一种掠入射X射线显微镜的强度标定方法

摘要

本发明涉及一种掠入射X射线显微镜的强度标定方法，该方法包括以下步骤：安装系统中各实验部件并进行实验部件调整使系统达到最优分辨率；移动针孔光阑，测量各个视场位置的出射光谱；将X射线显微镜从光路中移出，在孔径光阑后方测量各个视场下系统的入射光谱；利用测得的出射光谱和入射光谱对能量分辨范围内的光子进行计数，计算各个视场的物镜反射率；利用物镜反射率计算系统响应效率；根据显微镜的系统响应效率、滤片的透过率以及相机的量子效率，计算得到内爆靶丸的源强。与现有技术相比，本发明具有考虑视场一致性、完善了对光学系统能谱响应效率的标定、本发明更适用于实验室进行等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及核辐射或X射线辐射的测量，尤其是涉及一种掠入射X射线显微镜的强度标定方法，适用于反射镜表面镀制有X射线多层膜的放大成像系统。

背景技术

在激光惯性约束聚变中大量激光能量被转化为X射线，通过对出射X射线光谱在时间、空间和能谱等维度上的诊断，可以反推出激光等离子体的状态信息。掠入射X射线显微镜，在空间分辨率(5μm)和集光效率(10^-6-10^-8sr)等方面的具备优势，已经开始作为主力成像诊断设备应用于国内外的强激光装置，并在流体力学不稳定性增长、内爆压缩不对称性等研究中扮演重要角色。X射线显微镜的常见光学构型包括Kirkpatrick-Baez(KB)型、Wolter型及其他二次曲面的组合。由于X射线在介质中的光学常数略小于1，当掠入射角度很小时，X射线将在反射镜表面发生全外反射。近些年来，随着超光滑光学加工工艺和X射线光学系统装调技术的发展成熟，掠入射X射线显微镜开始在超高分辨成像和多画幅成像等方面展现出巨大潜能。在以往的设计中，光学设计人员更加关注用于空间形貌判断的技术指标，如有效视场、空间分辨率、放大倍率和畸变等，而对系统的传递函数、谱强度响应效率以及视场一致性等问题讨论较少。

近些年来，科研人员在我国的强激光装置上开展了大量精细化、定量化的诊断研究工作。X射线显微镜为空间、能谱、时间，即三维一体的诊断方式提供便利。采集到的X射线图像能否真实地反映内爆靶丸的状态信息变得尤为重要，其中的一个关注点就是强度信息的准确性。由于X射线多层膜元件的应用，现阶段发展的掠入射X射线显微镜是非平响应系统，也就是说系统对不同视场位置的谱响应效率是不同的。在光强均匀入射的情况下将会在像面上得到一个叠加了系统响应曲线的失真的强度信号。因此，需要开展针对这类系统的强度定量化标定从而实现强度矫正。但是，掠入射X射线显微镜是一种拥有极小数值孔径(N.A.≈10^-4)的显微放大成像系统，由于其在光学结构和工作方式上的不同，这类系统的标定方法不同于常规的对谱仪、滤片或是探测器的标定。在这样的大背景下，急需建立一套切实有效的标定方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种掠入射X射线显微镜的强度标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种掠入射X射线显微镜的强度标定方法，所述的方法包括以下步骤：

S1、安装系统中各实验部件并进行实验部件调整使系统达到最优分辨率；

S2、移动针孔光阑，测量各个视场位置的出射光谱；

S3、将X射线显微镜从光路中移出，在孔径光阑后方测量各个视场下系统的入射光谱；

S4、利用测得的出射光谱和入射光谱对能量分辨范围内的光子进行计数，计算各个视场的物镜反射率；

S5、利用物镜反射率计算系统响应效率；

S6、根据显微镜的系统响应效率、滤片的透过率以及相机的量子效率，计算得到内爆靶丸的源强。

优选地，所述的步骤S5中系统响应效率R_kb计算公式为：

其中，M为放大倍数，Ω为集光立体角，η_kb为物镜反射率。

优选地，所述的步骤S4中物镜反射率计算公式为：

η_kb＝Φ₂(λ)/Φ₁(λ)

其中，Φ₁(λ)表示入射光通量，Φ₂(λ)表示出射光通量。

优选地，放大倍数M是在对网格背光成像的基础上，分别在水平和竖直方向通过对比网格周期间距的实测值与标称值得到。

优选地，所述的步骤S4中集光立体角Ω计算公式为：

Ω＝πD²/4u²

其中，D是孔径光阑的直径，u是物距。

优选地，所述的步骤S6中内爆靶丸的源强根据以下公式获得：

其中，RD为入射光子转化成的光强计数，bkg为由电、热噪声所引起的背景计数，η_kb为物镜反射率，η_f为滤片的透过率，η_ccd为相机的量子效率，M为放大倍数，Ω为集光立体角，L(x₀,y₀,λ)为内爆靶丸面积微元的光亮度，(x₀,y₀)为内爆靶丸面积微元中心坐标。

优选地，所述的步骤S1中所述的系统包括X射线光管、针孔光阑、孔径光阑、X射线显微镜和谱分辨探测器，所述的X射线光管、针孔光阑、孔径光阑、X射线显微镜和谱分辨探测器依次排列，所述的系统设置两块前后正交放置的X射线显微镜。

优选地，所述的针孔光阑的针孔直径为10～20μm。

优选地，所述的方法进行一维或二维视场下的出射光谱和入射光谱测量。

优选地，根据各个视场的物镜反射率，获得物镜反射率与视场位置变化曲线，作为计算单波长光源或多波长范围光源源强的依据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、考虑视场一致性：能够采用针孔扫描的方式得到各个视场的入射和出射X射线光谱，得到物镜反射率对视场变化曲线，为实际应用提供参考；

2、完善了对光学系统能谱响应效率的标定：本方法不同与国内外对单块光学元件(如多层膜镜)、谱仪(包括晶体、光栅、多层膜镜等)、滤片和X射线探测器的标定，进一步完善了对光学系统能谱响应效率的标定，针对的是拥有极小数值孔径(N.A.≈10^-4)的掠入射反射式X射线成像系统，具备谱分辨能力的探测器实现全谱测量，并能够提取出有用的波长范围；

3、本发明更适用于实验室进行，适用于反射镜表面镀制有X射线多层膜的显微成像系统：以往的标定活动依赖拥有极高亮度、均匀度和单色性的同步辐射光源，这类光源在现阶段尚不适合对该类系统的强度标定，因为同步辐射光源的平行度高、发散角小，而在背光照明成像中需要的是一个大尺度的发散的背光源；

4、本方法提出的是一种切实可行的具备一定精度的标定方法，标定基于常规的X射线管和Si-PIN谱探测器，实验部件容易获得，成本低，操作方便，标定结果可信度高。

附图说明

图1为本发明所提出对系统出射光谱的测量方法示意图：1.物平面；2.针孔光阑；3.孔径光阑；4.X射线显微镜；5.谱分辨探测器；

图2为本发明所提出对系统入射光谱的测量方法示意图；

图3为实施例中W/Si周期多层膜反射率曲线图；

图4为实施例中沿水平方向扫描得到的﹢5μm视场位置的入射光谱和出射光谱图(间隔10μm)；

图5为实施例中沿水平方向扫描得到的﹢15μm视场位置的入射光谱和出射光谱图(间隔10μm)；

图6为实施例中沿水平方向扫描得到的﹢25μm视场位置的入射光谱和出射光谱图(间隔10μm)；

图7为实施例中沿水平方向扫描得到的﹢35μm视场位置的入射光谱和出射光谱图(间隔10μm)；

图8为实施例中沿水平方向扫描得到的﹢45μm视场位置的入射光谱和出射光谱图(间隔10μm)；

图9为实施例中沿水平方向扫描得到的﹢55μm视场位置的入射光谱和出射光谱图(间隔10μm)；

图10为实施例中标定的物镜反射率η_kb曲线图。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本方法是在激光惯性约束聚变精细化、定量化研究的大背景下，开展的对针对特种光学仪器的标定活动，这种方法在国内外尚无成熟的方法和案例可供借鉴，是基于传输理论和实践经验的标定方法；是一种结合了X射线显微镜装调、成像和能谱测量的标定方法。

本发明所要解决的技术问题就是为了克服由掠入射X射线显微镜所引起的像面强度失真而提出的一种对该类系统的谱强度响应效率标定方法。该方法不依赖于单色性高、均匀性好，但操作机时相对有限的同步辐射光源，是方便在常规实验室环境开展的，利用X射线管和谱分辨探测器作为核心标定设备的标定方法。这一方法，在条件成熟的情况下可以进一步拓展到同步辐射光源进行更高精度的标定。同时，该方法特别适用于反射镜表面镀制有X射线多层膜的显微成像系统。

发明的主要内容包括标定方法的理论、实验方案、操作流程和实施例。

在激光等离子体诊断中，掠入射X射线显微镜将待观测的内爆靶丸与成像面上的X射线相机紧密联系起来。根据X射线通量在诊断光路中的传输，我们推导并定义了与系统谱响应效率相关的变量，从而建立起一套适用于该标定方法的理论基础。在二维空间坐标系中，内爆靶丸的发光面被划分为许多无限小的面积微元，取其中之一记作△s，中心坐标为(x₀,y₀)。从面积微元发出的光亮度记做L(x₀,y₀,λ)，以photon/(s·sr·m²·nm)为单位。由于X射线显微镜占据了一个相当小的空间立体角，可以假定该光源为郎伯辐射体，那么在该立体角内的光亮度为常数。系统的入射光通量记做Φ₁(λ)，

Φ₁(λ)＝Ω·L(x₀,y₀,λ)·η_f·Δs>

其中，η_f是假定的滤片透过率，需要另外标定。系统的出射光通量Φ₂(λ)可以由像面的照度信息积分得到。像面的面积微元Δs’与Δs通过系统的放大倍率M建立联系，即Δs′/Δs＝Δx′Δy′/ΔxΔy＝M²。其中物镜的反射率η_kb体现在对入射光通量的作用，即η_kb＝Φ₂(λ)/Φ₁(λ)。联立以上公式可以得到式(3)。其中，Δs’是像方的面积微元，以(x₀′,y₀′)为中心坐标，Δx′和Δy′分别是在水平和竖直方向的变化小量。E(x₀′,y₀′,λ)是面积微元Δs’的照度信息。

Φ₂(λ)＝E(x₀',y₀',λ)·Δs'>

由于在内爆过程中从靶丸发出的X射线谱是一个连续谱，即包含一定的波长范围，而大部分X射线相机并不具备这种谱分辨能力。因此，在像面记录到的强度信息是所有波长强度的叠加，对式(3)两侧同时取波长的积分得式(4)。在探测面，由入射光子转化成的光强计数记为RD，由电、热噪声所引起的背景计数记为bkg，X射线相机的量子效率记做η_ccd。

其中，RD为入射光子转化成的光强计数，bkg为由电、热噪声所引起的背景计数，η_kb为物镜反射率，η_f为滤片的透过率，η_ccd为相机的量子效率，M为放大倍数，Ω为集光立体角，L(x₀,y₀,λ)为内爆靶丸面积微元的光亮度，(x₀,y₀)为内爆靶丸面积微元中心坐标。

将式(4)中的系统相关量提取出并记作系统响应效率R_kb，见式(5)。其中R_kb正比于X射线源源强和系统集光立体角，反比与成像系统放大倍率的平方。系统的强度标定在于对这三个变量的精确测定。其中放大倍率与集光效率依赖于系统构型和光学结构参数，物镜响应效率与视场位置和能点(波长)强相关。在一条诊断光路中，如果已知显微镜的系统响应效率R_kb，滤片的透过率η_f以及相机的量子效率η_ccd，那么就有可以反推出内爆靶丸的源强信息，实现对发光局部在强度、空间上的定量化诊断。

其中，M为放大倍数，Ω为集光立体角，η_kb为物镜反射率。

在单色化成像中，内爆靶丸的源强可以通过以下公式获得：

其中，η_s为平面晶体等色散元件的效率。

实验方案：

放大倍数M可以通过对一网格背光成像得出，所用的网格需要经过事先标定，得到明确的周期宽度和肋宽。将X射线背光成像中测量的网格间距与标定值做对比，可以得到在水平和竖直方向上的放大倍数。该方法的误差主要在于X射线CCD相机的像素数和像素大小，电子显微镜的测量误差以及人为的读数误差。

对于集光立体角Ω，我们以KB构型为例，在理论上可以由Ω＝(d·sinθ/u)²计算得出，其中d是沿光轴方向的镜长，θ是掠入射角度，u是物距。但在实际操作过程中，需要在物镜的前方添加一个限定系统孔径的孔径光阑便于对入射光强的测量，这样该立体角可以由Ω＝πD²/4u²计算得到，其中D是孔径光阑的直径，其值与镜面截距(d·sinθ)保持一致。该方法误差主要取决于光阑直径与物距的测量精度。

物镜反射率η_kb不同于对单个光学元件的标定，如多层膜镜。η_kb体现的是从某个视场点发出的充满系统孔径的所有发散光线的效率平均，在系统内部可以是单块反射镜也可以是多块，是一个系统相关量，需要在明确的物像关系下进行测定。而单块多层膜镜的标定需要利用近似准直的单色光束，研究反射率与入射角度之间的关系。本发明的核心在于提出了一种对物镜反射率η_kb的精确标定方法。在实验操作中我们采用直接测量法，分别对系统的入射光谱和出射光谱进行测量、统计和比值最终得到物镜反射率。但是，由于η_kb与视场位置(x₀,y₀)和能点(波长)相关，是个多变量求解的问题，在测量过程中需要对变量个数进行控制。在波长方面，采用一个具备谱分辨能力的探测器实现全谱测量，并能够提取出有用的波长范围；在视场方面，采用一个10-20μm直径的针孔光阑进行限定，通过精密移动针孔实现不同视场位置的选取和限定。同时由于系统工作在掠入射角度下，为了避免来自光源和杂散光线的影响，需要在光路中添加一个限定系统孔径的光阑。在这一部分，标定的误差主要在于谱探测器的能量分辨率、针孔光阑的尺寸及重复定位精度、孔径光阑与系统的匹配度以及人为误差。

实验方法具体可以通过以下操作流程来实现：

(1)设计并定制实验用的针孔光阑、孔径光阑、成像网格、衰减及屏蔽材料等，检查X射线光源、X射线CCD相机、谱分辨探测器、各类电控位移台以及外部监控等工作正常；

(2)将实验部件安装在电控位移台上，按照“背光源-网格-物镜-CCD相机”的顺序进行排布。

(3)通过调整显微镜的空间位置和姿态，使之满足光学设计，达到最优分辨；

(4)对网格背光成像，确定系统的视场范围、空间分辨率、放大倍率等光学指标，测量此时的物、像距；

(5)将孔径光阑加入到成像光路中，孔径大小和空间位置需要根据像面的光强变化进行判断，使得像斑光强计数达到最大，同时屏蔽各类干扰光线；

(6)通过外部监控，标记最佳物点和像点；

(7)通过外部监控，将网格替换为针孔光阑用于视场限定；

(8)再次使用X射线显微镜对针孔光阑成像，验证替换的准确性；

(9)将像面的X射线CCD相机替换为谱分辨探测器，进行出射光谱测量；

(10)精密移动针孔光阑，记录各个视场位置的出射光谱；

(11)将X射线显微镜从光路中移出，在孔径光阑后方测量各个视场下系统的入射光谱，如图2；

(12)对能量分辨范围内的光子进行计数，物镜响应效率由η_kb＝Φ₂(λ)/Φ₁(λ)式得出。

孔径光阑由高原子序数材料的制成，孔径大小由掠入射系统的孔径大小决定；

针孔光阑由高原子序数材料的制成，针孔直径应当在10-20μm；

成像网格由高原子序数材料的制成，网格的周期和肋宽分别与系统的视场大小和分辨率相匹配；

X射线光源为常规X射线管，应具备功率高、焦斑大等特点，能够长时间稳定工作，并且工作电压和电流不会发生显著漂移；

X射线CCD相机应满足分辨率测定的需要，像面尺寸与系统匹配；

X射线谱分辨探测器可以是硅半导体探测器，应具备百电子伏特量级的能量分辨和一定的量子效率。

各类电控位移台具体为：搭载X射线光源和X射线CCD相机的应当是长行程的x-y-z三维平移台，定位精度优于5μm；搭载成像网格的是行程在25-50mm的x-y-z三维平移台，定位精度优于1μm；搭载X射线显微物镜的是六维电控台，位移精度优于2μm，角度调节优于0.001°。

物点外部监控，是两台夹45-90°角的长焦距可见光CCD相机，面向待测物，在水平竖直平面内定位精度优于20μm，在沿轴方向定位精度优于50μm。

像点监控是一台十字激光器，具备多维度的角度调节，指示精度优于200μm。

一种掠入射X射线显微镜的强度标定方法，不依赖资源相对有限的同步辐射光源，可以在常规实验室内开展标定方法。这种方法针对操作对象是基于超光滑反射镜的掠入射反射式X射线成像系统。该方法是一种结合了X射线显微镜装调、成像和能谱测量的标定方法。该方法采用常规的X射线管作为大尺寸的发散背光源，采用Si-PIN探测器进行带有能量分辨的光谱测量。该方法需要对系统的通光孔径进行限定。该方法能够采用针孔扫描的方式得到各个视场的入射和出射X射线光谱，获得的各视场位置入射光谱和出射光谱如图4、图5、图6、图7、图8和图9所示。

实验中需要采用背光照明的方式对网格成像来明确显微镜的物象指示关系，实验各组成部分按照“背光源-网格-物镜-CCD相机”的顺序排列，需基本掌握X射线显微镜的装调方法和诸如对准、光轴找平、位置精调、角度精调等一系列精密光学操作手段。其中，X射线管和X射线CCD相机搭载在x-y-z三维电控平移台上，可以实现较大行程的平移。X射线显微镜搭载在六维电控台，可以实现空间六个自由度的调节，具备很好的稳定性和重复定位精度。成像网格和针孔需要高精度的x-y-z三维电控平移台，定位精度优于1μm。由于实验操作中存在大量相互替换和重复步骤，为了简化实验操作和提高实验精度，我们将成像网格与限定视场的针孔光阑通过共用底座连接，两者之间的相对位置事先标记，两者可以准确地定位和替换；将X射线CCD相机与谱分辨探测器通过共用底座连接，两者之间的相对位置事先标记，两者可以准确地定位和替换。所有的实验部件安装在精密光学平台上，台面平行度优于0.05mm/m²，同时可有效消除表面共振。

在实施例中，如图1，设置物平面1，针孔光阑2、孔径光阑3、X射线显微镜4和谱分辨探测器5依次设置，以KB型X射线显微镜为例详细介绍本发明所提出的方法。KB显微镜的基本光学构型是采用两块前后正交放置的球面镜来减小单块球面镜在掠入射条件下的严重象散。系统的工作能点为17.48keV，采用W/Si周期多层膜可以实现能量分辨和在硬X射线波段的高反射率，如图3。详细的光学结构参数如表1所示，所采用的W/Si多层膜结构参数如表2所示。

表1W/Si多层膜KB显微镜的光学结构参数

单位M1M2方向-子午弧矢曲率半径m2020镜长mm1010掠入射角°0.7000.737物距mm146.6156.6像距mm733.0723.0放大倍数-5.04.6数值孔径-4.17×10^-44.11×10^-4

表2W/Si多层膜的结构参数

单位M1M2能点keV17.4817.48膜对数-4040材料-W/SiW/Si,掠入射角°0.7000.737周期厚度nm3.022.86粗糙度nm0.520.44厚度比-0.50.5

操作步骤：

(1)将两块反射镜固化在特制的物镜盒内，构成KB构型，物镜盒作为一个整体转接在六维电控台上；

(2)按照“背光源-网格-KB物镜-CCD相机”的顺序在光学平台上排布，并进行系统粗调，所用网格为600目金网，周期41μm，肋宽5-6μm；

(3)精调网格位置和物镜姿态，使得显微镜处在最佳空间分辨，使用X射线CCD相机进行成像(Photonic Science，XDI-50型高分辨X射线CCD相机，有效像素数1384×1032，像素大小6.45μm)，得到系统的空间分辨率约为5μm和放大倍率在水平和竖直方向分别为5.0×和4.6×，实测物距为146.3mm；

(4)将直径为50μm的金制孔径光阑加入到KB物镜盒前方的主光路中；

(5)通过外部监控，标记此时的物象点(长焦距CCD相机，工作距离为95mm，光学放大倍数在0.7-4.5×)；

(6)在外界监控下，将网格替换为直径为20μm的针孔光阑，并进行成像；

(7)将X射线CCD相机替换为Si-PIN谱分辨探测器(Amptek，XR-100CR型探测器，基底有效尺寸6mm²，厚度500μm，能量分辨为0.225keV@17.48keV)；

(8)扫描针孔光阑，测量各个视场的出射光谱(Physik Instrumente，M-110.2DG型平移台，精度优于1μm)；

(9)将KB物镜盒整体移开，在孔径光阑后方测量各个视场的入射光谱；

(10)统计17.48±0.11keV范围内的光子数，根据η_kb＝Φ₂(λ)/Φ₁(λ)，计算各个视场下的物镜反射率，并绘制曲线，如图10。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。