Manufacturing and testing of X-ray imaging components with high precision

1Introduction X rayimagingtechnologyhasbeenoneof themostimportantresearchcontentssince RoentgendiscoveredX rayin1895.Initially,X raywasusedtostudytheinternalstructureof substancesbycontactradiography.Thespeci menisplacedincontactwithaphotographicfilm duringtheX rayexposure.Theimageofthe specimenisdisplayedafterdeveloping.The methodhasbeenuseduntilnow,anditiswidely appliedinmedicaltreatmentandinnerflawsde tectionofindustrialmaterials.Sincetherefractiveindicesofmaterialsin X rayrangearelowert…     

软X射线多层膜设计中表面粗糙度对反射率的影响

给出了一种改进的软X射线波段的多层膜设计方法.在设计过程中,考虑了反射镜基底和各膜层之间的均方(RMS)粗糙度对反射率的影响 ;在Stearns提出的散射理论的基础上给出了粗糙界面的数学模型.文中以波长为λ=1.03nm的软X射线为例进行设计,设计结果表明 :要使波长为λ=1.03nm的多层膜的反射率大于10%,反射镜基底的均方粗糙度不应超过0.6nm.实验中选择几块表面粗糙度为 0.5nm(RMS)的熔石英平面镜作为基底来制作适用于该波长的、层对数超过70的多层膜.然后在的入射角下测量反射率,测得的值为10%,这与采用本设计方法得到的计算结果一致.该反射镜作为X射线谱仪的分光元件被应用于惯性约束聚变(ICF)的过程诊断中.     

基于有限元分析的长条状主镜支撑结构设计

从满足空间望远镜主镜在复杂工况下综合面形误差要求的角度出发,介绍了大尺寸长条状主镜组件材料和主镜结构的选择确定原则;采用理论分析与有限元计算工具相结合的手段,对主镜支撑结构进行了分析与设计.分析计算表明,若主镜组件采用刚性支撑设计,主镜综合面形误差将远远超出设计要求;而采用柔性支撑设计,当柔性支撑筋板高度取46 mm、厚度取1.7 mm时,主镜组件的动态刚度可达97.4 Hz;镜面综合面形误差分别达到63.1 nm、39.3 nm和59.6 nm;主镜组件最大变形分别达到24.6 μm、21.4 μm、7.4 μm,各项指标满足设计要求.平衡稳定性校核表明,当空间相机发射时,柔性支撑筋板不会发生失稳.     

主镜稳定温度场特性分析

论述了主镜热设计及热分析的重要性,并分析了在温度场作用下主镜的变形及其对光学系统成像质量的影响.对材料分别为K9和熔石英的主镜在径向稳定温度场的作用下的面形变形作了详细的分析、计算,发现相同结构的主镜,其镜面不仅变形与主镜的线胀系数和其他材料、结构特性参数有关,而且与温度梯度的大小和方向均有密切的联系.     

Wolter I型反射镜面形在线检测装置设计

由于传统的基于干涉原理的测量方法无法对用于太阳X射线成像仪的Wolter I型旋转非球面反射镜进行检测,本文提出了一种在线检测此类反射镜面形的方法。以长程轮廓测量仪的原理为基础,经过改进、整合测量装置并在扫描机构中加入五角棱镜转折光路,搭建了一套Wolter I型旋转非球面反射镜面形检测装置,并对该装置的工作原理、结构参数设定以及数据处理算法等进行了研究。用一块标准平面反射镜作为基准面对该装置定标,并通过实测反射镜样品进行验证实验。实验结果表明:该装置的倾斜度测量误差为RMS 6.7 μrad,重复精度为0.75 μrad,轮廓测量精度约为PV 0.24λ,RMS 0.07λ,基本满足设计要求。     

1.2m微晶主镜的新型支撑

针对1.2m微晶主镜,提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案,用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理,实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度,并具有热解耦能力;有限元分析确认系统具有良好的支撑性能;面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25nm,光轴水平面形精度RMS为20.75nm,模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度,分析结果与实测结果符合度较好,主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%,一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性,支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。     

大型X射线光学仪器:单层镜和多层镜的制造与表征

150~500 mm长度的各种X射线光学元件可用于光束导引,光束调整,以及单色化。本文介绍了两种不同的大型X射线反射镜。第一种为单层反射镜,这种反射镜以2°掠入射角在软X射线区(50~200 eV)起全反射镜作用,可用于自由电子激光器,如德国汉堡的FLASH。第二种是多层镜,由于它的布喇格反射特性,适于作为反射镜以0.4~1°的入射角用于硬X射线区(20~50 keV),如层析光束线的同步辐射存储环中。两种反射镜都用最新物理汽相淀积法制备,并用磁控溅射来实现X射线光学应用所需要的优良光学品质。这一淀积工艺使不同批次的镀膜稳定性良好,有利于实际反射镜在优质衬底上的最后淀积。单层镜和多层镜在它们的相关能量范围内都有很高的反射率,表面粗糙度也很低,且在整个光学波长区这些特性表现均匀。文中所叙相关研究都是借助X射线反射计量(XRR)法,透射电子显微镜(TEM)、光学轮廓仪(OP),以及原子力显微镜(AFM)完成的。     

环境对大口径SiC轻量化主镜视宁度的影响

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响。理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论。利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2mSiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证。实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5h。分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量。     

Wolter-Ⅰ型X射线天文望远镜的光学设计

针对国内硬X射线天文观测的需求,研究了1～30keV能段圆锥嵌套Wolter-Ⅰ型X射线天文望远镜的光学设计,推导了嵌套层之间的结构递推关系,给出了合理的望远镜初始结构。在最内层和最外层之间,设计了6组W/B4C宽带非周期多层膜,模拟得到系统的有效集光面积和分辨力。理论有效集光面积达到127cm2(在2keV处)和71cm2(在30keV处),系统角分辨力约10″。系统实际成像质量还受到公差的影响,引起像质下降的公差主要有辐条位置公差、镜面位置公差和镜面面形公差。目前演示实验方便改善的公差是辐条位置公差,给出了此公差的计算方法并对系统进行光线追迹,得到了成像点列图和分辨力改变情况。辐条位置公差从±15μm缩小到±3μm后,系统分辨力由1′提高到13″。     

空间相机主反射镜的力学计算

本文对空间相机主反射镜的初始设计进行了静力学分析,分别对主反射镜为中心支撑;边缘支撑,水平和垂直放置;载荷为自重g₀和5g₀的六种工况,用ANSYS程序计算了各工况下各单元及节点的变形和应力。生成了主反射镜的实心体模型,算出了主镜的准确重量。计算结果表明:现有设计满足静力学要求,还有轻量化的余地。边缘支撑的变形及应力均小于中心支撑。上述结果对主镜改进设计有重要参考价值。     

展开式反射镜单元镜支撑技术

基于展开镜结构工作原理,运用有限元方法分析了展开式反射镜单元的裸镜及其支撑方案.目的是确定镜子支撑点数量及排布方式,并具体分析了12-6-1、12-8-1和16-8-1型三种支撑点排布方式,分别计算了各支撑点排布方式下的镜面自重变形.计算结果表明,采用16-8-1型的排布方式较为合理.支撑结构的优化设计是在裸镜支撑点优化位置加入支撑组件综合分析镜坯与支撑组件,以镜面面形误差及结构总体刚度为目标函数,考查、修改支撑组件以保证镜面RMS值在可调节范围(30μm)内.计算带有支撑组件的单元反射镜在自重作用下的变形,得出的镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm),表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性.并提高整个反射镜面的面形质量.     

基于有限元法的主镜底支撑的优化分析

如何确定镜子的最佳支撑方式，来保证最优的镜面面形精度，这在天文望远镜的光学成像系统中具有重要的意义。应用了有限元分析方法分析了镜面的变形，利用有限元分析软件ANSYS中高级优化模块(OPT模块)以镜面变形最小为优化目标对主镜底支撑进行了优化设计。以九点浮动底支撑的优化作了实例分析，并与传统经验法的计算结果进行了对比分析，结果表明文中所采用的优化方法具有较大的优越性。     

自重作用下中心支撑主反射镜面形变化研究

利用FEM研究了弯月形主反射镜中心支撑条件下自重所引起的面形变化,通过计算所得镜面变形的PV值和RMS值来评价是否超差,利用Zernike多项式进行数据处理,分解出中心支撑方式下自重引起的像差成份,并相应地提出了提高成像质量的改进措施.最后进行了主反射镜背部形状优化.     

Application of a charge-coupled device photon-counting technique to three-dimensional element analysis of a plant seed (alfalfa) using a full-field x-ray fluorescence imaging microscope

A full-field x-ray fluorescence imaging microscope using a Wolter mirror was constructed at Photon Factory BL3C2. White x rays from a bending magnet were used to excite x-ray fluorescence and to enhance the x-ray fluorescence intensity. A photon-counting method using a charge-coupled device was applied to obtain an x-ray fluorescence spectrum at the image plane. The spatial distributions of some specific atoms such as Fe and Zn were obtained from photon-counting calculations. An energy resolution of 220 eV at the Fe Kalpha line was obtained from the x-ray fluorescence spectrum by the photon-counting method. The newly developed three-dimensional element mappings of the specific atoms were accomplished by the photon-counting method and a reconstruction technique using computed tomography.     

大口径长焦距平行光管主反射镜支撑与调整机构的研究

检验大口径长焦距光学系统,需要相应的大口径长焦距平行光管,而大口径长焦距平行光管的制造不同于短焦距平行光管的制造,环境因素及光学元件的固定方式对光管的成像质量有很大的影响.为了使光管有着较好的质量,光学镜面要有较好的面形及灵敏的调整机构.本文介绍主反射镜的支撑方式对镜面面形的影响及主反射镜的支撑和调整机构.     

eXTP望远镜用W/Si多层膜

针对增强型X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)项目中嵌套式聚焦成像望远镜对柱面镜片上W/Si多层膜的要求,在掠入射角为0.5°,工作波段为1~30keV条件下,设计了非周期W/Si多层膜并优化了薄膜制备工艺。首先,利用分隔板和掩模板对溅射粒子进行准直,同时优化了本底真空度和溅射工作气压,提升了薄膜的成膜质量;然后,通过调整分隔板间距和公转速率提升了在柱面基底上薄膜的沉积均匀性;最后,利用幂指数算法设计了非周期多层膜,并在北京同步辐射光源上进行了多能点反射率测试,得到了与理论设计基本吻合的测试结果。基于优化的制备工艺制备了周期数为80,周期为3.8nm和W膜层厚度占比为0.47的W/Si周期多层膜,其界面粗糙度仅为0.29nm,柱面镜薄膜厚度误差可控制在3%以内,基本满足了eXTP项目中嵌套式掠入射望远镜镜片用多层膜对于成膜质量、沉积厚度均匀性和能谱响应宽度的需求。     

X射线衍射和散射光束线环面聚焦镜的面形精度与像差分析

介绍了用于NSRL的X射线衍射和散射光束线中环面聚焦镜的成像原理和基本结构,分析计算了各种像差和面形精度对成像质量的影响,重点描述了镜子因受力弯曲在子午方向的曲率变化与理论值的误差以及反射表面受同步辐射光照射而产生的热载变形,进而求得实验样品上束斑成像的高度.最后用CCD探测实际光斑的尺寸,结果表明:理论计算与实测数据非常吻合.     

利用Zernike多项式分析超薄镜热变形

利用圆域上正交基-Zernike多项式拟合镜面温度场,将温度场转化为较有意义的模式,采用有限元方法进行了热变形的计算,其中针对空间大口径超薄镜面建立镜面模型,且暂不考虑重力,另外因超薄镜厚度很小,也不考虑轴向温度梯度的影响。通过计算利用Zernike多项式得到温度场产生的热变形,得到了不同温度模式产生的不同像差形式:即对于不同的温度场模式—温度整体变化(平移),一端凉且一端热(倾斜),中心与边缘温度不同(离焦热模式),以及像散热模式,彗差热模式,球差热模式导致的热变形分别主要表现为像差离焦,倾斜,离焦,倾斜,倾斜,球差。不同热模式在相同温差下产生的变形有数量级的差别,能够产生较大变形量的温度模式有离焦,彗差和球差,这意味着超薄镜对这些温度场比较敏感。计算和总结表明,利用Zernike多项式分解温度场,可以对热变形规律进行有效的分析,解决了镜面温度分布随时间变化使得热分析较为不准确的困难。     

Scanning differential interference contrast microscope

An optical microscope has been developed based on the differential interference contrast method to evaluate the roughness of supersmooth surfaces. The instrument uses a Bragg cell and a translation stage driven by a DC motor to produce an image of an area of a sample. Its lateral resolution is 2 μm and its vertical resolution is subangstrom. It takes only 7 seconds to scan an area of 1 mm². Three different curve fits can be used to remove the tilt, the curvature, and the low spatial frequency features of the sample. A figure for surface roughness is produced that is repeatable to 0.01 Å. The instrument is described and the noise sources and repeatability are discussed. The results of measurements of ring laser gyroscope mirror substrates are shown.     

控制球形目标成像的全向反射镜面设计方法

针对常规全向反射镜面设计方法对球形目标会产生较大的形变和由于形变带来的区域间颜色互相影响的问题,分析得到了控制球形目标成像所需满足的四个基本要求,进而提出了一种控制球形目标成像的全向反射镜面设计方法.该方法利用具有凸型反射镜面基本性质的双曲线面型作为反射镜面的基本面型;以在单视点约束条件下所确定的目标特征点与成像特征点间的关系为依据,采用遗传算法得到反射镜面的面型参数.将该设计方法得到的反射镜面与水平无畸变反射镜面、锥型反射镜面的效果进行了比较,仿真与实际效果说明了设计方法的有效性.