技术领域
本发明涉及一种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；(4)用于压制折射单元的旋转抛物面模具制作非常困难，需要昂贵的特种加工装备。
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、模具加工困难、透镜材料限制较大、系统设计和装调很复杂的不足，本发明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抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种抛物面型二维聚焦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截面为两条对称的抛物线形开口相接构成的第一抛物线形空腔和正方形空腔，各个第一抛物线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，所述第一抛物线形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第一抛物线形空腔短轴方向聚焦的第一抛物面，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两条对称的抛物线形开口相接构成的第二抛物线形空腔，所述第二抛物线形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第二抛物线形空腔短轴方向聚焦的第二抛物面，所述第一抛物面与所述第二抛物面相互呈正交结构。
进一步，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。
再进一步，所述子镜体为正方体，所述两条对称的抛物线形构成的第二抛物线形空腔的长轴和短轴均比所述正方体边长小，所述正方体的中心线与所述两条对称的抛物线形构成的第二抛物线形空腔的中心线重合，所述正方形空腔的边长比所述正方体边长大，所述两条对称的抛物线形构成的第一抛物线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。
所述正方形空腔的中心和第一抛物线形空腔的中心之间的距离与所述正方体的边长相等。
所述第二抛物线形空腔的长轴和短轴均比所述正方体的边长小。
所述第一抛物线形空腔的长轴和所述第二抛物线形空腔的长轴相等，所述第一抛物线形空腔的短轴和所述第二抛物线形空腔的短轴相等。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。
所述第一抛物线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，所述第一抛物线形空腔和第二抛物线形空腔的长轴范围为42微米到242微米、短轴范围为32微米到222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。
本发明的技术构思为：所述母镜和子镜，经在显微镜下组装后，即形成本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述抛物面型二维聚焦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抛物面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向抛物面型二维聚焦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，从所述抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜出射后，形成二维聚焦焦斑。
本发明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，本发明提出的抛物面型二维聚焦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、采用抛物面型可对傍轴入射X射线辐射的聚焦和成像起到消除球差的作用，提高聚焦和成像质量；5、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是本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的正视图。
图1b是本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的俯视图。
图1c是本发明抛物面型二维聚焦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是本发明抛物面型二维聚焦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是本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的正视图。
图2b是本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的俯视图。
图2c是本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的正视图。
图2d是本发明抛物面型二维聚焦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，R为抛物线顶点处的曲率半径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1a～图2d，一种抛物面型二维聚焦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截面为两条对称的抛物线形开口相接构成的第一抛物线形空腔和正方形空腔，各个第一抛物线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，所述第一抛物线形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第一抛物线形空腔短轴方向聚焦的第一抛物面，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两条对称的抛物线形开口相接构成的第二抛物线形空腔，所述第二抛物线形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第二抛物线形空腔短轴方向聚焦的第二抛物面，所述第一抛物面与所述第二抛物面相互呈正交结构。
本实施例中，所述第一抛物线形空腔中的两条对称的抛物线的方程表示为x2＝2Rz，所述第二抛物线形空腔中的两条对称的抛物线的方程表示为y2＝2Rz，其中R为抛物线顶点处的曲率半径，x、y、z分别代表图1中直角坐标系的x轴、y轴和z轴，所述第一和第二抛物线型空腔的长轴和短轴可由上述两个方程计算得出。
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。
所述子镜体为正方体，所述第二抛物线形空腔的长轴和短轴均比所述正方体边长小，所述正方体的中心线与所述第二抛物线形空腔的中心线重合，所述正方形空腔的边长比所述正方体边长大，所述第一抛物线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第一抛物线形空腔的中心之间的距离与所述正方体的边长相等。所述第一抛物线形空腔的长轴和所述第二抛物线形空腔的长轴相等，所述第一抛物线形空腔的短轴和所述第二抛物线形空腔的短轴相等，当然，也可以不相等。所述第一抛物线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，作为抛物面型二维聚焦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第一抛物线形空腔和正方形空腔共同构成，所述第一抛物线形空腔的抛物面完成对X射线的折射，达到对X射线辐射沿第一抛物线形空腔的短轴方向的聚焦，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，正方形正中有第二抛物线形空腔，所述第二抛物线形空腔的抛物面完成对X射线的折射，达到对X射线辐射沿第二抛物线形空腔的短轴方向的聚焦，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。
所述母镜主体上第一抛物线形空腔的长轴为42微米、短轴为32微米，所述第一抛物线形空腔的中心线沿图2a所示坐标系的y轴方向；所述母镜上的第一抛物线形空腔和正方形空腔，按照一个第一抛物线形空腔紧接着一个正方形空腔的顺序依次排列，所述第一抛物线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，所述第一抛物线形空腔截面的中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；所述子镜体中的第二抛物线形空腔的中心线沿图2a所示坐标系的x轴方向，所述第二抛物线形空腔的长轴为42微米、短轴为32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，所述第二抛物线形空腔截面的中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，即形成本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述抛物面型二维聚焦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抛物面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向抛物面型二维聚焦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，从所述抛物面型二维聚焦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。
所述母镜主体上第一抛物线形空腔的长轴为242微米、短轴为222微米，所述第一抛物线形空腔的中心线沿图2a所示坐标系的y轴方向；所述母镜上的第一抛物线形空腔和正方形空腔，按照一个第一抛物线形空腔紧接着一个正方形空腔的顺序依次排列，所述第一抛物线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，所述第一抛物线形空腔截面的中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；所述子镜体中的第二抛物线形空腔的中心线沿图2a所示坐标系的x轴方向，所述第二抛物线形空腔的长轴为242微米、短轴为222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，所述第二抛物线形空腔截面的中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。
所述母镜和子镜，经在显微镜下组装后，即形成本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述抛物面型二维聚焦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抛物面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向抛物面型二维聚焦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，从所述抛物面型二维聚焦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。
所述母镜主体上第一抛物线形空腔的长轴为200微米、短轴为180微米，所述第一抛物线形空腔的中心线沿图2a所示坐标系的y轴方向；所述母镜上的第一抛物线形空腔和正方形空腔，按照一个第一抛物线形空腔紧接着一个正方形空腔的顺序依次排列，所述第一抛物线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，所述第一抛物线形空腔截面的中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；所述子镜体中的第二抛物线形空腔的中心线沿图2a所示坐标系的x轴方向，所述第二抛物线形空腔的长轴为200微米、短轴为180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，所述第二抛物线形空腔截面的中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。
所述母镜和子镜，经在显微镜下组装后，即形成本发明抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述抛物面型二维聚焦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抛物面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向抛物面型二维聚焦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，从所述抛物面型二维聚焦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发明构思的实现形式的列举，本发明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，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
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