制作工艺误差对X射线组合折射透镜聚焦性能影响研究

本文主要介绍对X射线组合折射透镜的制作工艺误差对其聚焦性能影响的研究结果. 首先给出采用深度X射线光刻技术制作的PMMA材料圆柱面型X组合折射透镜的工艺测试结果,得出制作工艺误差值,定性分析制作工艺误差对X射线组合折射透镜聚焦性能的影响. 然后根据实际的制作工艺误差建模,给出详尽的理论分析和定量的理论模拟结果. 最后在北京同步辐射装置(BSRF)上,构建基于PMMA材料的圆柱面型X射线组合折射透镜的微束聚焦实验系统,实际测试了有明显工艺误差和尽量消除工艺误差的两种X射线组合折射透镜的聚焦性能,给出实测结果 关键词： X射线组合折射透镜 制作工艺误差 X射线聚焦性能 同步辐射     

高能X射线组合透镜聚焦性能的实验结果

高能X射线组合透镜是一种基于折射效应的新型X射线光学元件。报道了这种新型X射线光学元件聚焦性能的最新实验结果。设计的高能X射线组合透镜为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料,包括40个相同的、顺序排布的平凹折射单元,折射单元的球面半径为200μm,组合透镜的几何口径约为500μm,长度约为8 mm,焦距约为1.3 m。简要描述了PMMA材料X射线组合透镜的制作技术和制作过程。并给出了X射线组合透镜聚焦性能测试实验系统和实验条件。最后给出8 keV单色X射线辐射下,PMMA材料X射线组合透镜的聚焦性能的测试结果,对实际测试结果进行了分析和讨论,得出结论,焦距等参量与理论计算结果基本吻合。     

高能X射线聚焦组合透镜的理论研究

X射线聚焦组合透镜是一种利用折射效应对X射线辐射聚焦的新型元件。针对X射线波段的特性,综合考虑折射和吸收效应得出组合透镜的衍射屏函数,并利用衍射理论推导出X射线组合透镜的设计理论。利用统计学理论中一阶、二阶原点矩表征像面处的光学性能,使设计更简洁。该理论方法可方便地推广到双凹折射单元情况。通过数值计算分析了像向处强度分布的二阶中心矩以及焦点处辐射强度随组合透镜结构参最的变化关系,给出了一种铝基X射线组合透镜的结构参量设计结果。对于设计的组合透镜结构参量,计算了当X射线辐射能量分别为0．93 keV．9．89 keV和29．78 keV时,X射线辐射经过组合透镜后的焦点强度分布。     

抛物面型X射线组合折射透镜聚焦性能的理论与实验研究

结合衍射理论和矩阵光学方法得出抛物面型X射线组合折射透镜的光学性能指标(包括其焦距的严格表达式、薄透镜近似的判定准则、透过率和有效孔径,以及极限聚焦光斑尺寸等).采用X射线深度光刻技术实际制作了PMMA材料抛物面型X射线组合折射透镜并给出了工艺测试结果.最后在北京同步辐射装置(BSRF)上,实际构建了基于3种不同结构参数的PMMA材料抛物面型X射线组合折射透镜的微束聚焦实验系统.并实际测试了其聚焦性能,均获得了良好的聚焦效果,给出实测结果并对实测结果进行了分析和讨论.     

级联式平面抛物面型X射线组合折射透镜的设计与制作

X射线组合折射透镜(CRL)已逐步成为同步辐射光源下X射线聚焦光学器件的标准配件之一,它具有结构紧凑、易调节校准、适用光子能量范围大等优点.本文设计了一种级联式平面抛物面型CRL,它将N1个具有较大抛物面几何孔径(R0)的折射单元I与N2个具有较小抛物面顶点曲率半径(R)的折射单元II级联,以解决常规CRL设计过程中焦斑尺寸与透过率的矛盾.采用PMMA材料,利用LIGA技术制作了一组级联式平面抛物面型CRL,其中折射单元I的主要结构参数为N1=15,R1=200μm,2R01=564μm;折射单元II的主要结构参数为N2=20,R2=50μm,2R02=140μm.在上海光源同步辐射线束上,所制作的级联式平面抛物面型CRL实现了对初始光斑尺寸为200μm×100μm的入射X射线的一维聚焦,测试得到的焦距为1.052 m,横向焦斑尺寸为24.9μm@8 keV,透过率为2.19%.     

Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能

Kinoform单透镜可以高效聚焦硬X射线至纳米量级, 在X射线纳米显微学和纳米光谱学领域有着重要的应用前景. 基于衍射光学和傅里叶光学理论, 给出了X射线经由Kinoform单透镜聚焦的物理模型, 基于数值模拟, 研究了不同材料、光子能量、台阶数量和顶点曲率半径对Kinoform单透镜聚焦性能的影响. 结果表明, 孔径为1 mm的Kinoform单透镜对30 keV的X射线聚焦, 可以得到14 nm焦斑、62 μm焦深, 且可实现4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率.     

毛细管X光透镜共聚焦技术在测厚中的应用

为了实现对薄膜和镀层材料厚度的微区无损分析,利用多毛细管X光会聚透镜和多毛细管X光平行束透镜设计并搭建了普通实验室X射线光源的共聚焦微束X射线荧光测厚仪,对该共聚焦测厚仪的性能进行了系统表征。利用该测厚仪测定了厚度约为25μm的Ni独立薄膜样品和压于硅基表面厚度约为15μm的Ni薄膜样品厚度,对应它们的相对测量误差分别为3.7%和6.7%。另外,还对厚度约为10μm Ni薄膜样品的厚度均匀性进行了测量。该共聚焦测厚仪可以对样品进行微区深度分析,并且具有元素分辨能力,从而使得该谱仪可以测量多层膜样品不同层的膜厚,在薄膜和镀层厚度表征领域具有潜在的应用。     

毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在胶囊类药品分析中的应用

为了对胶囊类药品进行无损分析鉴别,利用两个多毛细管X光透镜搭建了共聚焦微束X射线荧光谱仪,两个处在共聚焦状态的透镜形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,这有利于分别对胶囊壳和其内部药物进行原位无损元素分析,从而辨别它们的种类。分析了4种胶囊类药品对应的X射线荧光谱特征,从荧光谱图上可以看出不同胶囊类药品有不同的X射线荧光谱,对应不同的元素组成,所以可以利用胶囊内部药物对应的X射线荧光谱鉴别胶囊类药品的种类。实验证明,利用共聚焦微束X射线荧光技术可以在不破坏胶囊壳的情况下对胶囊类样品进行无损原位分析,该技术在胶囊类药品种类和真伪鉴别中具有潜在应用价值。     

整体X光透镜及其在X射线衍射技术中的应用

概述了整体Ｘ光透镜的物理性能及其在Ｘ射线衍射技术中的应用研究，介绍了所研制的新型衍射装置及其测量结果． The basic physical properties and applications in X ray diffraction technology for the monolithic capillary lens are described. The new designed diffraction facility and its measurment results are laso introduced.     

背面曝光技术制作沙漏状X射线组合折射透镜

在分析沙漏状X射线组合折射透镜（X-ray compound refractive lens,XCRL）的折射聚焦理论的基础上,设计并利用背面曝光技术制作了SU-8材料的沙漏状XCRL,该技术在保证图形准确性的同时减少了工艺步骤,使制作更加简便易行.在10?keV单色X射线辐射下,对制作的透镜进行了聚焦性能的实验测试,结果表明,所制作的透镜较好地实现了一维聚焦. 关键词： 组合折射透镜 背面曝光 沙漏状 SU-8     

复合折射透镜的进展和应用

文章介绍了X射线复合折射透镜的工作原理,详细回顾了X射线复合折射透镜的发展历程,综述了近年来X射线复合折射透镜的研究成果及其主要应用领域.     

Pink‐beam focusing with a one‐dimensional compound refractive lens

The performance of a cooled Be compound refractive lens (CRL) has been tested at the Advanced Photon Source (APS) to enable vertical focusing of the pink beam and permit the X‐ray beam to spatially overlap with an 80 µm‐high low‐density plasma that simulates astrophysical environments. Focusing the fundamental harmonics of an insertion device white beam increases the APS power density; here, a power density as high as 500 W mm^?2 was calculated. A CRL is chromatic so it does not efficiently focus X‐rays whose energies are above the fundamental. Only the fundamental of the undulator focuses at the experiment. A two‐chopper system reduces the power density on the imaging system and lens by four orders of magnitude, enabling imaging of the focal plane without any X‐ray filter. A method to measure such high power density as well as the performance of the lens in focusing the pink beam is reported.     

基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计

关节镜是一种用于观察关节内部结构、诊治关节疾患的内窥镜。利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、像质好的优点,运用Zemax软件设计了一款结构简单的关节镜光学系统,可用于1/10＂CCD关节内窥镜成像。系统具有60视场角,F数为6, 工作距离从～5 mm,各视场的调制传递函数(MTF)在125 lp/mm时达到0.2以上,分辨率达到4 m,且各组态点列图均小于艾里斑半径。光学结构总长204 mm,最大镜头口径小于4.6 mm,根据关节镜的使用特点,系统满足使用要求。     

Effective aperture of X‐ray compound refractive lenses

A new definition of the effective aperture of the X‐ray compound refractive lens (CRL) is proposed. Both linear (one‐dimensional) and circular (two‐dimensional) CRLs are considered. It is shown that for a strongly absorbing CRL the real aperture does not influence the focusing properties and the effective aperture is determined by absorption. However, there are three ways to determine the effective aperture in terms of transparent CRLs. In the papers by Kohn [(2002). JETP Lett. 76 , 600–603; (2003). J. Exp. Theor. Phys. 97 , 204–215; (2009). J. Surface Investig. 3 , 358–364; (2012). J. Synchrotron Rad. 19 , 84–92; Kohn et al. (2003). Opt. Commun. 216 , 247–260; (2003). J. Phys. IV Fr, 104 , 217–220], the FWHM of the X‐ray beam intensity just behind the CRL was used. In the papers by Lengeler et al. [(1999). J. Synchrotron Rad. 6 , 1153–1167; (1998). J. Appl. Phys. 84 , 5855–5861], the maximum intensity value at the focus was used. Numerically, these two definitions differ by 50%. The new definition is based on the integral intensity of the beam behind the CRL over the real aperture. The integral intensity is the most physical value and is independent of distance. The new definition gives a value that is greater than that of the Kohn definition by 6% and less than that of the Lengeler definition by 41%. A new approximation for the aperture function of a two‐dimensional CRL is proposed which allows one to calculate the two‐dimensional CRL through the one‐dimensional CRL and to obtain an analytical solution for a complex system of many CRLs.     

Refraction and ultra‐small‐angle scattering of X‐rays in a single‐crystal diamond compound refractive lens

In this work a double‐crystal setup is employed to study compound refractive lenses made of single‐crystal diamond. The point spread function of the lens is calculated taking into account the lens transmission, the wavefront aberrations, and the ultra‐small‐angle broadening of the X‐ray beam. It is shown that, similarly to the wavefront aberrations, the ultra‐small‐angle scattering effects can significantly reduce the intensity gain and increase the focal spot size. The suggested approach can be particularly useful for the characterization of refractive X‐ray lenses composed of many tens of unit lenses.     

自聚焦透镜列阵的设计原理与制造

讨论了自聚焦透镜及其列阵成像的规律.根据所需列阵的共轭距离,分辨率等确定单根自聚焦透镜的几何尺寸和光学参数,设计出复印机用的自聚焦透镜列阵.最后,对列阵的制造作了初步介绍.     

梯度折射率透镜在口腔内窥镜中的设计与应用

作为口腔内窥镜的摄像镜头，利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、结构简单、分辨率高、成像景深大的优点，研制出一套适合医患交流及进行口腔检查与治疗的医疗装置。采用修正折射率剖面的梯度折射率透镜, 降低系统渐晕，减小畸变,获取口腔内部图像，经CCD光电转换装置转换成电信号，再将电信号经过数字信号处理以后，将该数字信息存储于计算机内部或在显示器上显示出来。口腔内窥镜是集梯度折射率透镜、光学原理、光学材料与加工、微电子、数字成像技术等为一体的新型医疗设备。特别是采用经修正的梯度折射率透镜制造的口腔内窥镜成像清晰, 在图像畸变、景深等方面优于现有产品，而且便于对患者的各种信息进行管理、查询、输出等。