一種x射線組合折射透鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及X射線光學(xué)器件和光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是一種用于X射線組合折射透鏡 聚焦光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自歐洲同步輻射光源的A.Snigirev等開創(chuàng)性地設(shè)計(jì)鋁材料X射線組合折射透鏡 (XCRL)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)光子能量為8KeV的X射線光束聚焦后，XCRL憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、易調(diào)節(jié)校準(zhǔn)、 對(duì)振動(dòng)不敏感等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。特別是，XCRL可以對(duì)光子能量范圍為5KeV至 150KeV的硬X射線光束進(jìn)行微米量級(jí)和納米量級(jí)聚焦。這一突出優(yōu)勢(shì)使得XCRL逐步成為硬X 射線微區(qū)無損檢測(cè)與成像系統(tǒng)的核心元器件。近年來，在歐洲同步輻射光源和德國電子同 步加速器研究所，XCRL作為核心光學(xué)元器件已經(jīng)成功應(yīng)用于X射線布拉格衍射顯微鏡、X射 線多鏡頭干涉儀、X射線全視場(chǎng)顯微鏡等硬X射線無損檢測(cè)與成像系統(tǒng)。
[0003] 為了擴(kuò)大XCRL的適用范圍并且進(jìn)一步提高XCRL的性能，歐洲同步輻射光源的 G. Vaughan等（J. Synchrotron Rad. ,2011，18，125-133)，以及德國電子同步加速器研究所 的A.Zozulya等(OPTICS EXPRESS 18968)分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型的X射線組合折射透鏡聚焦 光學(xué)系統(tǒng)。這種聚焦光學(xué)系統(tǒng)被命名為TransfocatorJransfocator采用了通過將不同數(shù) 量和不同面型結(jié)構(gòu)參數(shù)的鋁材料透鏡組和鈹材料透鏡組組合，以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)焦距和焦斑增益 的設(shè)計(jì)思想。因此，Tran sf 〇 cat or可以通過優(yōu)化由多個(gè)XCRL組成的聚焦光學(xué)系統(tǒng)以獲得更 好的聚焦性能。G.Vaughan等在文獻(xiàn)中給出了一個(gè)Transfocator的物距Si和像距S2與錯(cuò)材料 透鏡數(shù)量nAL和鈹材料透鏡數(shù)量ΠΒΕ的經(jīng)驗(yàn)公式，即：
[0004]
[0005] 其中，E表示入射X射線能量，單位是KeV。
[0006] 但是，Transfocator的設(shè)計(jì)者們并沒有對(duì)透鏡組數(shù)量、折射單元面型結(jié)構(gòu)參數(shù)等 設(shè)計(jì)參量對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)中焦距、透過率、焦斑增益等聚焦性能指標(biāo)的影響規(guī)律做更深入 地研究。并且，各類文獻(xiàn)中均沒有針對(duì)Transfocator或者由X射線組合折射透鏡為基本光學(xué) 元件單元組成的X射線聚集光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服已有X射線組合折射透鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)的無法優(yōu)化參數(shù)、性能限制、應(yīng)用 范圍受限的不足，本發(fā)明提供一種優(yōu)化參數(shù)、提高性能、擴(kuò)大應(yīng)用范圍的X射線組合折射透 鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種X射線組合折射透鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法以具有不同單元數(shù) 量和面型結(jié)構(gòu)的X射線組合折射透鏡系列、入射X射線光子波長和期望焦距為輸入設(shè)計(jì)參 量，以X射線組合折射透鏡的選擇和排列結(jié)果為輸出設(shè)計(jì)參量，以聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦距作為第 一優(yōu)化條件，根據(jù)聚焦光學(xué)系統(tǒng)容差得到初步優(yōu)化方案。
[0010] 進(jìn)一步，所述X射線組合折射透鏡系列由[XCRLi，XCRL2，……，XCRLm]表示，Μ表示X 射線組合折射透鏡系列中的X射線組合折射透鏡數(shù)量，所述X射線組合折射透鏡XCRU由[Κ， Ri，R0i，di]表示，1 < i < Μ，Ni是所述XCRU的單元數(shù)量，Ri是所述XCRU的面型結(jié)構(gòu)中的拋物面 頂點(diǎn)曲率半徑，RQl是所述XCRU的面型結(jié)構(gòu)中的拋物面最大開口距離的一半，cU是所述XCRU 的面型結(jié)構(gòu)中的相鄰拋物面頂點(diǎn)距離，所述入射X射線光子波長由λ表示，所述期望焦距由f 表示，所述X射線組合折射透鏡的選擇和排列結(jié)果是[XCRL^XCRU，……，XCRLm]的子集 [XCRLi，XCRLj，……，XCRLk]，并且子集中元素按照XCRLi使用的先后次序排列，所述聚焦光 學(xué)系統(tǒng)焦距由fV表示，所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)透過率由表示。
[0011] 更進(jìn)一步，再以聚焦光學(xué)系統(tǒng)透過率作為第二優(yōu)化條件，選擇得到聚焦光學(xué)系統(tǒng) 透過率最大的初步優(yōu)化方案作為最終優(yōu)化方案。
[0012]再進(jìn)一步，所述第一優(yōu)化條件的處理過程如下：
[0013] 1.1根據(jù)所述λ計(jì)算所述XCRU#料對(duì)X射線的折射系數(shù)51
[0014] 1.2根據(jù)公式（1)計(jì)算XCRU的焦距fi
[0015]
⑴
[0016] 1 · 3如果fi〈f，那么排除該XCRLi，獲得一個(gè)[XCRLi，XCRL2，……，XCRLm]的子集，子 集中元素?cái)?shù)量為K，且K仝Μ
[0017] 1.4對(duì)步驟1.3生成子集中的X射線組合折射透鏡進(jìn)行排列組合，得到2Κ個(gè)聚焦光 學(xué)系統(tǒng){[ XCRLi，XCRL2 ]，[ XCRLi，XCRL2，XCRL3 ]……，[XCRU，……，XCRLm ]}
[0018] 1.5根據(jù)公式(2)計(jì)算由兩個(gè)X射線組合折射透鏡XCRU和XCRLj組成的聚焦光學(xué)系 統(tǒng)焦距f'
[0019]
(2)
[0020] 1.6根據(jù)步驟1.5，迭代計(jì)算步驟4得到的2K個(gè)聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦距h '
[0021] 1.7根據(jù)聚焦光學(xué)系統(tǒng)容差Λ，選擇滿足公式（3)的，個(gè)聚焦光學(xué)系統(tǒng)組合 {[XCRLi，XCRL2]，[XCRL2，XCRL 3]……,[XCRLi,……，XCRLl]}
[0022] fi'-f | < Δ (3)
[0023] 1.8輸出初步優(yōu)化方案。
[0024] 如果所述第一優(yōu)化條件的輸出結(jié)果只有一種組合，那么不需要執(zhí)行所述第二優(yōu)化 條件的計(jì)算過程。如有有兩個(gè)或兩個(gè)以上組合，則執(zhí)行第二優(yōu)化條件的處理過程。
[0025]所述第二優(yōu)化條件的處理過程如下：
[0026] 2.1根據(jù)所述λ計(jì)算所述XCRU材料對(duì)X射線的吸收系數(shù)講
[0027] 2.2根據(jù)公式(4)和(5)計(jì)算XCRU的透過率Tpi
[0028]
[0029]
[0030] 2.3根據(jù)公式(6)計(jì)算聚焦光學(xué)系統(tǒng)透過率7；;
[0031] = · Tpj.....Tpk (6)
[0032] 2.4根據(jù)2.3計(jì)算第一優(yōu)化條件輸出結(jié)果中所有聚焦光學(xué)系統(tǒng)透過率7；;
[0033] 2.5選擇2.4中聚焦光學(xué)系統(tǒng)透過率最大的組合作為最終優(yōu)化方案。
[0034]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：設(shè)計(jì)由多組XCRL組成的聚焦光學(xué)系統(tǒng)，首先計(jì)算符合期望 焦距條件的XCRL組合，再根據(jù)每種組合的透過率大小進(jìn)行篩選，最終得到既符合焦距條件， 同時(shí)透過率最大的XCRL組合。
[0035]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:將XCRL看作單獨(dú)的透鏡處理，充分考慮XCRL組合 的可能性，選擇性能最好的XCRL組合作為輸出結(jié)果。
【附圖說明】
[0036]圖1是XCRL單元面型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 圖2是XCRL結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038] 圖3是XCRL聚焦原理示意圖。
[0039]圖4是XCRL聚焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0041]參照?qǐng)D1~圖4,一種X射線組合折射透鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法，以具有不同單元 數(shù)量和面型結(jié)構(gòu)的X射線組合折射透鏡系列、入射X射線光子波長和期望焦距為輸入設(shè)計(jì)參 量，以X射線組合折射透鏡的選擇和排列結(jié)果為輸出設(shè)計(jì)參量，以聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦距作為第 一優(yōu)化條件，根據(jù)聚焦光學(xué)系統(tǒng)容差得到初步優(yōu)化方案;再以聚焦光學(xué)系統(tǒng)透過率作為第 二優(yōu)化條件，選擇得到聚焦光學(xué)系統(tǒng)透過率最大的初步優(yōu)化方案作為最終優(yōu)化方案。
[0042] 進(jìn)一步，所述X射線組合折射透鏡系列由[XCRU，XCRL2，……，XCRLm]表示，Μ表示X 射線組合折射透鏡系列中的X射線組合折射透鏡數(shù)量，所述X射線組合折射透鏡XCRU由[Κ， Ri，R0i，di]表示，1 < i < Μ，Ni是所述XCRU的單元數(shù)量，Ri是所述XCRU的面型結(jié)構(gòu)中的拋物面 頂點(diǎn)曲率半徑，RQl是所述XCRU的面型結(jié)構(gòu)中的拋物面最大開口距離的一半，cU是所述XCRU 的面型結(jié)構(gòu)中的相鄰拋物面頂點(diǎn)距離，所述入射X射線光子波長由λ表示，所述期望焦距由f 表示，所述X射線組合折射透鏡的選擇和排列結(jié)果是[XCRL^XCRU，……，XCRLm]的子集 [XCRLi，XCRLj，……，XCRLk]，并且子