[发明专利]一种具有高分辨率和高单色性的X射线光学成像系统

说明书

本发明涉及一种具有高分辨率和高单色性的X射线成像光学系统，包括多通道KB成像物镜和探测器，所述多通道KB成像物镜的输出侧与探测器之间放置有N块平面晶体，其中，N≥1，所述平面晶体的数量与单色能点的数量相同，所述多通道KB成像物镜的各通道反射光束之间具有平行出射的光路特性。与现有技术相比，本发明能够解决现有多通道KB结构配合平面晶体元件过程中存在的问题，同时实现高空间分辨和高单色性的目的，本发明提出的多能点X射线成像系统，基于各成像通道相互平行出射的光路排布，易于实现成像物镜与平面晶体匹配时的角度姿态控制，降低角度偏差造成的实际诊断能点相对设计能点的漂移，进而有效提高诊断结果的可靠性。

技术领域

本发明涉及激光等离子体X射线成像技术领域，尤其是涉及一种具有高分辨率和高单色性的X射线光学成像系统。

背景技术

对等离子体的空间分布、时间演化和能谱特征等重要信息进行高质量的成像诊断，是高能量密度物理(HEDP)和惯性约束聚变(ICF)领域的重要研究内容。将多通道的掠入射X射线成像物镜与时间分辨的分幅相机相配合，每个成像通道分别对应某一时刻等离子体的瞬态信息，可以获得等离子体的二维瞬态演化行为，即空间分布和时间演化信息。弯晶成像则可以在某一特定能点获得等离子体的高能谱分辨二维空间分布，主要适用于对诊断示踪或掺杂元素X射线特征线的单能成像。如果能将高空间分辨的多通道X射线成像物镜(目前主要是多通道KB显微镜) 与高能谱分辨的平面晶体分光元件相耦合，就能够获得多个对同一能点响应的高空间分辨和高单色性成像，再结合分幅相机等像面记录设备，即可完成时间分辨的信号记录，这种兼具高时、空、谱分辨特性的成像系统对HEDP和ICF精密诊断能力的建设具有重要意义。

但是KB(Kirkpatrick-Baez)显微镜与平面晶体的耦合存在着严重的技术障碍：分幅相机的微带记录面沿一定间隔分布，这就要求KB显微镜各成通道的像点排布应与微带间隔一致，而现有多通道KB结构是将大曲率半径超光滑球面反射镜两两相对，依次在子午和弧矢方向上正交放置排列，每一个成像通道各经过子午和弧矢方向一块反射镜的一维聚焦反射成像，所有成像通道在成像时将各反射镜相互利用，最终在探测器记录面上形成矩阵排布的像点组合，图1所示为具有八个成像通道的光路结构(标号1为物点；标号2位支撑锥芯装配靠体——包含M1～M6共六块不同的反射镜，其中，M1、M2、M5和M6是子午方向，M3和M4是弧矢方向；标号3为分幅相机、即探测器)，这种多通道KB结构的光路排布结构只能通过调节物像距等方式，才能实现对像点空间间隔的调控，而且无法控制各通道光束在传播过程中的相对夹角及间隔，各通道出射的X射线光路相互之间以不同的空间范围和夹角在像面的不同位置上成像，因此若通过各通道分别引入一块平面晶体进行单色成像的方式，那么在引入平面晶体后，各通道的入射角度将各不相同，不仅角度姿态难以控制，同时反射后的单色图像空间位置也会发生很大偏离，这就造成现有的多通道KB显微镜与平面晶体很难实现各通道像点间排布与分幅相机记录面间隔的理想匹配，从光路结构上就不具有可行性。另外，由于平面晶体元件是基于布拉格衍射原理工作：2dsinθ＝kλ，其中d为晶格常数，λ为工作波长，θ为布拉格角(即掠入射角)，而HEDP和ICF物理实验一般是对某一靶材料辐射的特征X射线进行成像，如Cu的Kα线的能点为8.04keV(对应波长为0.154nm)，其能谱分辨能力λ/Δλ＝tanθ/Δθ。工作角度的微小偏差Δθ都将会导致平面晶体反射的单色X射线能点与感兴趣的特征X射线能点发生偏离，进而造成各成像通道对应的单色能点存在较大差异，同时成像光强度急剧降低，甚至完全没有信号。因此从诊断效果上看，各幅图像工作能点和光强度的一致性难以得到很好的保证，必然会严重影响诊断测量的数据精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高分辨率和高单色性的X射线光学成像系统，以解决现有多通道KB结构配合平面晶体元件过程中存在的问题，同时实现高空间分辨和高单色性的目的。