硬X射线折射透镜的纳米聚焦特性研究

发布时间：2017-09-04 21:26

  本文关键词：硬X射线折射透镜的纳米聚焦特性研究

  更多相关文章： X射线光学 折射透镜 纳米聚焦 Kinoform 物理模型

【摘要】：X射线折射透镜是基于光学折射原理的X射线聚焦和成像器件，它由多个顶点曲率半径较大的凹透镜或者单个顶点曲率半径较小的Kinoform透镜构成。利用微机械加工或者半导体工艺，X射线折射透镜通常被集成于一块衬底材料上，有着结构简单、紧凑等优点。与X射线反射和衍射聚焦器件相比较，X射线折射透镜还有一些优点，例如，安装和调试简单，对面型加工的粗糙度要求低，能够工作在更高的光子能量等。由于以上优点，X射线折射透镜已广泛应用于各大同步辐射装置，成为了X射线准直和聚焦的主要器件。另外，随着科学研究对纳米空间分辨率X射线分析技术的迫切需求，使得各种X射线聚焦器件的聚焦性能，尤其是焦斑尺寸备受关注。具有诸多优势的X射线折射透镜已在全场纳米成像和微束扫描探针中得到了应用。未来，经过优化设计的，具有纳米，甚至亚纳米焦斑，高透过率和光强增益的X射线折射透镜有望成为高能硬X射线纳米聚焦的首选器件。 本文主要研究X射线折射透镜的聚焦性能和设计方法。建立了X射线折射透镜的数值模拟研究平台。设计了一种具有亚纳米聚焦能力的折射透镜，并采用数值模拟的方法验证了设计结果。研究了X射线Kinoform单透镜的聚焦性能，设计了具有高效纳米聚焦能力的Kinoform单透镜。提出了X射线弯曲折射透镜和X射线薄片折射透镜的设想，并做了初步的理论研究。论文取得的主要研究成果如下： 1.建立了折射透镜聚焦X射线的物理模型和数值模拟研究平台。该模拟研究平台可以有效的验证设计结果和分析聚焦性能，为后续研究奠定了基础； 2.基于所建立的模拟研究平台，首次实现了一种具有亚纳米聚焦能力的硬X射线折射透镜系统。该透镜系统采用Kinoform单透镜的孔径与光束横向尺寸逐级匹配的设计方案。模拟结果表明，该透镜系统可实现0.92nm（FWHM）聚焦光斑、180nm焦深，同时可实现峰值增益高达49050倍，为接近原子分辨率的硬X射线纳米探针提供了一种可能的实现方案； 3.较为系统地研究了X射线Kinoform单透镜的聚焦特性。结果表明，孔径为1mm的Kinoform单透镜对30keV的X射线聚焦，可以得到14nm的焦斑、62μm的焦深、4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率，，为X射线纳米探针研究提供了一种高效聚焦X射线的设计方案。
【关键词】：X射线光学 折射透镜 纳米聚焦 Kinoform 物理模型
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-38
• 1.1 引言12-14
• 1.2 X射线显微分析技术14-21
• 1.2.1 X射线显微分析技术简介14-16
• 1.2.2 X射线显微分析技术在纳米尺度研究中的应用16-21
• 1.3 硬X射线聚焦器件的研究现状及面临的问题21-30
• 1.3.1 反射器件22-24
• 1.3.2 衍射器件24-26
• 1.3.3 折射器件26-27
• 1.3.4 硬X射线聚焦器件面临的问题27-30
• 1.4 X射线折射透镜的发展历史30-36
• 1.5 本文的研究内容和意义36-38
• 第二章 X射线折射透镜的理论基础38-60
• 2.1 物质与X射线的相互作用38-41
• 2.1.1 物质对X射线的折射38-39
• 2.1.2 物质对X射线的衰减39-41
• 2.2 X射线折射透镜的材料选择41-43
• 2.3 X射线折射透镜的基本理论43-53
• 2.3.1 单个X射线折射透镜的理论分析43-47
• 2.3.2 X射线复合折射透镜的理论分析47-53
• 2.4 X射线复合折射透镜的性能参数53-57
• 2.4.1 焦距53-54
• 2.4.2 像距、放大率和像尺寸54
• 2.4.3 光强透过率54-55
• 2.4.4 有效孔径和数值孔径55
• 2.4.5 衍射极限像的尺寸55-56
• 2.4.6 分辨率56
• 2.4.7 光强增益56-57
• 2.5 康普顿散射对X射线复合折射透镜聚焦性能的影响57-59
• 2.6 小结59-60
• 第三章 X射线折射透镜的模拟算法与编程实现60-72
• 3.1 引言60-61
• 3.2 X射线光学器件模拟程序简介61-63
• 3.3 X射线折射透镜的数值模拟算法63-67
• 3.3.1 物理模型63-65
• 3.3.2 X射线衍射积分的算法65-67
• 3.4 编程实现67-70
• 3.5 小结70-72
• 第四章 亚纳米硬X射线聚焦透镜系统的优化设计72-88
• 4.1 X射线复合折射透镜数值孔径受限的因素分析72
• 4.2 孔径逐级匹配透镜的基本理论72-76
• 4.3 优化设计76-83
• 4.4 模拟结果及分析83-87
• 4.5 小结87-88
• 第五章 Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能研究88-104
• 5.1 引言88-89
• 5.2 X射线单折射透镜在早期研究中面临的困难89-90
• 5.3 X射线Kinoform单透镜的物理模型90-93
• 5.4 优化设计93-102
• 5.4.1 透镜材料94-95
• 5.4.2 光子能量95-97
• 5.4.3 台阶数97-100
• 5.4.4 顶点曲率半径100-102
• 5.5 小结102-104
• 第六章 弯曲透镜和薄片透镜聚焦硬X射线的设想及初步研究104-110
• 6.1 弯曲透镜104-107
• 6.2 薄片透镜107-108
• 6.3 小结108-110
• 第七章 总结和展望110-112
• 参考文献112-124
• 攻读学位期间撰写论文情况124-126
• 致谢126-127

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 陈直;谢红兰;邓彪;杜国浩;江怀东;肖体乔;;Toward one nanometer X-ray focusing: a complex refractive lens design[J];Chinese Optics Letters;2014年12期

本文编号：793926