X射線聚焦仿真的案例
X射線聚焦系統(tǒng)
高能光子(X射線)的使用已成為許多醫(yī)療和同步加速器應(yīng)用的共同特點(diǎn)。與可見(jiàn)光譜中的光不同，X射線與大多數(shù)物質(zhì)僅發(fā)生微弱的相互作用，這使得聚焦元件的設(shè)計(jì)比波長(zhǎng)譜的其他部分更具挑戰(zhàn)性。下面我們展示了兩種解決此任務(wù)的方法，即使用復(fù)合透鏡和在掠入射下的橢圓反射鏡。使用建模和設(shè)計(jì)軟件VirtualLab Fusion對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行快速物理光學(xué)仿真，使我們能夠在焦距和測(cè)量光斑尺寸的基礎(chǔ)上研究它們的性能。
用于X射線聚焦的復(fù)合折射透鏡
復(fù)合折射透鏡由數(shù)十或數(shù)百個(gè)獨(dú)立的圓柱透鏡組成，用于一維或二維聚焦X射線場(chǎng)。
用于X射線束的掠入射聚焦鏡
Kirkpatrick-Baez (KB)反射鏡將掠入射的X射線場(chǎng)聚焦成一個(gè)納米尺度的光斑。在這個(gè)用例中，演示了這種 KB 反射鏡系統(tǒng)的建模和評(píng)價(jià)。
展開(kāi) X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統(tǒng)。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過(guò)使用兩個(gè)物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入系統(tǒng)的X射線可以通過(guò)系統(tǒng)聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中進(jìn)行了建模和仿真，并計(jì)算了焦點(diǎn)位置的電場(chǎng)。
建模任務(wù)
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（1）
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（2）
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（3）
焦平面上的能量密度和電場(chǎng)
軟件界面
VirtualLab Fusion操作流程
設(shè)置輸入高斯場(chǎng)
- 基本光源模式（教學(xué)視頻）
設(shè)置組件的位置和方向
- LPD II 位置和方向 （教學(xué)視頻）
可編程的橢圓界面
- 如何使用可編程界面和示例 （球面）（應(yīng)用案例）
VirtualLab Fusion技術(shù)
文檔信息
拓展閱讀
- 用于x射線成像的單光柵干涉儀
展開(kāi) Light | 復(fù)消色差X射線聚焦
消色差(achromatic)透鏡由具有不同色散能力的兩個(gè)透鏡組成，可將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光聚焦到同一點(diǎn)，從而在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)達(dá)到消色差效果。
復(fù)消色差(apochromatic) 透鏡可以認(rèn)為是消色差透鏡的改進(jìn)版，色偏移曲線是三次方程，可將三個(gè)不同波長(zhǎng)的光聚焦到一點(diǎn)，使消色差的波長(zhǎng)范圍提升數(shù)倍，見(jiàn)圖1。
圖1：X射線復(fù)消色差聚焦原理：折射透鏡和菲涅爾波帶片以特定間隔前后放置，色差相互糾正，三種不同的能量/波長(zhǎng)的X射線可同時(shí)聚焦于點(diǎn)F。
在可見(jiàn)光領(lǐng)域，消色差和復(fù)消色差透鏡存在已有百年之久。而在X射線領(lǐng)域，直到2022年世界上首個(gè)消色差透鏡才剛剛問(wèn)世。本文報(bào)道了該研究團(tuán)隊(duì)在消色差透鏡的工作基礎(chǔ)上，使用滿足特殊條件的菲涅爾波帶片 (FZP) 和復(fù)合折射透鏡 (CRL)，成功研制的世界上首個(gè)X射線復(fù)消色差透鏡系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)顯示，該復(fù)消色差透鏡在7 keV到12 keV的能量范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的消色差效果，相比消色差透鏡，消色差范圍提高了四倍，可以更廣泛地應(yīng)用于折射和衍射透鏡的色差校正。
該研究開(kāi)發(fā)的復(fù)消色差X射線透鏡系統(tǒng)由兩個(gè)相互獨(dú)立的光學(xué)元件組成：一個(gè)是雙光子聚合3D打印技術(shù)制造的復(fù)合折射透鏡，另一個(gè)是通過(guò)電子束光刻和金電鍍制造的菲涅爾波帶片，見(jiàn)圖2。
圖2. X射線復(fù)消色差透鏡的組成部分。a）3D打印的發(fā)散型CRL置于250納米厚的氮化硅膜上的光學(xué)顯微鏡圖像；b）復(fù)合折射透鏡和c）45度視角的波帶片的掃描電子顯微鏡圖像；d）復(fù)合折射透鏡（左下角）與火柴棒的對(duì)比。
展開(kāi) 用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)在x射線束線中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統(tǒng)中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個(gè)物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個(gè)維度即可完成聚焦。系統(tǒng)可以將入射的X射線聚焦到納米級(jí)的光斑尺寸。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中構(gòu)建，并對(duì)焦場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。
建模任務(wù)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
焦面的電場(chǎng)與能量密度
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
-用于X射線成像的單光柵干涉儀
展開(kāi) 
VirtualLab：用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)在x射線束線中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統(tǒng)中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個(gè)物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個(gè)維度即可完成聚焦。系統(tǒng)可以將入射的X射線聚焦到納米級(jí)的光斑尺寸。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中構(gòu)建，并對(duì)焦場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。
建模任務(wù)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
焦面的電場(chǎng)與能量密度
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
-用于X射線成像的單光柵干涉儀
展開(kāi) VirtualLab Fusion應(yīng)用：X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統(tǒng)。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過(guò)使用兩個(gè)物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入系統(tǒng)的X射線可以通過(guò)系統(tǒng)聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中進(jìn)行了建模和仿真，并計(jì)算了焦點(diǎn)位置的電場(chǎng)。
建模任務(wù)
系統(tǒng)參數(shù)來(lái)源于A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319.
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（1）
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（2）
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（3）
焦平面上的能量密度和電場(chǎng)
軟件界面
展開(kāi) 用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)在x射線束線中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統(tǒng)中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個(gè)物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個(gè)維度即可完成聚焦。系統(tǒng)可以將入射的X射線聚焦到納米級(jí)的光斑尺寸。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中構(gòu)建，并對(duì)焦場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。
建模任務(wù)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
焦面的電場(chǎng)與能量密度
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 用于X射線成像的單光柵干涉儀
展開(kāi) VirtualLab Fusion應(yīng)用：X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統(tǒng)。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過(guò)使用兩個(gè)物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入系統(tǒng)的X射線可以通過(guò)系統(tǒng)聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中進(jìn)行了建模和仿真，并計(jì)算了焦點(diǎn)位置的電場(chǎng)。
建模任務(wù)
系統(tǒng)參數(shù)來(lái)源于A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319.
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（1）
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（2）
分析設(shè)計(jì)橢圓反射鏡（3）
焦平面上的能量密度和電場(chǎng)
軟件界面
展開(kāi) 用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)在x射線束線中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統(tǒng)中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個(gè)物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個(gè)維度即可完成聚焦。系統(tǒng)可以將入射的X射線聚焦到納米級(jí)的光斑尺寸。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中構(gòu)建，并對(duì)焦場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。
建模任務(wù)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
橢圓鏡的解析設(shè)計(jì)
焦面的電場(chǎng)與能量密度
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 用于X射線成像的單光柵干涉儀
展開(kāi) VirtualLab Fusion應(yīng)用：用于X射線聚焦的復(fù)合折射透鏡
單透鏡對(duì)x射線的折射通常很小，但復(fù)合透鏡（由數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)排列成線性陣列的獨(dú)立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過(guò)透鏡的數(shù)量來(lái)控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據(jù)Snigirev等人的論文。[應(yīng)用光學(xué)，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過(guò)復(fù)合折射透鏡進(jìn)行一維和二維X射線聚焦。
建模任務(wù)
VirtualLab Fusion應(yīng)用：用于X射線聚焦的復(fù)合折射透鏡
摘要
單透鏡對(duì)x射線的折射通常很小，但復(fù)合透鏡（由數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)排列成線性陣列的獨(dú)立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過(guò)透鏡的數(shù)量來(lái)控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據(jù)Snigirev等人的論文。[應(yīng)用光學(xué)，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過(guò)復(fù)合折射透鏡進(jìn)行一維和二維X射線聚焦。
建模任務(wù)
系統(tǒng)構(gòu)建塊-組件
摘要-組件。。。
模擬結(jié)果
1D模擬：5柱面透鏡
1D模擬：10柱面透鏡
1D模擬：50柱面透鏡
2D模擬：5柱面透鏡
VirtualLab Fusion應(yīng)用：X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要
掠入射反射光學(xué)元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統(tǒng)。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過(guò)使用兩個(gè)物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入系統(tǒng)的X射線可以通過(guò)系統(tǒng)聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統(tǒng)在VirtualLab Fusion中進(jìn)行了建模和仿真，并計(jì)算了焦點(diǎn)位置的電場(chǎng)。
VirtualLab Fusion應(yīng)用：用于X射線聚焦的復(fù)合折射透鏡
摘要
單透鏡對(duì)x射線的折射通常很小，但復(fù)合透鏡（由數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)排列成線性陣列的獨(dú)立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過(guò)透鏡的數(shù)量來(lái)控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據(jù)Snigirev等人的論文。[應(yīng)用光學(xué)，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過(guò)復(fù)合折射透鏡進(jìn)行一維和二維X射線聚焦。
建模任務(wù)
系統(tǒng)構(gòu)建塊-組件
摘要-組件。。。
模擬結(jié)果
1D模擬：5柱面透鏡
1D模擬：10柱面透鏡
1D模擬：50柱面透鏡
2D模擬：5柱面透鏡
