一种x射线组合折射透镜聚焦光学系统优化方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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TransfocatorJransfocator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，Tran sf 〇 cat or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Si和像距S2与错材料 透镜数量nAL和铍材料透镜数量ΠΒΕ的经验公式，即：
[0004]
[0005] 其中，E表示入射X射线能量，单位是KeV。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0009] -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。
[0010] 进一步，所述X射线组合折射透镜系列由[XCRLi，XCRL2，……，XCRLm]表示，Μ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XCRU由[Κ， Ri，R0i，di]表示，1 < i < Μ，Ni是所述XCRU的单元数量，Ri是所述XCRU的面型结构中的抛物面 顶点曲率半径，RQl是所述XCRU的面型结构中的抛物面最大开口距离的一半，cU是所述XCRU 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[XCRL^XCRU，……，XCRLm]的子集 [XCRLi，XCRLj，……，XCRLk]，并且子集中元素按照XCRLi使用的先后次序排列，所述聚焦光 学系统焦距由fV表示，所述聚焦光学系统透过率由表示。
[0011] 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。
[0012]再进一步，所述第一优化条件的处理过程如下：
[0013] 1.1根据所述λ计算所述XCRU#料对X射线的折射系数51
[0014] 1.2根据公式（1)计算XCRU的焦距fi
[0015]
⑴
[0016] 1 · 3如果fi〈f，那么排除该XCRLi，获得一个[XCRLi，XCRL2，……，XCRLm]的子集，子 集中元素数量为K，且K仝Μ
[0017] 1.4对步骤1.3生成子集中的X射线组合折射透镜进行排列组合，得到2Κ个聚焦光 学系统{[ XCRLi，XCRL2 ]，[ XCRLi，XCRL2，XCRL3 ]……，[XCRU，……，XCRLm ]}
[0018] 1.5根据公式(2)计算由两个X射线组合折射透镜XCRU和XCRLj组成的聚焦光学系 统焦距f'
[0019]
(2)
[0020] 1.6根据步骤1.5，迭代计算步骤4得到的2K个聚焦光学系统焦距h '
[0021] 1.7根据聚焦光学系统容差Λ，选择满足公式（3)的，个聚焦光学系统组合 {[XCRLi，XCRL2]，[XCRL2，XCRL 3]……,[XCRLi,……，XCRLl]}
[0022] fi'-f | < Δ (3)
[0023] 1.8输出初步优化方案。
[0024] 如果所述第一优化条件的输出结果只有一种组合，那么不需要执行所述第二优化 条件的计算过程。如有有两个或两个以上组合，则执行第二优化条件的处理过程。
[0025]所述第二优化条件的处理过程如下：
[0026] 2.1根据所述λ计算所述XCRU材料对X射线的吸收系数讲
[0027] 2.2根据公式(4)和(5)计算XCRU的透过率Tpi
[0028]
[0029]
[0030] 2.3根据公式(6)计算聚焦光学系统透过率7；;
[0031] = · Tpj.....Tpk (6)
[0032] 2.4根据2.3计算第一优化条件输出结果中所有聚焦光学系统透过率7；;
[0033] 2.5选择2.4中聚焦光学系统透过率最大的组合作为最终优化方案。
[0034]本发明的技术构思为：设计由多组XCRL组成的聚焦光学系统，首先计算符合期望 焦距条件的XCRL组合，再根据每种组合的透过率大小进行筛选，最终得到既符合焦距条件， 同时透过率最大的XCRL组合。
[0035]本发明的有益效果主要表现在:将XCRL看作单独的透镜处理，充分考虑XCRL组合 的可能性，选择性能最好的XCRL组合作为输出结果。
【附图说明】
[0036]图1是XCRL单元面型结构示意图。
[0037] 图2是XCRL结构示意图。
[0038] 图3是XCRL聚焦原理示意图。
[0039]图4是XCRL聚焦光学系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0041]参照图1~图4,一种X射线组合折射透镜聚焦光学系统优化方法，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;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。
[0042] 进一步，所述X射线组合折射透镜系列由[XCRU，XCRL2，……，XCRLm]表示，Μ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XCRU由[Κ， Ri，R0i，di]表示，1 < i < Μ，Ni是所述XCRU的单元数量，Ri是所述XCRU的面型结构中的抛物面 顶点曲率半径，RQl是所述XCRU的面型结构中的抛物面最大开口距离的一半，cU是所述XCRU 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[XCRL^XCRU，……，XCRLm]的子集 [XCRLi，XCRLj，……，XCRLk]，并且子