[发明专利]一种X射线组合折射透镜聚焦光学系统优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及X射线光学器件和光学系统领域，尤其是一种用于X射线组合折射透镜聚焦光学系统的优化方法。

背景技术

自欧洲同步辐射光源的A.Snigirev等开创性地设计铝材料X射线组合折射透镜(XCRL)，并实现对光子能量为8KeV的X射线光束聚焦后，XCRL凭借其结构紧凑、易调节校准、对振动不敏感等技术优点得到了广泛的关注。特别是，XCRL可以对光子能量范围为5KeV至150KeV的硬X射线光束进行微米量级和纳米量级聚焦。这一突出优势使得XCRL逐步成为硬X射线微区无损检测与成像系统的核心元器件。近年来，在欧洲同步辐射光源和德国电子同步加速器研究所，XCRL作为核心光学元器件已经成功应用于X射线布拉格衍射显微镜、X射线多镜头干涉仪、X射线全视场显微镜等硬X射线无损检测与成像系统。

为了扩大XCRL的适用范围并且进一步提高XCRL的性能，欧洲同步辐射光源的G.Vaughan等(J.Synchrotron Rad.,2011,18,125–133)，以及德国电子同步加速器研究所的A.Zozulya等(OPTICS EXPRESS 18968)分别设计实现了新型的X射线组合折射透镜聚焦光学系统。这种聚焦光学系统被命名为Transfocator。Transfocator采用了通过将不同数量和不同面型结构参数的铝材料透镜组和铍材料透镜组组合，以动态调节焦距和焦斑增益的设计思想。因此，Transfocator可以通过优化由多个XCRL组成的聚焦光学系统以获得更好的聚焦性能。G.Vaughan等在文献中给出了一个Transfocator的物距S₁和像距S₂与铝材料透镜数量n_AL和铍材料透镜数量n_BE的经验公式，即：

其中，E表示入射X射线能量，单位是KeV。

但是，Transfocator的设计者们并没有对透镜组数量、折射单元面型结构参数等设计参量对聚焦光学系统中焦距、透过率、焦斑增益等聚焦性能指标的影响规律做更深入地研究。并且，各类文献中均没有针对Transfocator或者由X射线组合折射透镜为基本光学元件单元组成的X射线聚集光学系统的优化方法。

发明内容

为了克服已有X射线组合折射透镜聚焦光学系统的无法优化参数、性能限制、应用范围受限的不足，本发明提供一种优化参数、提高性能、扩大应用范围的X射线组合折射透镜聚焦光学系统优化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种X射线组合折射透镜聚焦光学系统优化方法，该优化方法以具有不同单元数量和面型结构的X射线组合折射透镜系列、入射X射线光子波长和期望焦距为输入设计参量，以X射线组合折射透镜的选择和排列结果为输出设计参量，以聚焦光学系统焦距作为第一优化条件，根据聚焦光学系统容差得到初步优化方案。

进一步，所述X射线组合折射透镜系列由[XCRL₁，XCRL₂，……，XCRL_M]表示，M表示X射线组合折射透镜系列中的X射线组合折射透镜数量，所述X射线组合折射透镜XCRL_i由[N_i,R_i,R_0i,d_i]表示，1≤i≤M,N_i是所述XCRL_i的单元数量，R_i是所述XCRL_i的面型结构中的抛物面顶点曲率半径，R_0i是所述XCRL_i的面型结构中的抛物面最大开口距离的一半，d_i是所述XCRL_i的面型结构中的相邻抛物面顶点距离，所述入射X射线光子波长由λ表示，所述期望焦距由f表示，所述X射线组合折射透镜的选择和排列结果是[XCRL₁，XCRL₂，……，XCRL_M]的子集[XCRL_i，XCRL_j，……，XCRL_k]，并且子集中元素按照XCRL_i使用的先后次序排列，所述聚焦光学系统焦距由f_i'表示，所述聚焦光学系统透过率由表示。

更进一步，再以聚焦光学系统透过率作为第二优化条件，选择得到聚焦光学系统透过率最大的初步优化方案作为最终优化方案。