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复合折射透镜的进展和应用


□ 黄承超 穆宝忠 王占山 陈玲燕

  摘 要 文章介绍了X射线复合折射透镜的工作原理,详细回顾了X射线复合折射透镜的发展历程,综述了近年来X射线复合折射透镜的研究成果及其主要应用领域.
  关键词 X射线光学,复合折射透镜,同步辐射,聚焦
  The development and applications of compound refractive lenses
  HUANG Cheng-ChaoMU Bao-ZhongWANG Zhan-ShanCHEN Ling-Yan
  (Institute of Precision Optical Engineering, Tongji University, Shanghai200092,China)
  
  AbstractThe principle of X-ray compound refractive lenses is outlined. Furthermore, their development and applications are reviewed in detail.
  KeywordsX-ray optics, compound refractive lenses, synchrotron radiation, focusing
  
  1 引言
  
  在过去的30年里,X射线光学元件得到了迅速发展.由于X射线相对任何材料的折射率都很小,且有一定的吸收,因此,直到1996年,X射线聚焦光学元件只有反射[1—5](K-B系统、毛细管和波导管)和衍射(菲涅耳波带片和布拉格-菲涅耳波带片)[6,7]两种形式.这些光学元件已广泛应用于X射线成像[3]、X射线衍射[8]、X射线荧光分析[9]和X射线微探针[2]等研究领域.为了获得更多的材料结构和成分信息,需要使用更短波长的硬X射线.对于硬X射线,反射和衍射光学元件的制作成本昂贵,调试困难,甚至是无法制造[10].为了克服反射与衍射光学元件的不足,迫切需要研制一种造价低廉、调试方便,并且能够有效工作在硬X射线波段(能量大于5keV)的X射线光学元件.
  1996年,针对第三代同步辐射硬X射线研究工作的需求,法国欧洲同步辐射装置的科学家提出了X射线复合折射透镜的概念,并用实验进行了验证[11],用复合在一起的多个折射透镜实现了14keV硬X射线的会聚,焦距1.8m.与以往的想法不同,这次是采用低原子序数材料来减小X射线吸收.目前通过合理设计透镜参数,复合折射透镜的透过率已做到90%左右.与其他X射线光学元件相比,X射线复合折射透镜具有不改变光路走向、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、可工作在高能X射线波段(100keV—1MeV)等许多优点,因此,很快成为X射线光学元件研究的一个热点并已在多个同步辐射研究中心的光束线预聚焦[12]、X射线成像[13—16]、X射线衍射[17]与荧光分析[18]、高分辨率X射线微探针[19,20]等方面获得广泛应用.
  
  2 复合折射透镜的发展
  
  2.1 柱面复合折射透镜
  1996年,在《Nature》上一篇题目为:“A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays”的文章第一次提出了复合折射透镜的概念[11](如图1所示).物质对X射线的折射率n为1-δ+iβ,X射线光束(14keV)在依次通过30个口径D(D=2R)为0.6mm的铝制双凹透镜后,在焦平面上(离透镜1.8m)得到了8μm的焦斑(入射光束宽度
  为150μm),并具有3倍的增益.透镜的制作仅仅是在一个铝铜合金块(铜占总质量的4%)上钻了30个孔.相对于单个折射透镜54m的焦距(F=R/2δ),通过复合的思想,大大缩短了透镜的总焦距(F=R/2Nδ,其中N为凹透镜的个数),使X射线折射透镜的应用成为可能.
  
  第一个复合折射透镜属于柱面复合折射透镜.虽然制造简单,但一维聚焦和球差阻碍了它的应用.文中同时预言了两种可行的二维聚焦透镜:一种是成90度交叉放置的两个柱面复合折射透镜(如图2所示);另一种是塑料球透镜.
  2.2 抛物面复合折射透镜
  上述第一个预言是在1998年成为现实[21].但是与同为二维聚焦的抛物面复合折射透镜相比,交叉柱面复合折射透镜无论在关键参数(透过率,增益系数)还是在成像质量(比如球差控制)上,都无法与后者相比.因此,抛物面复合折射透镜就很快成为复合折射透镜研究的热点,而柱面复合折射透镜则光芒不在.到了2001年,抛物面复合折射透镜的技术已经成熟,立刻应用于第三代同步辐射装置的光束线预聚焦、成像系统以及衍射和荧光分析上.抛物面复合折射透镜有以下显著特点:比如能够二维聚焦,没有球差和其他像差,结构简单紧凑且易于调试.现在,以铝或铍制成的抛物面复合折射透镜作为关键部件的X射线显微成像系统,能够工作在5keV到150keV的硬X射线波段,得到300—500nm的分辨率[14].抛物面复合折射透镜与层析X射线扫描技术相结合,能够在亚微米分辨率下提供不透明介质的三维图像.图3为抛物面复合折射透镜的结构图.图4为装配好的抛物面复合折射透镜(包括透镜盒、准直导轨).
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摘自:物理 2008年第11期  
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