现代实验室型X射线荧光元素分布成像和形态分析技术的研究进展

近年来,随着X射线光源、单色、聚焦及探测系统的发展,在实验室可借助低功率X射线光源开展X射线荧光(XRF)和X射线吸收谱(XAS)分析。液体金属射流源等新型X射线光源系统、闭合反馈系统、电荷耦合元件和方孔微通道板等技术和计算方法的进步促进了聚焦扫描型、全场型和XRF计算机断层扫描等实验室型XRF元素空间成像技术的发展。超环面、球面和柱状弯晶等单色聚焦系统的发展推动了实验室型XAS技术的发展。探索新型的实验室X射线光源系统,开发更高效的单色聚焦系统,推动X射线动态电影拍摄技术等将是未来研究的重要发展方向。     

球面晶体分析器在X射线成像诊断中的研究

 为诊断激光等离子体X射线,研制了基于Bragg衍射原理的球面弯曲晶体。球面晶体可提高空间分辨、光谱分辨及立体角收集辐射能力。实验采用球面弯曲石英晶体作为分析器,X射线成像板作为成像器件,利用X射线衍射仪铬靶 Kα单色谱成像,验证了0.2 mm间隔双丝的单能像,球面弯晶具有较高的光谱分辨力和信噪比,谱分辨力可达1 000,聚光效率在同样距离条件下比平晶分析器高一个数量级以上。     

一种变曲率面晶体X射线检测技术

在惯性约束聚变光谱诊断物理实验研究中,晶体衍射后X射线光谱信号较弱,需要高收光效率及宽频谱范围的光谱诊断仪器.在传统锥面弯曲晶体基础上提出变曲率弯晶多能点成像技术,该技术具有宽频谱范围、强聚焦能力、高光谱分辨的特点.在晶体衍射成像结构设计中,由于能够确保成像光线的旋转对称性,因此在原理上可消除传统弯晶X射线衍射成像像差.利用研制的变曲率面石英晶体对钛靶X射线源进行X射线聚焦检测,并与同种材料的平面晶体进行收光效率对比,实验结果表明该变曲率面石英晶体的收光效率可以达到平面石英晶体的100倍,检测X射线能量范围为4.51~5.14keV.该晶体谱仪结合X射线条纹相机能够检测宽频谱范围的微弱X射线信号,条纹相机探测面可与晶体检测光路方向垂直布局.     

用于X射线诊断的晶体布喇格成像系统

为了评估惯性约束聚变实验中激光辐射驱动的对称性和均匀性,分析靶丸的运动过程,设计一种新型诊断单色X射线的弯曲晶体布喇格成像系统,该系统核心部件由色散元件球面弯曲晶体和探测装置组成.利用光线追踪软件对该成像系统进行模拟验证,并搭建了晶体布喇格成像系统进行X射线背光成像测试实验.实验获得了清晰的Cr靶单色X射线背光二维网格信息,石英球面晶体布喇格成像系统空间分辨率为83μm,表明该成像系统可以用于等离子体X射线的背光成像诊断.     

Z箍缩装置的单色背光成像

 基于晶体布拉格衍射理论,搭建了X射线背光成像系统,核心色散元件为α-石英球面弯曲晶体。在中国工程物理研究院流体物体研究所“阳”加速器上进行了单色X射线背光成像实验,背光源为箍缩负载Al丝阵聚爆产生的激光等离子体X射线,成像物体为厚度100 μm的不锈钢网格阵列,接收装置得到Al丝阵聚爆的等离子体X射线2维分辨的空间单色成像,其空间分辨力为75 μm。目前实验中采用Al膜作为滤片,对Al的类He跃迁辐射线系都有吸收,得到的背光成像信噪比较小。     

X射线荧光层析成像中消除散射光的方法

介绍了X射线荧光层析成像技术的成像原理及其在微量分析领域中的应用。针对X射线与物质相互作用时，不仅产生荧光，而且会产生各种散射光，为消除这些散射光对成像结果的影响，提出采用在与入射X射线垂直方向放置一个圆环状的晶体单色器，即双聚焦模式晶体单色器，使荧光与各种散射光分离，并聚焦在探测器上。这样不仅大大增强了荧光信号的强度，而且可使荧光探测器小型化。     

X射线背光成像的实现

为了实现对惯性约束聚变的诊断,获取聚爆过程中高温等离子体X射线能谱信息和内爆靶丸的二维空间分辨信息,利用晶体的布拉格衍射特性设计制作了球面晶体分析器,晶体弯曲半径为125 mm。为了验证球面晶体的空间分辨能力,搭建了背光成像平台进行了背光成像实验,石英球面晶体为衍射核心元件,接收装置IP板得到了Cu靶的二维空间分辨信息,基于石英球面晶体的成像平台得到的空间分辨率约为100 μm。     

X光弯晶成像金属薄膜面密度测量技术

针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求，提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件，实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像，定量获取薄膜X光透过率及其空间分布，有效提升了面密度测量的精度，同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究，并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5μm的微区分辨，能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性，相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术，并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。     

微束斑X射线源及X射线光学元件

高质量的X射线源,尤其高亮度的微纳束斑X射线源是现代X射线光学高清晰成像最为关键的部件之一,在工业无损探伤、生命科学、材料科学等科学研究和实际应用中具有重要的意义。简单介绍了微束斑X射线源的产生方法及发展历史,并对微束X射线光学涉及到的聚焦X射线光学元件（如X射线掠入射反射镜、布拉格法反射镜、多层膜反射镜、多层膜光栅、X射线波带片、毛细管聚焦透镜和复合折射透镜等）的主要特点作了简要的系统介绍。最后展望了微细束X射线在微纳检测与分析等方面的应用前景。     

上海光源X射线成像及其应用研究进展

作为具有国际先进水平的第三代同步辐射光源,上海光源的X射线亮度比普通X光管高12~16个量级,基于它的X射线成像具有高空间分辨、高衬度分辨和快时间分辨的特点,同步辐射X射线可对样品实现原位、无损、高分辨、三维和动态成像,而且可以实现相位衬度成像,从而将X射线成像的应用领域拓展到软组织、聚合物等低Z材料。自2009年正式向用户开放以来,上海光源已在生物医学、材料科学、古生物学、土壤学等领域取得了一大批重要研究成果。为更好地支持用户,上海光源X射线成像组在定量成像、CT成像、快速CT重构等成像方法学领域开展了较为全面、系统的研究,大幅提高了实验效率和对不同样品的适应性。本文简要介绍了上海光源X射线成像方法学发展及相关应用研究进展。     

An optimized two crystal arrangement for X-ray optics

Modification of the Schwarzschild optics for applications in hard X-ray imaging is discussed. The conditions necessary to achieve a high spatial resolution with two toroidally bent crystals in the Bragg geometry are formulated, and the focusing properties of the system are numerically simulated using the ray tracing method. It is predicted that such a system could provide a spatial resolution considerably higher than the resolution of the presently available X-ray optics.     

用于X射线时空分辨测量的弯晶谱仪

为了测量激光聚变产生的0.2～0.37 nm范围内的等离子体X射线, 设计了一种基于空间和时间分辨的聚焦型弯晶谱仪. 将在700℃时弯曲后的LiF(2d＝0.403 nm)晶体作为色散元件, 布喇格衍射角的变化范围为30～67.5°, 弯晶粘贴在离心率和焦距分别为0.9586和1350 mm的椭圆形不锈钢基底上. 利用弯晶谱仪配X光CCD相机在星光Ⅱ激光(0.35 μm, 60～80J, 700 ps)装置上摄取了钛平面靶发射的X射线光谱, 实验结果表明它的光谱分辨率能达到0.001 nm.     

线状等离子体测量中的晶体谱仪及其在X射线激光实验中的应用

本文讨论了两种适用于Ｘ射线激光实验的聚焦型弯晶谱仪和针孔晶体谱仪。给出了弯晶谱仪的设计参数，以及针孔晶体谱仪在实验中摄得的线状Ｍｇ和ＣａＦ２等离子体空间分辨谱；分析了晶体谱仪在Ｘ射线激光实验中的应用。     

High resolution X-ray spherically bent crystal spectrometer for laser-produced plasma diagnostics

A new high spectral resolution crystal spectrometer is designed to measure very low emissive X-ray spectra of laser-produced plasma in 0.5-0.9 nm range. A large open aperture （30 ×20 （mm）） mica （002） spherically bent crystal with curvature radius R = 380 mm is used as dispersive and focusing element. The imaging plate is employed to obtain high spectral resolution with effective area of 30 × 80 （mm）. The long designed path of the X-ray spectrometer beam is 980 mm from the source to the detector via the crystal. Experiment is carried out at a 20-J laser facility. X-ray spectra in an absolute intensity scale is obtained from Al laserproduced plasmas created by laser energy of 6.78 J. Samples of spectra obtained with spectral resolution of up to E/△E - 1500 are presented. The results clearly show that the device is good to diagnose laser high-density plasmas.     

喷气箍缩等离子体X射线椭圆弯晶谱仪研究

为了测量喷气箍缩等离子体X射线的空间分辨光谱,利用椭圆聚焦原理,研制了一种椭圆晶体谱仪.分别利用Si(111)、Mica(002)椭圆晶体作色散元件,离心率均为0.948 0,布喇格角为30～67.5°,光谱信号采用半径为50 mm的半圆形胶片接收,从等离子体源经晶体到胶片的光路长为1 430 mm.在“阳”加速器装置上进行摄谱验证实验,成功获取了氩喷气等离子体X射线的光谱.测量光谱波长与理论值相符,其中Si弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝200～300)低于Mica弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝500～700).实验结果表明,该谱仪适合于喷气箍缩等离子体X射线的光谱学研究.     

激光等离子体球面晶体光谱成像

 利用自聚焦原理,研制了一种新型的球面弯晶谱仪。晶体分析器采用云母材料,其弯曲半径为380 mm,布拉格角为51°。利用成像板接收光谱信号,其有效面积为30 mm×80 mm,从等离子体源经晶体到成像板的光程长为980 mm。物理实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心20 J激光装置上进行,入射激光能量为6.78 J,成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号。球面云母弯晶谱仪的光谱分辨率达到1 000～1 500,在相同环境放置的PET平晶的光谱分辨率为50～100。结果表明：球面弯晶具有较高的光谱分辨率和信噪比,适合于激光等离子体X射线的光谱学研究。     

准单色近平行光束的X射线源

针对准单色近平行光束X射线背光成像诊断需求,提出了一种用球面弯晶进行X射线衍射选单从而获取准直光束的新方案.在神光Ⅱ装置上,设计了基于球面弯晶X射线衍射选单准直光束系统,完成了该系统的安装、调试和实验应用,获得了准单色(10~(-3)△λ/λ10~(-2))、小发散角(2 mrad)和大辐照匀斑(直径φ500 m)的X射线光源.同时基于衍射光学和球面镜成像理论,研究了不同布拉格角对球面弯晶X射线衍射光束发散角及其像散差的影响.结果表明,布拉格角会影响球面弯晶X射线衍射光束的发散角.用控制布拉格角范围的方法有望获得发散角优于1 mrad的近平行光束X射线光源.这种准单色、极小发散度和均匀角分布的X射线光源可应用于高分辨X射线成像诊断.