CN101221828B - 一种跨接式纳米聚焦x射线组合透镜 - Google Patents
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Abstract
一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，包括一个一级X射线组合透镜、一个二级X射线组合透镜和一个光轴校准器共同组成，所述一级X射线组合透镜和二级X射线组合透镜固定于所述光轴校准器上，入射X射线束首先射入所述一级X射线组合透镜，经所述一级X射线组合透镜聚焦并出射后，射入所述二级X射线组合透镜再次聚焦，所述二级X射线组合透镜与所述一级X射线组合透镜之间有由所述一级X射线组合透镜的焦斑尺寸和所述二级X射线组合透镜的几何口径共同确定的间隔。
Description
(一)技术领域
本发明属于X射线微结构光学器件，尤其是能对X射线实现纳米尺度聚焦的微结构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。
随着上述应用领域对X射线诊断技术的分辨率要求越来越高，需要X射线诊断光束的尺度越来越小，最好能达到亚微米甚至纳米量级。然而，一般的X射线组合透镜的焦斑通常在几微米、十几微米甚至几十微米。因此，如何进一步减小X射线组合透镜的焦斑尺寸对改善X射线诊断系统的性能非常重要。
从理论上来看，减小X射线组合透镜的焦斑尺寸，可以通过减小X射线组合透镜中每一个透镜单元的几何口径以及增加透镜单元的数目来实现。然而减小透镜单元的几何口径就意味着减小X射线组合透镜的数值口径，使得X射线组合透镜集光能力变差。另一方面，增加X射线组合透镜中透镜单元的数目，则会使得X射线组合透镜的吸收增加，也就是损耗大幅度增加。同时，透镜单元数目越多，其光轴校准越困难，如果使用光刻等微细加工技术来制作组合透镜，透镜单元数目的增加还要受到曝光区域尺寸的限制。
目前国内尚未见关于纳米聚焦X射线组合透镜的报道，国际上实现X射线纳米聚焦的已有技术是通过减小透镜单元的几何口径来实现的(C.Schroer，et al.，Appl.Phys.Lett.，2003，vol.82，pp1485-1487)。已有技术X射线组合透镜中的透镜单元采用抛物面形，其制作过程是先将组合透镜用电子束刻蚀方法刻写在Cr膜上，然后再用反应性离子束刻蚀方法转写到Si材料上，完成组合透镜的制作，组合透镜中透镜单元的几何口径的典型值是几个微米，组合透镜的厚度尺寸20微米，聚焦的焦斑尺寸约100纳米。可见已有技术的X射线组合透镜的数值口径非常小，在几个微米到十几个微米的量级，因此集光能力很差，并进而很大程度地影响了X射线辐射透过率。而且采用这种技术进一步减小聚焦焦斑尺寸非常困难。其次，采用的制作技术为平面微制作技术，透镜单元的几何口径越小则技术上的难度越大。此外，这种技术对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组合透镜集光能力差、X射线辐射透过率低、进一步减小聚焦焦斑尺寸困难、制作技术工艺对材料限制大的缺点，以及为了进一步减小X射线组合透镜的焦斑尺寸，获得纳米量级X射线探测微束，满足应用领域对X射线诊断系统分辨率的需求，本发明提出一种集光能力强、X射线辐射透过率高、便于进一步减小聚焦焦斑尺寸、适应现有制作技术工艺的跨接式纳米聚焦X射线组合透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，是一种使用两级一维聚焦X射线组合透镜跨接来实现纳米聚焦的器件，包括一个一级X射线组合透镜、一个二级X射线组合透镜和一个光轴校准器共同组成，所述一级X射线组合透镜和二级X射线组合透镜固定于所述光轴校准器上，入射X射线束首先射入所述一级X射线组合透镜，经所述一级X射线组合透镜聚焦并出射后，射入所述二级X射线组合透镜再次聚焦。所述二级X射线组合透镜与所述一级X射线组合透镜之间间隔1毫米至8毫米之间，具体数值由所述一级X射线组合透镜的焦斑尺寸和所述二级X射线组合透镜的几何口径共同确定，所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的焦斑意指从所述二级X射线组合透镜出射光束的焦斑。
所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面和上表面，以及所述二级X射线组合透镜朝向所述一级X射线组合透镜的表面和上表面，都刻有宽2微米的标识线；所述光轴校准器与所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜接触的表面，刻有宽2微米的2条标识线，所述2条标识线之间间隔2微米。用于标识所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜在所述光轴校准器上的位置，以及用于校准所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的光轴。
所述一级X射线组合透镜由30-60个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形。
所述二级X射线组合透镜由40-80个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形。
所述一级X射线组合透镜的几何口径为400-1000微米。所述二级X射线组合透镜的几何口径为80-400微米。所述一级X射线组合透镜和二级X射线组合透镜的厚度范围在20-400微米。
所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜材料可以为下列之一：①硅、②铝、③氧化铝、④PMMA。
所述光轴校准器的材料可以是下列之一：①金属材料、②有机材料、③硅。
所述光轴校准器的2条标识线采用薄膜沉积技术生长在与所述一级和二级X射线组合透镜相接触的表面，所述薄膜厚度5-50纳米。
本发明的有益效果主要表现在：1、采用两级X射线组合透镜跨接结构，渐变式地将组合透镜的聚焦焦斑减小到几百纳米至几十纳米，实现纳米聚焦的目的；2、该跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的集光能力主要由一级X射线组合透镜的几何口径决定，因此可与普通X射线组合透镜的集光能力相比拟，与已有技术相比，集光能力大幅度提高；3、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，纳米聚焦X射线组合透镜的器件尺寸更微小，因此光轴校准也更加困难，本发明提出采用光轴校准器对跨接式纳米聚焦X射线组合透镜进行逐级校准，解决了器件光轴校准的技术难题；4、采用抛物面形透镜单元结构，基本上可以消除球差；5、采用准LIGA制作技术，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。
(四)附图说明
图1是本发明一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的结构示意图
图2a和图2b分别是一级和二级X射线组合透镜示意图
图3是光轴校准器示意图
1、一级X射线组合透镜，2、二级X射线组合透镜，3、光轴校准器
(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：
参照图1～3，跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，包括一个一级X射线组合透镜1、一个二级X射线组合透镜2和一个光轴校准器3共同组成，所述一级X射线组合透镜1和二级X射线组合透镜2固定于所述光轴校准器3上，入射X射线束首先射入所述一级X射线组合透镜1，经所述一级X射线组合透镜1聚焦并出射后，射入所述二级X射线组合透镜2再次聚焦，所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的焦斑意指从所述二级X射线组合透镜2出射光束的焦斑。
所述二级X射线组合透镜与所述一级X射线组合透镜之间间隔在1毫米至8毫米之间，具体数值由所述一级X射线组合透镜的焦斑尺寸和所述二级X射线组合透镜的几何口径共同确定。
所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面和上表面，以及所述二级X射线组合透镜朝向所述一级X射线组合透镜的表面和上表面，都刻有宽2微米的标识线；所述光轴校准器与所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜接触的表面，刻有宽2微米的2条标识线，所述2条标识线之间间隔2微米。用于标识所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜在所述光轴校准器上的位置，以及用于校准所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的光轴。
所述一级X射线组合透镜由30个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形；所述一级X射线组合透镜的几何口径为1000微米，厚度为400微米；所述一级X射线组合透镜的材料为PMMA。
所述二级X射线组合透镜由80个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形；所述二级X射线组合透镜的几何口径为400微米，厚度为400微米；所述二级X射线组合透镜的材料为PMMA。
将所述一级X射线组合透镜置于所述光轴校准器之上，并让所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面上的标识线位于所述光轴校准器的两条标识线中，同时在显微镜下观测所述一级X射线组合透镜上表面的标识线恰好落入所述光轴校准器的两条标识线之间，固定所述一级X射线组合透镜。之后将所述二级X射线组合透镜置于所述光轴校准器之上，并让所述二级X射线组合透镜带有标识线的侧面朝向所述一级X射线组合透镜，与所述一级X射线组合透镜之间间隔8毫米；让所述二级X射线组合透镜侧面的标识线位于所述光轴校准器的两条标识线中，同时在显微镜下观测所述二级X射线组合透镜上表面的标识线恰好落入所述光轴校准器的两条标识线之间，固定所述二级X射线组合透镜。
所述光轴校准器的材料为有机玻璃，所述光轴校准器上的2条标识线材料为金属铬，厚度50纳米。
实施例2：
参照图1～3，跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，包括一个一级X射线组合透镜1、一个二级X射线组合透镜2和一个光轴校准器3共同组成，所述一级X射线组合透镜1和二级X射线组合透镜2固定于所述光轴校准器3上，入射X射线束首先射入所述一级X射线组合透镜1，经所述一级X射线组合透镜1聚焦并出射后，射入所述二级X射线组合透镜2再次聚焦，所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的焦斑意指从所述二级X射线组合透镜2出射光束的焦斑。
所述二级X射线组合透镜与所述一级X射线组合透镜之间间隔在1毫米至8毫米之间，具体数值由所述一级X射线组合透镜的焦斑尺寸和所述二级X射线组合透镜的几何口径共同确定。
所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面和上表面，以及所述二级X射线组合透镜朝向所述一级X射线组合透镜的表面和上表面，都刻有宽2微米的标识线；所述光轴校准器与所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜接触的表面，刻有宽2微米的2条标识线，所述2条标识线之间间隔2微米。用于标识所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜在所述光轴校准器上的位置，以及用于校准所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的光轴。
所述一级X射线组合透镜由60个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形；所述一级X射线组合透镜的几何口径为400微米，厚度为40微米；所述一级X射线组合透镜的材料为金属铝。
所述二级X射线组合透镜由80个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形；所述二级X射线组合透镜的几何口径为80微米，厚度为40微米；所述二级X射线组合透镜的材料为金属铝。
将所述一级X射线组合透镜置于所述光轴校准器之上，并让所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面上的标识线位于所述光轴校准器的两条标识线中，同时在显微镜下观测所述一级X射线组合透镜上表面的标识线恰好落入所述光轴校准器的两条标识线之间，固定所述一级X射线组合透镜。之后将所述二级X射线组合透镜置于所述光轴校准器之上，并让所述二级X射线组合透镜带有标识线的侧面朝向所述一级X射线组合透镜，与所述一级X射线组合透镜之间间隔1毫米；让所述二级X射线组合透镜侧面的标识线位于所述光轴校准器的两条标识线中，同时在显微镜下观测所述二级X射线组合透镜上表面的标识线恰好落入所述光轴校准器的两条标识线之间，固定所述二级X射线组合透镜。
所述光轴校准器的材料为硅片，所述光轴校准器上的2条标识线材料为金属铬，厚度5纳米。
实施例3：
参照图1～3，跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，包括一个一级X射线组合透镜1、一个二级X射线组合透镜2和一个光轴校准器3共同组成，所述一级X射线组合透镜1和二级X射线组合透镜2固定于所述光轴校准器3上，入射X射线束首先射入所述一级X射线组合透镜1，经所述一级X射线组合透镜1聚焦并出射后，射入所述二级X射线组合透镜2再次聚焦，所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的焦斑意指从所述二级X射线组合透镜2出射光束的焦斑。
所述二级X射线组合透镜与所述一级X射线组合透镜之间间隔在1毫米至8毫米之间，具体数值由所述一级X射线组合透镜的焦斑尺寸和所述二级X射线组合透镜的几何口径共同确定。
所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面和上表面，以及所述二级X射线组合透镜朝向所述一级X射线组合透镜的表面和上表面，都刻有宽2微米的标识线；所述光轴校准器与所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜接触的表面，刻有宽2微米的2条标识线，所述2条标识线之间间隔2微米。用于标识所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜在所述光轴校准器上的位置，以及用于校准所述一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜的光轴。
所述一级X射线组合透镜由60个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形；所述一级X射线组合透镜的几何口径为800微米，厚度为20微米；所述一级X射线组合透镜的材料为氧化铝。
所述二级X射线组合透镜由40个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形；所述二级X射线组合透镜的几何口径为80微米，厚度为20微米；所述二级X射线组合透镜的材料为PMMA。
将所述一级X射线组合透镜置于所述光轴校准器之上，并让所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面上的标识线位于所述光轴校准器的两条标识线中，同时在显微镜下观测所述一级X射线组合透镜上表面的标识线恰好落入所述光轴校准器的两条标识线之间，固定所述一级X射线组合透镜。之后将所述二级X射线组合透镜置于所述光轴校准器之上，并让所述二级X射线组合透镜带有标识线的侧面朝向所述一级X射线组合透镜，与所述一级X射线组合透镜之间间隔2毫米；让所述二级X射线组合透镜侧面的标识线位于所述光轴校准器的两条标识线中，同时在显微镜下观测所述二级X射线组合透镜上表面的标识线恰好落入所述光轴校准器的两条标识线之间，固定所述二级X射线组合透镜。
所述光轴校准器的材料为金属铜，所述光轴校准器上的2条标识线材料为金属铬，厚度10纳米。
Claims (5)
1.一种跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，其特征在于：包括一个一级X射线组合透镜、一个二级X射线组合透镜和一个光轴校准器共同组成，所述一级X射线组合透镜和二级X射线组合透镜固定于所述光轴校准器上，入射X射线束首先射入所述一级X射线组合透镜，经所述一级X射线组合透镜聚焦并出射后，射入所述二级X射线组合透镜再次聚焦，所述二级X射线组合透镜与所述一级X射线组合透镜之间有由所述一级X射线组合透镜的焦斑尺寸和所述二级X射线组合透镜的几何口径共同确定的间隔；
所述一级X射线组合透镜由30-60个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形；
所述二级X射线组合透镜由40-80个依次同轴排布的抛物面形透镜单元组成，所述抛物面形透镜单元开有敞口空气隙，所述空气隙的截面形状为抛物面形。
2.如权利要求1所述的跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，其特征在于：所述一级X射线组合透镜朝向入射X射线束的表面和上表面，以及所述二级X射线组合透镜朝向所述一级X射线组合透镜的表面和上表面，都刻有宽2微米的标识线；所述光轴校准器与所述一级X射线组合 透镜和所述二级X射线组合透镜接触的表面，刻有宽2微米的2条标识线，所述2条标识线之间间隔2微米。
3.如权利要求2所述的跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，其特征在于：所述一级X射线组合透镜的几何口径为400-1000微米；所述二级X射线组合透镜的几何口径为80-400微米；所述一级X射线组合透镜和二级X射线组合透镜的厚度范围在20-400微米。
4.如权利要求3所述的跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，其特征在于：所述一级X射线组合透镜和所述二级X射线组合透镜材料可以为下列之一：①硅、②铝、③氧化铝、④PMMA。
5.如权利要求3所述的跨接式纳米聚焦X射线组合透镜，其特征在于：所述光轴校准器的材料可以是下列之一：①金属材料、②有机材料、③硅。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101208 Termination date: 20180107 |