KBA X射线显微镜研究

摘要

近年来，由于X射线光刻技术，空间技术，以及激光引爆的惯性约束聚变(ICF)的过程诊断等的需求，X射线成像技术迅速发展。X射线在介质中被强烈地吸收，再加上介质的折射率在X射线波段略小于1，这些因素给X射线成像增加了很多难度，常规的成像方法难以适应X射线波段。目前多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法。本文详细地论述了根据使用要求所设计的非共轴掠入射反射成像KBA X射线显微镜系统。鉴于KBA显微镜系统结构的特殊性，编写了适用于KBA显微镜系统的光路计算程序，并利用这个程序进行了大量的光路计算。本文从光学设计的角度出发，在KBA显微镜的结构设计、像差分析、成像质量评价、误差分析和反射率等方面做了深入的研究和分析，并提供了大量的数据，这些数据是分析KBA显微镜系统的合理性及系统加工和装调的可靠依据。 本文主要做了以下工作： (1)KBA显微镜结构分析。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。 (2)KBA显微镜像差分析。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，像差大大减少了。 (3)KBA显微镜成像质量评价。利用点列图、能量集中度及调制传递函数等多种方法对不同视场进行了比较全面的成像质量评价和分析。评价结果说明该系统与设计的期望值相符，满足使用单位的分辨率要求。 (4)KBA显微镜系统参数误差分析。研究系统参数，如反射镜的半径，双反射镜的夹角，掠入射角，物距等的变化引起的高斯参数和像差改变(如像距、像散、弥散盘、倍率及调制传递函数的改变)，这些参数变化的结果导致了成像质量的降低。本文依据使用单位所允许的质量降低程度，制定了加工和装配公差。 (5) 分析了KBA显微镜的反射率。在软X射线波段，通过对KBA显微镜可选择的两种加工方法的反射率的计算，分析了掠入射情况粗糙度对反射率的影响。这可以作为KBA反射镜加工的理论依据。从分析的结果来看，所设计的KBA X射线显微镜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。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 X射线成像方法简述

1.1.1 X射线的透射成像

1.1.2 X射线的衍射成像

1.1.3 X射线的折射成像

1.1.4 X射线的反射成像

1.2惯性约束聚变

1.2.1惯性约束聚变的基本原理

1.2.2 ICF的国内外研究现状

1.3掠入射X射线显微镜的国内外研究现状

1.4本文研究目的及内容安排

2 KB与KBA X射线显微镜的成像原理

2.1 KB型X射线的结构特性及参数计算

2.1.1单镜成像特性

2.2 KBA型X射线显微镜的结构特点

2.2.1双反射镜的成像特性

2.2.2光阑位置的选择

2.3关于掠入射角

2.3.1消像散考虑

2.4本章小结

3 KBA型X射线显微镜的设计

3.1结构参数选择及计算

3.2非共轴系统的程序设计

3.3光线分析方法

3.3.1用自编程序分析KBA型X射线显微镜的光线

3.3.2用ZEMAX光学设计程序计算

3.4本章小结

4 KBA显微镜像差分析

4.1像散

4.2视场倾斜

4.3球差

4.4慧差

4.5本章小结

5 KBA显微镜成像质量评价

5.1点列图分析

5.2光学传递函数的基本理论

5.2.1不变线性系统及其传递函数

5.2.2光学传递函数的计算方法

5.3几何传递函数的分析

5.4本章小结

6 KBA显微镜系统参数误差分析

6.1 KBA显微镜系统参数对成像的影响

6.2物距对成像的影响

6.3离焦对成像的影响

6.4曲率半径对成像质量的影响

6.5双反射镜夹角对成像质量的影响

6.6掠入射角对成像的影响

6.7本章小结

7 KBA X射线显微镜的反射率

7.1引言

7.2麦克斯韦方程的微分形式

7.2.1单一界面的反射率

7.2.2多层膜的反射率

7.3材料光学常数与原子散射因子的关系

7.4影响反射率的因素

7.4.1界面粗糙度对反射率的影响

7.4.2掠入射角对反射率的影响

7.4.3波长对反射率的影响

7.5 KBA反射率的计算

7.6本章小结

8 KBA装调过程要中解决的几个问题

8.1双反射镜夹角的控制

8.2锐聚焦位置的确定

8.3掠入射角的确定

8.4主镜转动角度的确定

8.5分辨率测量

8.6本章小结

9总结与展望

9.1总结

9.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢