X射线光学与成像05.ppt

Refraction X-Ray Optics 复折射率透镜 聚焦元件可以通过三种途径：1）全反射；2）衍射；3）折射 折射主要依赖X射线在球面或椭球面形状的孔径上的折射。 由于X光的折射率接近于1，差值在10-6量级，所以必须使用多个孔径进行折射，射线较大角度的聚焦。 复折射率透镜的焦距： r是孔半径， 透过率 焦点处强度增益：正比于透过率，反比于焦距，与源的垂直尺寸bv成反比。 吸收的有效孔径 复折射率透镜球差严重，但可进行色差修正。 复折射率透镜的材料：取材广泛，铍、铝、硅是常用材料 在10-60keV范围，铝是最好的材料 X射线光学元件汇总 锥形毛细管利用X 射线在锥管内壁多次掠入射、反射，缩小光束 横截面实现聚焦；然而在这种聚焦机制中，各光线经过多次反 射，在焦点不满足同相位条件，不能用于成像，聚焦尺寸也不 可能达到衍射极限。因而从严格的意义上讲，锥形毛细管不能 称为透镜，只是X射线的会聚器。 1.KB镜 优点：水平和垂直方向的聚焦可以独立调整，没有象散，适合作聚焦元件。 缺点：水平和垂直方向的放大率不同，使图像非相似放大，因此是非理想成像元件。 2.施瓦氏镜 优点：利用磁控溅射方法在曲面上镀多层膜形成，因而适用于软X射线成像与聚焦。 缺点：不能用于硬X射线。 3.沃特镜 优点：利用旋转椭球镜和旋转双曲面镜两次略入射反射，适合收集大立体角X射线 共性：KB镜、施瓦氏镜、沃特镜和锥形毛细管都是利用表面反射机制聚焦X射线的光学元件，它们对反射表面的起伏非常灵敏，因而，不适合做纳米分辨成像元件。 各种光学元件优缺点总结 复折射率透镜和波带片 复折射率透镜（组合透镜）和波带片属于透射元件，和反射元件相比，它们对元件表面的起伏不敏感，适合作为纳米成像元件。 复折射率透镜是近年来发展起来的，非常具有发展前途。它利用X射线多次折射实现对X射线的成像和聚焦，目前仍处于发展阶段。 波带片作为一种衍射光学元件，不但在整个电磁波谱范围内可作为衍射成像元件，而且还能衍射任何具有波动性的物理量，例如，衍射电子、中子甚至原子。上世纪80年代，利用光刻技术研制的高分辨软X射线波带片，将当时的软X射线成像的分辨率推进到60nm。目前美国ALS的同步辐射软X射线波带片显微镜已经获得了15nm的系统分辨率。 问题是，软X射线对厚样品进行三维成像受到两方面的限制，一是软X射线穿透性差，仅适合于较薄物体进行成像。另一方面是，随着分辨率的提高，波带片的焦深变短，限制了样品的直径。现在已经研制出最外环宽度逼近30纳米、深宽比大于20的硬X射线波带片，这为分辨率达到30nm和更高分辨率的硬X射线显微成像奠定了物理基础。 * 按照波带片的定义，把上面的圆孔分割成N/2 个透明和N/2 个不透明的半波带，形成具有N 个半波带的波带片，则在z=f 处的光强可由如下分析求得。因为各透明半波带在焦点P 处的光程差为波长的整数倍，所以X 射线通过各透明半波带时，相位一致，将在焦点P形成相长干涉，其振幅就是N/2 个透明半波带在焦点P 处振幅的叠加。因为每个半波带的面积是相等的，所以每一个透明半波带对于焦点P 的振幅贡献是一样的。根据以上分析可以推论，小孔衍射沿光轴不同距离会出现亮点和暗点；在暗点处，N 为偶数，N/2 个半波带产生的振幅和另外N/2 个相位相反半波带产生的振幅正好抵消；在亮点处，N 为奇数，(N?1)/2个半波带产生的振幅和另外(N?1)/2 个相位相反半波带产生的振幅正好抵消后，还余一个半波带产生亮点。由此可以推论，对于波带片而言，参考上页下方的图，有N/2 个半波带产生的振幅在焦点z=f 处发生相长干涉，振幅是一个半波带N/2 倍。根据这个分析，波带片一级衍 射焦点处的光强分布函数为 同圆孔衍射一样，波带片的点扩展函数由一阶Bessel 函数的第一个零点决定，即ka?=3.832 ， J1(ka?) =0 ，见下图，因此波带片焦点半径和圆孔衍射亮点半径的表达式相同，也是 其中， 根据瑞利分辨间隔定义，见下图，将式 瑞利分辨间隔定义为两个衍射光斑能够被恰好分辨开的距离 代入式， 可以得出瑞利分辨间隔和最外环宽度的关系，见下页图，即 将式 代入 可得一级衍射瑞利分辨率和半波带数的关系 如果用f/m 和mN 分别替代上式中的N 和mN ，可以得到第m 级衍射的分辨率公式 参见下图，波带片一级衍射聚焦焦深为 Three-dimensional zone-structure of an “on-axis” transmission zone plate. The volume cross-section of the ellipsoids of revolution (回转椭球,left) is represented perpendicular to