用于会聚平行X射线的光学器件.pdf

本发明公开了用于会聚平行X射线的光学器件，用于实现滤除低能X射线，并且会聚平行高能X射线。所述光学器件包括：由玻璃材料制成的实心构件，该实心构件为轴对称结构，纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的抛物线；所述实心构件的侧壁镀有金属膜；所述实心构件两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线；所述玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，该反射面用于X射线在所述实心构件中传输到反射面时发生全反射，并在所述另一端外会聚。

1、  一种用于会聚平行X射线的光学器件，其特征在于，包括：
由玻璃材料制成的实心构件，该实心构件为轴对称结构，纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的抛物线；
所述实心构件的侧壁镀有金属膜；
所述实心构件两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线；
所述玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，该反射面用于X射线在所述实心构件中传输到反射面时发生全反射，并在所述另一端外会聚。

2、  如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，玻璃材料包括Li、Be和B中的一种或多种元素。

3、  如权利要求2所述的光学器件，其特征在于，玻璃材料包括：
成分     含量
SiO₂     75.5％
B₂O₃     15.5％
Al₂O₃    3.4％
Fe₂O₃    0.08％
Na₂O     4.7％
K₂O      0.6％。

4、  如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件的侧壁镀的金属包括钨、金和铂中的一种或多种元素。

5、  如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述实心构件的玻璃表面经过光滑处理。

6、  如权利要求1至5中任一项所述的光学器件，其特征在于，还包括：挡光板，位于所述实心构件用于接收X射线的一端，并且沿着X射线的入射方向与所述实心构件用于输出X射线的一端位置重叠；该挡光板用于吸收X射线。

7、  如权利要求1至5中任一项所述的光学器件，其特征在于，所述玻璃材料的密度为2.2；所述金属为金；
所述实心构件满足抛物线方程y2=1100x;]]>所述实心构件中，用于接收X射线的一端到抛物线顶点的距离为17.6mm，用于输出X射线的一端到抛物线顶点的距离为2.3mm。

用于会聚平行X射线的光学器件
技术领域
本发明涉及材料和光学领域，特别是涉及用于会聚平行X射线的光学器件。
背景技术
X射线微束通常用于X射线天文望远镜和同步辐射光束线中的基于全反射的掠入射反射镜，其主要的限制是极小的角接收孔径、体积大和造价昂贵；基于菲涅耳衍射的波带片和基于布拉格衍射的晶体或多层膜光学元件，虽然没有角接收孔径的限制，但仅对一狭窄波段有用；而基于全反射的毛细管光学元件在用于产生X射线微束时正好可以弥补以上不足，实现广角、宽带传输，而且造价低廉，因而引起人们的极大兴趣。X射线毛细管光学是发展最快的X射线光学技术之一。X射线毛细管与传统的X射线管结合可以建成桌面型(table-top)微束谱仪或衍射仪，特别适用于空间站使用。X射线毛细管与同步辐射光源结合可产生更强的X射线微束。
对于玻璃毛细管，可有公式θ=k·ρE,]]>其中k为比例系数，在反射材料密度ρ一定的情况下，X射线的能量E越高，全反射临界掠射角θ越小，玻璃毛细管的传输效率越低，聚焦效果越差，所以目前的玻璃毛细管只能对能量范围为0.2～40keV X射线进行有效会聚。
随着微束X射线应用范围的不断扩大，如何获得高能量高亮度X射线微焦斑则受到人们的高度关注。目前同步辐射等光源能够提供平行度很高的准平行束X射线，如何对这些平行的高能X射线进行聚焦是业内关心的焦点。
发明内容
本发明实施例提供一种用于会聚平行X射线的光学器件，用于实现滤除低能X射线，并且会聚平行高能X射线。
一种会聚X射线的光学器件，包括：
由玻璃材料制成的实心构件，该实心构件为轴对称结构，纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的抛物线；
所述实心构件的侧壁镀有金属膜；
所述实心构件两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线；
所述玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，该反射面用于X射线在所述实心构件中传输到反射面时发生全反射，并在所述另一端外会聚。
玻璃材料包括Li、Be和B中的一种或多种元素。
玻璃材料包括：
成分       含量
SiO₂       75.5％
B₂O₃       15.5％
Al₂O₃      3.4％
Fe₂O₃      0.08％
Na₂O       4.7％
K₂O        0.6％
金属包括钨、金和铂中的一种或多种元素。
所述实心构件的玻璃表面经过光滑处理。
本发明实施例通过玻璃和金属两种材料制成实心的光学器件，该光学器件可会聚平行的高能X射线。并且光学器件中的玻璃材料还可对低能X射线进行过滤，从而会聚得到能量较集中的X射线。本发明实施例通过采用轻质玻璃材料和/或重金属材料来进一步提高会聚高能X射线的能力。
本发明实施例中的光学器件的反射面较为光滑，有利于X射线的传输。并且可在镀金属膜之前对玻璃材料的实心构件表面进行光滑处理，进一步减小反射面的粗糙度，从而提高X射线的传输效率，减少光强损失。
附图说明
图1为本发明实施例中光学器件的示意图；
图2为本发明实施例中光学器件对平行光束会聚的示意图；
图3为本发明实施例中抛物线的示意图。
具体实施方式
本发明实施例中，全反射临界掠射角θ与X射线的能量E成反比，与反射材料密度ρ的平方根成正比。同时，依据沃勒-德拜公式R=R·exp(-(4πσsinθ)2λ2)]]>可知，随着反射面的粗糙度σ逐渐变大，X射线的反射率R会明显变小。其中，波长λ与X射线的能量成反比。也就是说，粗糙度σ越大，有效会聚高能X射线的效果越差。本发明实施例提供一种用于会聚平行X射线的光学器件，在提高了反射材料密度ρ的同时，降低反射面的粗糙度σ，从而实现会聚平行的高能X射线，并且可同时滤除低能X射线。
参见图1，本实施例中光学器件包括：
由玻璃材料制成的实心构件101，该实心构件为轴对称结构，尤其是其任一点的横截面为圆。纵向截面的两组对边中一组对边为平行线，另一组对边为开口相对的抛物线，该组对边中的两条抛物线满足同一抛物线方程。
实心构件的侧壁镀有金属膜102。
所述实心构件101两端中的一端用于接收X射线，另一端用于输出X射线；所述玻璃材料与金属膜的临界面构成反射面，该反射面用于X射线在所述实心构件101中传输到反射面时发生全反射，并在所述另一端外会聚。
本实施例利用玻璃和金属的临界面构成反射面。通过改变构成反射面的材料和减小反射面的粗糙度，来实现会聚平行的高能X射线，并且光强损失较小。发明人发现，采用本实施例中的光学器件可有效会聚平行的高能X射线，能量范围在40～120keV之间。并且，本实施例的光学器件不仅能会聚高能的X射线，并且玻璃材料的实心构件101可用于对40keV以下的X射线进行过滤，从而得到能量范围更集中的X射线。
以密度为2.2的玻璃为例，利用该玻璃材料制成的玻璃毛细管会聚X射线时，当X射线的能量为40keV时，全反射临界掠射角(单位：度)为0.04315。若采用本实施例中的光学器件，由该玻璃制成实心构件，侧壁镀金膜，当X射线的能量为100keV时，全反射临界掠射角为0.04862，当X射线的能量为120keV时，全反射临界掠射角为0.03969。由此可见，在全反射临界掠射角相同的情况下，本实施例中的光学器件有效会聚的X射线的能量明显高于现有技术中光学器件有效会聚的X射线的能量。并且，在采用本实施例中的光学器件时，若会聚能量为40keV的X射线，则全反射临界掠射角最大可达到0.11854，明显大于现有技术中的0.04315。
为了进一步提高玻璃与金属的折射率差，增大全反射临界掠射角，即提高会聚高能X射线的能力，本实施例采用密度较低的轻质玻璃，该轻质玻璃至少包括含锂Li、铍Be、硼B等元素。例如，玻璃的成分包括：
成分     含量
SiO₂     75.5％
B₂O₃     15.5％
Al₂O₃    3.4％
Fe₂O₃    0.08％
Na₂O     4.7％
K₂O      0.6％
为了进一步提高玻璃与金属的折射率差，即进一步提高会聚高能X射线的能力，本实施例采用密度较高的重金属，该重金属至少包括钨Wu、金Au、铂Pb等高密度材料。从制作工艺和成本方面考虑，较佳的方案是采用钨。
本实施例中的光学器件对平行X射线的会聚效果较好。X射线在该光学器件中仅经过一次全反射，参见图2所示，光强损失较小。本实施例中，较大直径d₁所在的一端用于接收来自光源的平行X射线(包括准平行X射线)，较小直径d₂所在的一端用于输出X射线。平行X射线在光学器件中经过一次全反射后，在焦距f处会聚。本实施例中的光学器件还可包括一挡光板A，该挡光板A位于用于接收X射线的一端，并且与输出X射线的一端位置相对，即沿着X射线的入射方向，该挡光板A与输出X射线的一端位置重叠。挡光板A用于吸收直射光，实现在焦点处得到光强较集中的焦斑。挡光板A可以为密度较大的金属膜或金属片，如铅等。当挡光板A的密度一定时，X射线的能量越高，所需的挡光板A的厚度越大；当X射线的能量一定时，挡光板A的密度越大，所需的挡光板A的厚度越小。
参见图3所示，以抛物线方程为y2=1100x]]>为例，若本实施例中的光学器件的玻璃密度为2.2，金属为金，则全反射临界掠射角为1.04毫弧度。当会聚能量为80keV的X射线时，从X轴上2.3mm及其以上的范围均可作为本实施例中的光学器件，用于会聚能量为80keV的X射线。若现有的玻璃毛细管的密度为2.2，则全反射临界掠射角为0.376毫弧度。当会聚能量为80keV的X射线时，从X轴上17.7mm及其以上的范围均可作为玻璃毛细管，用于会聚能量为80keV的X射线。可见，在2.3mm～17.7mm之间，本实施例中的光学器件能够会聚能量为80keV的X射线，而现有的玻璃毛细管则不可以。因此本实施例中的光学器件相对于现有的玻璃毛细管有更强的会聚X射线的能力。
由于本实施例中光学器件反射面的粗糙度比较小，全反射过程中对传输效率的影响较小，有助于会聚平行的高能X射线。
本实施例中通过对玻璃加热、软化、成形处理后得到所需形状的实心构件，该实心构件的表面光滑。再通过低生长速度的镀膜方法，如电子束蒸发、磁控溅射等方法，在实心构件的侧壁镀上金属膜。由于实心构件的表面光滑，使得反射面较为光滑，有利于提高光学器件的传输效率，减少光强损失。为了进一步降低反射面的粗糙度，本实施例还可以在实心构件的表面进行光滑处理，然后再镀金属膜。由于现有技术中光学器件为中空的玻璃毛细管，其反射面是该玻璃毛细管的内表面，由于玻璃毛细管的内部空间较小，不易对玻璃毛细管的内表面进行再加工，所以本实施例中的反射面的粗糙度可低于现有技术中反射面的粗糙度。本实施例中的粗糙度可达以下，尤其可达到之间。
本发明实施例通过玻璃和金属两种材料制成实心的光学器件，该光学器件可会聚平行的高能X射线。并且光学器件中的玻璃材料还可对低能X射线进行过滤，从而会聚得到能量较集中的X射线。本发明实施例通过采用轻质玻璃材料和/或重金属材料来进一步提高会聚高能X射线的能力。
本发明实施例中的光学器件的反射面较为光滑，有利于X射线的传输。并且可在镀金属膜之前对玻璃材料的实心构件表面进行光滑处理，进一步降低反射面的粗糙度，从而提高X射线的传输效率，减少光强损失。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。