一种用于ICF的掠入射KBA显微镜系统的制作方法

本发明涉及显微镜领域，具体是一种用于ICF的掠入射KBA显微镜系统。

背景技术：

1896年X射线发现不久，人们就开始用X射线直接照射物体，采用接触式辐射计量方法来获得X射线图像。然而，X射线成像和探测技术的进一步发展却遇到了严重的障碍。其主要原因在于X射线波长很短，通常为几个埃到几百个埃比可见光波长短1～4个数量级。X射线在空气中又强烈地被吸收，因此，找到合适于不同应用领域的X射线源、成像元件和相应的探测器件是很困难的。而且，X射线在光滑的表面上几乎不反射，只有在掠入射的情况下才显示出可用的反射率。掠入射X射线显微镜近些年来有很大发展，且日臻完善。ICF实验研究的逐步深入及近些年研究人员将这种显微镜用于生物研究，也促使了X射线显微镜的发展，几乎所有同步辐射线上都装有掠入射X射线显微镜。发达国家已经做到接近衍射极限分辨水平。他们主要靠提高表面面型精度及及降低表面粗糙度。Mori等采用了特种加工方法如弹性发射加工方法(elastic emission machining，EEM)和等离子体化学气体加工方法(chemical vaporization machining，CVM)等，在能量为15keV处聚焦性能达到接近衍射极限水平。用于惯性约束的掠入射显微镜目前表面光洁度最好的已经达到0.13nm，系统的最优分辨率为3μm。由于ICF实验研究的需要，美国罗切斯特大学(University of Rochester)为其OMEGA设备分别研制了两套KB显微镜。一套KB显微镜与高电流PJX条纹相机耦合提高研究直接驱动流体力学稳定性实验的灵敏度和空间分辨率。他们采用4个镜子镀铱/铬双层膜的方法，掠入射角为2.1°。这个掠入射角是算出的使立体角和反射率最大的角度。这个系统能够在120μm视场内保持2μm的分辨率。采用超光滑表面，表面均方粗糙度达到0.13nm。另一套是由16对凹面镜组成的产生16个像的KB显微镜。这个系统的最优分辨率为3μm，在400μm视场内的分辨率高于5μm。分幅照相机与KB显微镜连接，在1.5～7keV能量范围，能够拍摄限时X射线的照片。间隔1.5ns时间产生能够产生16个X射线像。凹面镜的基底采用熔石英，表面均方粗糙度为0.4nm。 从第一次采用非周期多层膜结构来增大中子在全反射附近的反射光谱范围以来，非周期多层膜被越来越多地用于掠入射情况以得到足够稳定的反射率。法国F.Bridou等研制了工作在100ev～10keV能量范围的KBA显微镜。为了使系统能够反射的立体角尽量大而又不降低反射率，四个反射镜上的掠入射角为2°～3°，并采用镀非周期膜的方法，满足每个反射率大于7％的要求。在惯性约束聚变中，由于流体力学非稳定性限制了点火计划的实现，Ph.Troussel等研制了高分辨率类Wolter显微镜，它采用两个环面反射镜，在1～5keV能量范围，视场半径0.4mm，空间分辨率为4μm，表面粗糙度为0.3nm。

国内的掠入射显微镜的研制起步于80年代中期。国内中物院核物理与化学研究所和中科院长春光机所从1988年开始合作研制国内第一台Wolter X光显微镜，其间进行了多次激光打靶成象效率检测实验，但均未获得较好的X光图象。经过七年努力，直到1995年10月该所研制的设备才在星光II小靶室现场考核实验中获得了反映一个成像系统最本质特性的空间分辨率数据。这套Wolter X光显微镜的工作能量范围为0.1keV～1keV，即显微镜的工作波长为1.24～12.4nm，掠入射角为1.2°，物距为230mm，放大倍率为15×，系统的最大集光立体角为1×10^-4sr，视场大于200μm，系统的分辨率达到5μm。

现有技术方案：目前多采用KB型显微镜，该结构采用两块互相垂直的球面反射镜组成。有一些实验室采用了Wolter型显微镜，该结构采用两块非球面反射镜。

现有技术中的KB型显微镜由于采用两块互相垂直的球面反射镜，彗差和视场倾斜都很大。Wolter型显微镜由于采用两块非球面反射镜，加工成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于ICF的掠入射KBA显微镜系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于ICF的掠入射KBA显微镜系统，包括He-Ne激光器、组合镜、主镜、靶球和靶室，所述主镜安装在靶室内，所述组合镜包括第一聚光镜、第二聚光镜、第一反射镜、分光镜、第二反射镜和对准物镜，所述第一聚光镜设置在光纤和第二聚光镜之间，第二聚 光镜设置在第一聚光镜和靶球之间，且光纤、第一聚光镜、第二聚光镜、靶球位于同一直线上，所述第一反射镜靠近第二聚光镜设置，所述分光镜设置在第一反射镜的下方，所述He-Ne激光器设置在分光镜的前侧且位于光纤末端的下方，所述第二反射镜设置在分光镜的下方，且第一反射镜、分光镜和第二反射镜设置在一条直线上，所述对准物镜设置在靶球的后侧，所述对准物镜的两侧分别设置有保护玻璃；所述主镜包括第一主反射镜和多个副反射镜，所述第一主反射镜后侧依次设置有第五副反射镜、第一副反射镜、第二副反射镜、第三副反射镜、第四副反射镜，所述第五副反射镜上开设有一个完全透过X光的通孔，所述第一主反射镜、第五副反射镜、第一副反射镜在一条直线上，所述第二副反射镜、第三副反射镜、第四副反射镜在一条直线上，所述第一副反射镜和第二副反射镜之间设置有自由调节的夹角，所述第一主反射镜的一侧设置有显微镜。

作为本发明进一步的方案：所述第一聚光镜的厚度为4mm，第二聚光镜的厚度为20mm，第一聚光镜与第二聚光镜的距离为600mm。

作为本发明进一步的方案：所述第二聚光镜与第一反射镜的距离为10mm，第一反射镜与分光镜之间的距离为50mm，第二反射镜与分光镜之间的距离为35mm。

作为本发明进一步的方案：所述第一反射镜与靶球之间的距离为400mm，紧靠靶球保护玻璃与靶球之间的距离为186～200mm。

作为本发明进一步的方案：所述第一反射镜和第二反射镜是半反半透镜。

作为本发明再进一步的方案：所述第一副反射镜和第二副反射镜之间夹角大于90°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用四块互相垂直的球面反射镜，可以减少彗差，减少视场倾斜，加工成本低、装调简单、实验时间短、不引入额外误差。

附图说明

图1为本发明系统的照明对准光路结构图。

图2为本发明的照明对准光路原理图。

图3为用于光路的向量计算示意图。

图4为用于向量计算的坐标换算示意图。

图5为实验所用靶标的镍网格的二维X光图。

图6为本发明系统在整个视场内获得的细小网格二维X光图。

图中：1-第一聚光镜；2-第二聚光镜；3-第一反射镜；4-分光镜；5-第二反射镜；6-保护玻璃；7-对准物镜；8-He-Ne激光器；9-光纤；10-靶球；11-靶室；SG₁-第一主反射镜；M₁-第一副反射镜；M₂-第二副反射镜；M₃-第三副反射镜；M₄-第四副反射镜；M₅-第五副反射镜；MJ-显微镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种用于ICF的掠入射KBA显微镜系统，包括He-Ne激光器8、组合镜、主镜、靶球10和靶室11，主镜安装在靶室11内，组合镜包括第一聚光镜1、第二聚光镜2、第一反射镜3、分光镜4、第二反射镜5和对准物镜7，第一反射镜3和第二反射镜5是半反半透镜，第一聚光镜1设置在光纤9和第二聚光镜2之间，第一聚光镜1的厚度为4mm，第二聚光镜2的厚度为20mm，第一聚光镜1与第二聚光镜2的距离为600mm，第二聚光镜2设置在第一聚光镜1和靶球10之间，且光纤9、第一聚光镜1、第二聚光镜2、靶球10位于同一直线上，第一反射镜3靠近第二聚光镜2设置，分光镜4设置在第一反射镜3的下方，第二聚光镜2与第一反射镜3的距离为10mm，第一反射镜3与分光镜4之间的距离为50mm，第二反射镜5与分光镜4之间的距离为35mm；He-Ne激光器8设置在分光镜4的前侧且位于光纤9末端的下方，第二反射镜5设置在分光镜4的下方，且第一反射镜3、分光镜4和第二反射镜5设置在一条直线上，对准物镜7设置在靶球10的后侧，对准物镜7的两侧分别设置有保护玻璃6，第一反射镜3与靶球10之间的距离为400mm，紧靠靶球10的保护玻璃6与靶球10之间的距离为186mm。

主镜包括第一主反射镜SG₁和多个副反射镜，第一主反射镜SG₁后侧依次设置有第五 副反射镜M₅、第一副反射镜M₁、第二副反射镜M₂、第三副反射镜M₃、第四副反射镜M₄。

为了保证掠入射角的精度和防止杂光，在第一主反射镜SG₁的前面24mm处安装一个与伪轴垂直的反射镜M₅，第五副反射镜M₅上开设有一个完全透过X光的通孔。第一主反射镜SG₁、第五副反射镜M₅、第一副反射镜M₁在一条直线上，第二副反射镜M₂、第三副反射镜M₃、第四副反射镜M₄在一条直线上，第一副反射镜M₁和第二副反射镜M₂之间设置有自由调节的夹角，第一主反射镜SG₁的一侧设置有显微镜MJ。

当照射靶球的He-Ne激光垂直入射到第五副反射镜M₅上并能沿原路返回，经过第一主反射镜SG₁进入显微镜MJ，如果聚焦点处在显微镜MJ分划板中心，则表明掠入射角是准确的1.6°。根据聚焦点偏离分划板中心的程度可以测量掠入射角的误差，采用这套检测装置可以保证掠入射角的精度。

为了实现方便安装和调整，使实际伪光轴旋转8.7485°，这样一来，两个光轴就相互重合。从卤素灯发出的光和从He-Ne激光器发出的光均重合在一起经过第二反射镜5，而后这两束光一部分从反射镜反射后沿原路返回，如果返回的光落到显微镜MJ分划板的中心，表明对准准确，掠入射角的精度得到保证。另一部分光(主要是激光)进入主镜系统成像，从卤素灯发出的光透过第一反射镜直接照射靶球，辅助透镜对靶球成像，如果这个像与前面的He-Ne激光通过主镜对靶球所成的像重合，则表明该系统已经调整好。

原理如下：在光线追迹的向量公式中有关的参量都用统一的直角坐标系表示，X轴和光轴重合，坐标原点和球面顶点重合，如图4所示。在向量公式中，入射光线的几何位置采用两个向量表示：一个是表示光线上某一点p_b的位置向量P_b；另一个是沿光线进行方向的单位向量Q_b，p_b点一般为光线在球面上的投射点，每一个向量都用它们在三个坐标轴上的分量来表示：

入射光线

公式中i_x，i_y，i_z分别为沿X、Y、Z三个坐标轴方向的单位向量，由于Q_b是单位向量，因此它在坐标轴上的分量α_b，β_b，γ_b就是它的三个方向余弦。对折射光线相应的用P_b1、Q_b1两个向量表示：

折射光线

光路计算中的向量公式就是在球面半径r、折射率n和n′、球面间隔d_b已知的条件下，给出入射光线的坐标P_b、Q_b后，求折射光线的坐标P_b1、Q_b1。这个过程可以分为三个步骤：第一步，根据入射光线的位置和方向求出光线在折射球面上的投射点p₁；第二步，求出投射点处的法线方向；第三步，根据入射光线的方向和法线方向，利用折射定律求出折射光线的方向。终结公式如下：

a_b＝α_b(d_b-X_b)-β_bY_b-γ_bZ_b (1)

M_bX＝X_b-d_b+α_ba_b (2)

M_b²＝(X_b-d_b+α_ba_b)²+(Y_b+β_ba_b)²+(Z_b+γ_ba_b)² (3)

D_b＝a_b+Δ_b (5)

cosθ_p＝|α_b(1-X_b1c_b)-β_bY_b1c_b-γ_bZ_b1c_b| (7)

g_b＝n′cosθ′_p-ncosθ_p (9)

根据以上公式，可由P_b(X_b，Y_b，Z_b)、Q_b(α_b，β_b，γ_b)逐步运算求出P_b1(X_b1，Y_b1，Z_b1)、Q_b1(α_b1，β_b1，γ_b1)。连续应用上面的公式，即可计算任意共轴球面系统中任意光线的光路。

KBA显微镜为掠入射非共轴X射线反射成像系统，而且四块反射镜是空间分布的，前两块反射镜和后两块反射镜之间并不是严格互相垂直的，而是要沿着光线的走向倾斜一个小角度，这给计算带来相当大的困难。上述共轴球面折射系统的向量公式经过调整后可以用来对KBA显微镜进行光路计算，需要做如下的调整：

(1)用坐标平移、旋转解决不共轴问题。如图5所示，对每块反射镜，计算折射光线前先把折射前的P_b点坐标平移、旋转到以反射镜顶点为原点、Z轴分别与每块反射镜共轴的坐标系下，即由XYZ坐标系平移、旋转到X′Y′Z′坐标系。

(2)折射系统变成反射系统。KBA显微镜以掠入射角入射，为反射系统，所以不能把共轴球面系统的赋值方法直接用于KBA显微镜，需要进行修改。因为入射光线和反射光线所在的介质是一样的，都为空气，但方向相反，所以n＝-n′＝1。

我们在工程物理研究院神光III装置上进系统行的惯性约束聚变(ICF)的诊断实验中，用设计的KBA X射线显微镜获得了高分辨率的图像，如图4所示。实验中所用的靶标是周期为20μm，开口为20μm，线宽为6μm的镍网格(没镀金膜)。图6中的镍网格清晰可见，表明KBA系统在整个视场内都有较好的分辨率，否则就不能获得细小网格较为清晰的二维X光图像。

本发明系统的优点

1、KBA X射线显微镜系统是一个消像散的系统，但存在球差、慧差，在2mm视场的范围内分辨率可以达到5～7μm，4mm视场内的分辨率优于25～30μm，符合使用要求。

2、对组成KBA显微镜的反射镜在掠入射条件下的焦距、成像特点及反射特性进行了研究，分析KBA显微镜结构安排的合理性，根据KBA显微镜的结构特点编写光路计算程序

3、利用光路计算程序进行大量的光路计算，分析KBA显微镜的像散、像面倾斜、球差和慧差。分析的结果表明，KBA显微镜是一种消像散结构，但随着视场的增加，像面倾斜变得越来越严重。由于没有校正像差的变数，KBA显微镜存在球差和慧差，但和KB结构相比，像差大大减小。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。