CN201975093U

CN201975093U - 镶嵌式二维聚焦x射线组合折射透镜

Info

Publication number: CN201975093U
Application number: CN2011200407787U
Authority: CN
Inventors: 董文; 乐孜纯
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-02-17

Abstract

一种镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，包括玻璃基板和母镜，母镜安装在玻璃基板上，母镜包括母镜主体和在母镜主体上顺序间隔布置的圆柱形空腔和正方形空腔，各个圆柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于母镜主体的长度方向的同一直线上，圆柱形空腔设有第一圆柱面，各个正方形空腔内嵌入子镜体，子镜体的截面呈正方形，子镜体正中设有圆柱形通孔，圆柱形通孔设有第二圆柱面，第一圆柱面与第二圆柱面相互呈正交结构。本实用新型光轴可高精度自校准、聚焦效率高、制作工艺精度高、透镜材料限制较小、系统设计和装配调试简便。

Description

镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜

技术领域

本实用新型涉及一种X射线微结构光学器件，适用于对高能X射线波段(＞5keV)辐射进行二维聚焦和成像的场合。

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。

最初的X射线组合透镜是采用计算机精密控制钻孔的方法，在铝金属材料上制作出几十至几百个顺序排布的圆柱状孔来实现的，对X射线进行一维聚焦，并利用其开展X射线探测和诊断技术研究。之后为了提高制作精度，多采用平面微制作技术(包括薄膜沉积，光学刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等技术)制作截面形状为圆形、抛物面形、椭圆面形的X射线组合透镜，组合透镜材料扩展到铝、硅、锂、硼、碳、氧化铝、有机材料PMMA等等，聚焦的效果大幅度改善，只是这样的X射线组合透镜依然是一维聚焦的。然而，X射线探测和诊断技术应用领域，通常需要微米甚至亚微米量级的X射线探测光斑(即聚焦焦斑)，而不仅仅是聚焦焦线。因此必须发展能够对X射线辐射进行二维聚焦的X射线组合透镜。

目前二维聚焦的X射线组合透镜国内尚未见报道，国际上主要采取两种方式来达到对X射线二维聚焦的目的。一种是采用平面光刻技术，制作两个一维聚焦X射线组合透镜，将两个一维聚焦X射线组合透镜正交放置，分别对X射线束进行水平方向线聚焦和垂直方向线聚焦，以达到二维聚焦的目的(C.G.Schroer，et al.，Appl.Phys.Lett.，2003，vol.82，pp1485-1487)。该技术的缺点是：(1)一维聚焦X射线组合透镜本身是微结构器件，X射线又是不可见光，两个一维聚焦X射线组合透镜在系统中放置时，光轴校准极其困难；(2)两个一维聚焦X射线组合透镜共同完成二维X射线束聚焦，使得X射线束穿越透镜材料的长度约是一个组合透镜的两倍，X射线束损耗大幅增加；(3)两个一维聚焦X射线组合透镜的焦距必须按一定规则匹配，系统设计和装调都很复杂。另一种方法是首先制作旋转抛物面形的透镜折射单元模具，然后采用模压技术在铝材料上压制一个单个的组合透镜折射单元，将组合透镜折射单元一个一个顺序排列组合起来形成二维聚焦的X射线组合透镜，靠着每一个折射单元的旋转抛物面实现二维聚焦(B.Lengeler，et al.，Appl.Phys.Lett.，1999，vol.74，pp3924-3926)。该技术的缺点是：(1)采用精密机械制造技术，微结构尺寸不可能制作得很小，因此对X射线辐射的聚焦效率不可能很高；(2)组合透镜由一个一个分立的折射单元顺序排放组成，光轴对准极困难，光轴的偏差将引起组合透镜性能的降低；(3)基于精密机械制作技术的方法对于组合透镜的材料限制较大，通常只适用于机械加工性能好、延展性好的金属材料，比如铝材料。

发明内容

为了克服已有二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴对准极其困难、聚焦效率不够高、制作工艺精度不够高、透镜材料限制较大、系统设计和装调很复杂的不足，本实用新型提供一种光轴可高精度自校准、聚焦效率高、制作工艺精度高、透镜材料限制较小、系统设计和装配调试简便的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，包括玻璃基板和母镜，所述母镜安装在所述玻璃基板上，所述母镜包括母镜主体和在所述母镜主体上顺序间隔布置的圆柱形空腔和正方形空腔，各个圆柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母镜主体的长度方向的同一直线上，所述圆柱形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第一圆柱轴线垂直方向的聚焦的第一圆柱面，各个正方形空腔内嵌入子镜体，所述子镜体的截面呈正方形，所述子镜体正中设有圆柱形通孔，所述圆柱形通孔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第二圆柱轴线垂直方向的聚焦的第二圆柱面，所述第一圆柱面与所述第二圆柱面相互呈正交结构。

作为优选的一种方案，多个子镜体安装在夹持臂上，相邻子镜体的中心间距与相邻正方形空腔的中心间距相等。

作为优选的另一种方案，所述子镜体为正方体，所述圆柱形通孔的直径比所述正方体边长小，所述正方体的中心线与所述圆柱形通孔的轴线重合，所述正方形空腔的边长比所述正方体边长大，所述圆柱形空腔的深度和正方形空腔的深度与所述正方体的边长相等。

进一步，所述正方形空腔的中心和圆柱形空腔的中心之间的距离与所述正方体的边长相等。

再进一步，所述圆柱形空腔的直径比所述正方体的边长小。

所述圆柱形空腔的直径和所述圆柱形通孔的直径相等。当然，也可以不相等。

所述母镜主体和子镜体的材料为下列之一：①SU-8、②铜、③镍。

所述圆柱形空腔和正方形空腔的个数为范围为20到100个。

所述玻璃基板的厚度为1～2毫米，所述圆柱形腔体和圆柱形通孔的直径范围为40微米到240微米，所述正方形的边长范围为50微米到250微米，所述正方形空腔和正方向边长的差值范围为1微米到2微米。

所述夹持臂厚度50-100微米。

本实用新型的技术构思为：所述母镜和子镜，经在显微镜下组装后，即形成本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的二维聚焦功能，由其内的一个个二维聚焦折射单元(如图1c所示)完成，所述二维聚焦折射单元，由一个沿y轴、一个沿x轴的两个相互垂直的圆柱面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，经一个个二维聚焦折射单元的多次折射，从所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜出射后，形成二维聚焦焦斑。

本实用新型的有益效果主要表现在：1、提出一种由母镜和子镜构成的新型镶嵌式X射线组合折射透镜，实现对X射线辐射二维聚焦的目的；2、X射线组合透镜的光轴校准是技术难点，对组合透镜的性能影响非常大，本实用新型提出的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴校准是靠子镜嵌入母镜的组装过程来完成的，由于母镜和子镜由平面微细加工技术完成，精度非常高，因此保证了高精度的光轴校准，解决了X射线器件光轴校准的技术难题；3、通过新颖的器件结构设计实现对X射线辐射的二维聚焦，聚焦性能和光学性能由器件结构来保证，避免了使用两个一维聚焦X射线组合透镜正交排布所面临的系统设计和装调都很复杂的问题；4、采用平面微细加工技术，加工精度高，器件深宽比大，对材料限制小，可以一体化、一次性精密加工成型。

附图说明

图1a是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的正视图。

图1b是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的俯视图。

图1c是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜中二维聚焦折射单元的局部I的放大图。

图1d是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜中二维聚焦折射单元的局部I的俯视图。

图2a是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的正视图。

图2b是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的俯视图。

图2c是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的正视图。

图2d是本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的俯视图。

其中：o表示直角坐标系的原点，x、y、z分别代表直角坐标系的x轴、y轴和z轴，g表示光轴，a为子镜体(正方体)的边长，a+δ为正方形空腔的长度和宽度，φ为圆柱形空腔和圆柱形通孔的直径。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1a～图2d，一种镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，包括玻璃基板和母镜，所述母镜安装在所述玻璃基板上，所述母镜包括母镜主体和在所述母镜主体上顺序间隔布置的圆柱形空腔和正方形空腔，各个圆柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母镜主体的长度方向的同一直线上，所述圆柱形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第一圆柱轴线垂直方向的聚焦的第一圆柱面，各个正方形空腔内嵌入子镜体，所述子镜体的截面呈正方形，所述子镜体正中设有圆柱形通孔，所述圆柱形通孔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第二圆柱轴线垂直方向的聚焦的第二圆柱面，所述第一圆柱面与所述第二圆柱面相互呈正交结构。

所述子镜体为正方体，所述圆柱形通孔的直径比所述正方体边长小，所述正方体的中心线与所述圆柱形通孔的轴线重合，所述正方形空腔的边长比所述正方体边长大，所述圆柱形空腔的深度与所述正方体的边长相等。所述正方形空腔的中心和圆柱形空腔的中心之间的距离与所述正方体的边长相等。所述圆柱形空腔的直径比所述正方体的边长小。所述圆柱形空腔的直径和所述圆柱形通孔的直径相等。当然，也可以不相等。所述圆柱形空腔和正方形空腔的个数为范围为20到100个。

本实施例中，玻璃基板厚度1毫米，作为镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的底座，所述母镜制作在玻璃基板上，母镜包括母镜主体材料和在主体材料上顺序排列的圆柱形空腔和正方形空腔共同构成，所述圆柱形空腔的圆柱面完成对X射线的折射，达到对X射线辐射沿圆柱轴线垂直方向的聚焦，所述正方形空腔为嵌入子镜所用。所述子镜包括夹持臂和子镜体共同组成，所述夹持臂厚度50微米，所述子镜体为正方形，正方形正中有圆柱形通孔，所述圆柱形通孔的圆柱面完成对X射线的折射，达到对X射线辐射沿圆柱轴线垂直方向的聚焦，所述子镜的子镜体从所述母镜的上方嵌入母镜的正方形空腔中。

所述母镜主体上圆柱形空腔的直径为40微米，所述圆柱形空腔的轴线沿图2a所示坐标系的y轴方向；所述母镜上的圆柱形空腔和正方形空腔，按照一个圆柱形空腔紧接着一个正方形空腔的顺序依次排列，所述圆柱形空腔和正方形空腔沿坐标系z轴共轴，所述正方形空腔共有20个；所述正方形空腔的长度和宽度均为51微米，高度为50微米，所述高度指沿着坐标系的y轴方向；在图2a所示坐标系xoz截面内，所述圆柱形空腔截面圆的圆心和正方形空腔截面正方形中心之间距离为50微米。

所述子镜的子镜体的长度、宽度和高度均为50微米，所述子镜体共有20个，沿z轴共轴并顺序排列；所述子镜体中的圆柱形通孔的轴线沿图2a所示坐标系的x轴方向，所述圆柱形通孔的直径为40微米，两个子镜体之间的间隔为50微米；在图2a所示坐标系yoz截面内，所述圆柱形通孔截面圆的圆心和子镜体截面正方形中心重合。

所述母镜主体和子镜的材料为SU-8光刻胶。

所述母镜和子镜，经在显微镜下组装后，即形成本实用新型镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的二维聚焦功能，由其内的一个个二维聚焦折射单元(如图1c所示)完成，所述二维聚焦折射单元，由一个沿y轴、一个沿x轴的两个相互垂直的圆柱面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，经一个个二维聚焦折射单元的多次折射，从所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜出射后，形成二维聚焦焦斑。

实施例2

参照图1a～图2d，本实施例中，所述玻璃基板厚度2毫米，所述夹持臂厚度100微米。

所述母镜主体上圆柱形空腔的直径为240微米，所述圆柱形空腔的轴线沿图2a所示坐标系的y轴方向；所述母镜上的圆柱形空腔和正方形空腔，按照一个圆柱形空腔紧接着一个正方形空腔的顺序依次排列，所述圆柱形空腔和正方形空腔沿坐标系z轴共轴，所述正方形空腔共有100个；所述正方形空腔的长度和宽度均为252微米，高度为250微米，所述高度指沿着坐标系的y轴方向；在图2a所示坐标系xoz截面内，所述圆柱形空腔截面圆的圆心和正方形空腔截面正方形中心之间距离为250微米。

所述子镜的子镜体的长度、宽度和高度均为250微米，所述子镜体共有100个，沿z轴共轴并顺序排列；所述子镜体中的圆柱形通孔的轴线沿图2a所示坐标系的x轴方向，所述圆柱形通孔的直径为240微米，两个子镜体之间的间隔为250微米；在图2a所示坐标系yoz截面内，所述圆柱形通孔截面圆的圆心和子镜体截面正方形中心重合。

所述母镜主体和子镜的材料为镍金属。

本实施例的其他方案均与实施例1相同。

实施例3

参照图1a～图2d，本实施例中，所述玻璃基板厚度1.8毫米，所述夹持臂厚度80微米。

所述母镜主体上圆柱形空腔的直径为200微米，所述圆柱形空腔的轴线沿图2a所示坐标系的y轴方向；所述母镜上的圆柱形空腔和正方形空腔，按照一个圆柱形空腔紧接着一个正方形空腔的顺序依次排列，所述圆柱形空腔和正方形空腔沿坐标系z轴共轴，所述正方形空腔共有60个；所述正方形空腔的长度和宽度均为211.5微米，高度为210微米，所述高度指沿着坐标系的y轴方向；在图2a所示坐标系xoz截面内，所述圆柱形空腔截面圆的圆心和正方形空腔截面正方形中心之间距离为210微米。

所述子镜的子镜体的长度、宽度和高度均为210微米，所述子镜体共有60个，沿z轴共轴并顺序排列；所述子镜体中的圆柱形通孔的轴线沿图2a所示坐标系的x轴方向，所述圆柱形通孔的直径为200微米，两个子镜体之间的间隔为210微米；在图2a所示坐标系yoz截面内，所述圆柱形通孔截面圆的圆心和子镜体截面正方形中心重合。

所述母镜主体和子镜的材料为铜金属。

本实施例的其他方案均与实施例1相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：包括玻璃基板和母镜，所述母镜安装在所述玻璃基板上，所述母镜包括母镜主体和在所述母镜主体上顺序间隔布置的圆柱形空腔和正方形空腔，各个圆柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母镜主体的长度方向的同一直线上，所述圆柱形空腔设有用以对X射线的折射达到对X射线辐射沿第一圆柱轴线垂直方向的聚焦的第一圆柱面，各个正方形空腔内嵌入子镜体，所述子镜体的截面呈正方形，所述子镜体正中设有圆柱形通孔，所述圆柱形通孔设有用以对X射线的折射达到对X射线辐射沿第二圆柱轴线垂直方向的聚焦的第二圆柱面，所述第一圆柱面与所述第二圆柱面相互呈正交结构。

2.如权利要求1所述的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：多个子镜体安装在夹持臂上，相邻子镜体的中心间距与相邻正方形空腔的中心间距相等。

3.如权利要求1或2所述的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：所述子镜体为正方体，所述圆柱形通孔的直径比所述正方体边长小，所述正方体的中心线与所述圆柱形通孔的轴线重合，所述正方形空腔的边长比所述正方体边长大，所述圆柱形空腔的深度和正方形空腔的深度均与所述正方体的边长相等。

4.如权利要求3所述的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：所述正方形空腔的中心和圆柱形空腔的中心之间的距离与所述正方体的边长相等。

5.如权利要求3所述的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：所述圆柱形空腔的直径比所述正方体的边长小。

6.如权利要求1或2所述的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：所述圆柱形空腔的直径和所述圆柱形通孔的直径相等。

7.如权利要求1或2所述的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：所述圆柱形空腔和正方形空腔的个数为范围为20到100个。

8.如权利要求5所述的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：所述玻璃基板的厚度为1～2毫米，所述圆柱形腔体和圆柱形通孔的直径范围为40微米到240微米，所述正方形的边长范围为50微米到250微米，所述正方形空腔和正方向边长的差值范围为1微米到2微米。

9.如权利要求2所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，其特征在于：所述夹持臂厚度50-100微米。