一种基于横向梯度多层膜反射元件的x射线单能成像方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于横向梯度多层膜反射元件的X射线单能成像方法，该方案针对一定发射度的点发射X射线光源，通过元件参数的特殊设计，使多层膜上各个位置处都满足对同一光子能量的反射/衍射，达到X射线单能成像的目的。本发明克服了采用具有对数螺旋面型的晶体元件作为反射元件，受反射元件面型的影响而具有较大像差的劣势，同时，多层膜元件的带宽较大，反射光子通量较高，其在线调节也相对容易。本发明应用于X射线单能成像领域，包括Z箍缩、ICF过程中的等离子体自发光成像，点投影背光成像，和基于实验室X射线光源的吸收衬度成像和相位衬度成像等。
【专利说明】
-种基于横向梯度多层膜反射元件的X射线单能成像方法
技术领域
[0001] 本发明设及的是X射线单能成像领域，尤其是一种基于横向梯度多层膜反射元件 的X射线单能成像方法。
【背景技术】
[0002] 在Z髓缩实验研究中，电磁髓缩内爆产生的高溫高密度等离子体特征状态参数的 测量，对于深入理解和研究等离子体中的能量禪合和不稳定性增长等物理过程是十分重要 的。Z髓缩等离子体本身是一种非常有效的强X射线源，在髓缩的滞止阶段，高溫稠密等离子 体自身能在很宽的光谱范围内福射出大量的X光，运种X光包含了等离子体溫度、密度和电 离状态等参量信息。对此，采用对特定能量的X射线进行单能成像，是研究Z髓缩等离子体状 态的最重要的诊断手段之一。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于横向梯度多层 膜反射元件的X射线单能成像方法的技术方案，该方案采用多层膜反射X射线到探测器，能 够提高了图像信号强度和信噪比，同时消除了相差，并且在线准直调节也更加容易。
[0004] 本方案是通过如下技术措施来实现的：
[0005] -种基于横向梯度多层膜反射元件的X射线单能成像方法，包括有由自发光物体 和小孔组成的发光源，发光源出射X射线的发射角为α，Χ射线照射在长度为1的多层膜反射 元件上，X射线光束在多层膜反射元件两端的掠入射角分别为目1和目2,其中目ι<θ2;Χ射线经过 多层膜反射后射入探测器成像，其特征是:包括有如下步骤：
[0006] a.确定多层膜的厚度：
[0007] 多层膜对X射线的反射具有衍射特性，即一定角度下只反射特定能量的X射线，与 多层膜的周期厚度有关，需满足修正布拉格公式：
[000引
Φ
[0009] 其中，λ是被反射的X射线的波长，d是多层膜的周期厚度，η是X射线在膜层材料中 的折射率，Θ为光束的掠入射角；
[0010] 根据自放光物体的尺寸能够得出光源的发射角α为：
[0011] A ③
[0012] 其中，Η是被探测物体的高度尺寸，1^1为自发光物体到小孔的距离；
[0013] 再根据几何关系，能够得出：
[0016]其中，β是中屯、光束，即α的角平分线上的光束在多层膜反射元件上的掠入射角； [0017]确定多层膜靠近小孔一端的周期厚度cb，由于cb与02满足公式①的布拉格关系，通 过公式①计算能够得到θ2的值，在根据公式③计算得到θ?的值，在根据公式①进一步计算得 到多层膜远离小孔一端的周期厚度山的值，其中d2<dl;同时，多层膜的厚度在其长度方向上 成线性变化，厚度梯度的值为(dl-d2)/l;
[001引b.确定多层膜的长度：
[0019]多层膜的长度与其距光源点的距离有关，在中屯、光束上下两个Ξ角形中应用正弦 定理得：
[0022]其中L2是小孔到多层膜反射元件的中屯、距离，h为中屯、光束在多层膜上的射入点 下方的多层膜长度，12为中屯、光束在多层膜上的射入点上方的多层膜长度，将公式⑤和公 式⑥变换后可W得到：
[0027] C.确定多层膜与探测器之间的距离：
[00%]中屯、光束在多层膜上的射入点到探测器的垂直距离L3可通过下式计算得出：
[0029] ^ 遞
[0030] 其中Μ为成像放大比，Li为被自发光物体到小孔的距离，L2是小孔到多层膜反射元 件的中屯、距离。
[0031] 作为本方案的优选:多层膜的反射能带宽度为
[0032] 作为本方案的优选:多层膜的反射面为平面。
[0033] 本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中针对一定发射 度的点发射X射线光源，通过元件参数的特殊设计，使多层膜上各个位置处都满足对同一光 子能量的反射/衍射，达到X射线单能成像的目的。本发明克服了采用具有对数螺旋面型的 晶体元件作为反射元件，受反射元件面型的影响而具有较大像差的劣势，同时，多层膜元件 的带宽较大，反射光子通量较高，其在线调节也相对容易。
[0034] 由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也 是显而易见的。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明的成像方法示意图。
[0036] 图中，1为自发光物体，2为小孔，3为多层膜反射元件，4为探测器。
【具体实施方式】
[0037] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤W外，均可任何方式组合。
[0038] 本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙 述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加 W替换。即，除非特别叙述，每个特征只 是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0039] 本发明应用于X射线单能成像领域，包括Z髓缩、ICF过程中的等离子体自发光成 像，点投影背光成像，和基于实验室X射线光源的吸收衬度成像和相位衬度成像等。
[0040] 本发明的成像设备包括有由自发光物体和小孔组成的发光源，发光源出射X射线 的发射角为α，Χ射线照射在长度为1的多层膜反射元件上，X射线光束在多层膜反射元件两 端的掠入射角分别为和92,其中θι<θ2;Χ射线经过多层膜反射后射入探巧職成像。
[0041] 本发明的单能成像方法包括有如下步骤：
[0042] a.确定多层膜的厚度：
[0043] 多层膜对X射线的反射具有衍射特性，即一定角度下只反射特定能量的X射线，与 多层膜的周期厚度有关，需满足修正布拉格公式：
[0044]
獲
[0045] 其中，λ是被反射的X射线的波长，d是多层膜的周期厚度，η是X射线在膜层材料中 的折射率，Θ为光束的掠入射角；
[0046] 根据自放光物体的尺寸能够得出光源的发射角α为：
[0047] 广 ③
[0048] 其中，Η是被探测物体的高度尺寸，^为自发光物体到小孔的距离；
[0049] 再根据几何关系，能够得出：
[0052] 其中，β是中屯、光束，即α的角平分线上的光束在多层膜反射元件上的掠入射角；
[0053] 确定多层膜靠近小孔一端的周期厚度cb，由于cb与目2满足公式①的布拉格关系，通 过公式①计算能够得到θ2的值，在根据公式③计算得到θ?的值，在根据公式①进一步计算得 到多层膜远离小孔一端的周期厚度山的值，其中d2<dl;同时，多层膜的厚度在其长度方向上 成线性变化，厚度梯度的值为(dl-d2)/l;
[0054] b.确定多层膜的长度：
[0055] 多层膜的长度与其距光源点的距离有关，在中屯、光束上下两个Ξ角形中应用正弦 定理得：
[005引其中L2是小孔到多层膜反射元件的中屯、距离，h为中屯、光束在多层膜上的射入点 下方的多层膜长度，12为中屯、光束在多层膜上的射入点上方的多层膜长度，将公式⑤和公 式⑥变换后可W得到：
[0063] C.确定多层膜与探测器之间的距离：
[0064] 中屯、光束在多层膜上的射入点到探测器的垂直距离L3可通过下式计算得出：
[00化] 广、 ⑩
[0066] 其中Μ为成像放大比，Li为被自发光物体到小孔的距离，L2是小孔到多层膜反射元 件的中屯、距离。
[0067] 多层膜的反射能带宽度为多层膜的反射面为平面。
[0068] 本发明提供了一套完整的横向梯度多层膜元件的参数设计方法，并利用小孔成像 的原理给出了光学系统设计的方案。本发明应用于X射线单能成像领域，包括Z髓缩、ICF过 程中的等离子体自发光成像，点投影背光成像，和基于实验室X射线光源的吸收衬度成像和 相位衬度成像等。
[0069] 本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，W及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1.一种基于横向梯度多层膜反射元件的X射线单能成像方法，包括有由自发光物体和 小孔组成的发光源，发光源出射X射线的发射角为α，χ射线照射在长度为1的多层膜反射元 件上，X射线光束在多层膜反射元件两端的掠入射角分别*Θ#ΡΘ 2，其中ΘΚΘ2;Χ射线经过多 层膜反射后射入探测器成像，其特征是:包括有如下步骤： a. 确定多层膜的厚度： 多层膜对X射线的反射具有衍射特性，即一定角度下只反射特定能量的X射线，与多层 膜的周期厚度有关，需满足修正布拉格公式：① 其中，λ是被反射的X射线的波长，d是多层膜的周期厚度，η是X射线在膜层材料中的折 射率，Θ为光束的掠入射角； 根据自放光物体的尺寸能够得出光源的发射角α为：Φ 其中，Η是被探测物体的高度尺寸，1^为自发光物体到小孔的距离； 再根据几何关系，能够得出： θι = 02-α ③其中，β是中心光束，即α的角平分线上的光束在多层膜反射元件上的掠入射角； 确定多层膜靠近小孔一端的周期厚度d2,由于(12与02满足公式①的布拉格关系，通过公 式①计算能够得到02的值，在根据公式③计算得到θ?的值，在根据公式①进一步计算得到多 层膜远离小孔一端的周期厚度di的值，其中d 2〈d1;同时，多层膜的厚度在其长度方向上成线 性变化，厚度梯度的值为(cU-cb) /1; b. 确定多层膜的长度： 多层膜的长度与其距光源点的距离有关，在中心光束上下两个三角形中应用正弦定理其中L2是小孔到多层膜反射元件的中心距离，1:为中心光束在多层膜上的射入点下方 的多层膜长度，12为中心光束在多层膜上的射入点上方的多层膜长度，将公式⑤和公式⑥ 变换后可以得到：所需多层膜的有效长度为：⑨ C.确定多层膜与探测器之间的距离： 中心光束在多层膜上的射入点到探测器的垂直距离L3可通过下式计算得出：其中Μ为成像放大比为被自发光物体到小孔的距离，L2是小孔到多层膜反射元件的 中心距离。2. 根据权利要求1所述的一种基于横向梯度多层膜反射元件的X射线单能成像方法，其 特征是:所述多层膜的反射能带宽度为3. 根据权利要求1所述的一种基于横向梯度多层膜反射元件的X射线单能成像装置，其 特征是:所述多层膜的反射面为平面。
【文档编号】H05H1/00GK105873344SQ201610164479
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】程显超, 阳庆国, 程晋明, 祁双喜, 朱鹏飞, 叶雁, 彭其先
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所