的目的，同时所述透镜单元靠着阶梯状的台阶结构实现衍射效应。所述透镜单元的结构在任何位置处材料厚度都不为零，距椭圆顶点最远处的台阶顶点处的材料厚度为4微米，所述位于椭圆顶点处透镜沿长轴方向的厚度为H，距椭圆顶点最远处透镜沿短轴方向的厚度为D，H与D之比约等于椭圆弧线最大倾角φ的正切。所述透镜主体为PMMA材料。所述一维X射线折衍射微结构器件的高度为1000微米。

Claims (4)

1、一维X射线折衍射微结构器件，包括多个依次同轴排布的透镜单元组成，所述透镜单元由开有空气隙的主体构成的透镜组成，所述的透镜主体的上侧壁开有朝上的阶梯状台阶，每个台阶的阶宽相等；所述透镜主体的下侧壁开有以轴为中心线与透镜上侧壁的台阶对称布置的朝下的阶梯状台阶，其特征在于：所述透镜开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为椭圆形，所述空气隙对应椭圆短轴方向的最大口径尺寸小于椭圆短轴尺寸，所述透镜单元的椭圆形空气隙的长轴位于同一直线上。

2、如权利要求1所述的一维X射线折衍射微结构器件，其特征在于：所述台阶的阶宽为2π的整数倍，位于椭圆顶点处透镜长轴方向的厚度为H，距椭圆顶点最远处透镜沿短轴方向的厚度为D，H与D之比约等于椭圆弧线最大倾角φ的正切。

3、如权利要求1或2所述的一维X射线折衍射微结构器件，其特征在于：所述透镜单元材料可以为下列之一：①硅、②铝、③氧化铝、④PMMA。

4、如权利要求3所述的一维X射线折衍射微结构器件，其特征在于：所述透镜单元的厚度范围在20微米-2000微米。