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關注創建者:匿名 創建時間:2026-01-20

X射線聚焦的實例教程
高能光子(X射線)的使用已成為許多醫療和同步加速器應用的共同特點。與可見光譜中的光不同,X射線與大多數物質僅發生微弱的相互作用,這使得聚焦元件的設計比波長譜的其他部分更具挑戰性。下面我們展示了兩種解決此任務的方法,即使用復合透鏡和在掠入射下的橢圓反射鏡。使用建模和設計軟件VirtualLab Fusion對這些系統進行快速物理光學仿真,使我們能夠在焦距和測量光斑尺寸的基礎上研究它們的性能。
用于X射線聚焦的復合折射透鏡
復合折射透鏡由數十或數百個獨立的圓柱透鏡組成,用于一維或二維聚焦X射線場。
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射線場聚焦成一個納米尺度的光斑。在這個用例中,演示了這種 KB 反射鏡系統的建模和評價。
展開 消色差(achromatic)透鏡由具有不同色散能力的兩個透鏡組成,可將兩個不同波長的光聚焦到同一點,從而在一定波長范圍內達到消色差效果。
復消色差(apochromatic) 透鏡可以認為是消色差透鏡的改進版,色偏移曲線是三次方程,可將三個不同波長的光聚焦到一點,使消色差的波長范圍提升數倍,見圖1。
圖1:X射線復消色差聚焦原理: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/波長的X射線可同時聚焦于點F。
在可見光領域,消色差和復消色差透鏡存在已有百年之久。而在X射線領域,直到2022年世界上首個消色差透鏡才剛剛問世。本文報道了該研究團隊在消色差透鏡的工作基礎上,使用滿足特殊條件的菲涅爾波帶片 (FZP) 和復合折射透鏡 (CRL),成功研制的世界上首個X射線復消色差透鏡系統。實驗顯示,該復消色差透鏡在7 keV到12 keV的能量范圍內表現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,可以更廣泛地應用于折射和衍射透鏡的色差校正。
該研究開發的復消色差X射線透鏡系統由兩個相互獨立的光學元件組成:一個是雙光子聚合3D打印技術制造的復合折射透鏡,另一個是通過電子束光刻和金電鍍制造的菲涅爾波帶片,見圖2。
圖2. X射線復消色差透鏡的組成部分。a)3D打印的發散型CRL置于250納米厚的氮化硅膜上的光學顯微鏡圖像;b)復合折射透鏡和c)45度視角的波帶片的掃描電子顯微鏡圖像;d)復合折射透鏡(左下角)與火柴棒的對比。
展開 摘要
掠入射反射光學在x射線束線中得到了廣泛的應用,特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個維度即可完成聚焦。系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建,并對焦場進行了計算。
建模任務
橢圓鏡的解析設計
橢圓鏡的解析設計
橢圓鏡的解析設計
焦面的電場與能量密度
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
-用于X射線成像的單光柵干涉儀
展開 單透鏡對x射線的折射通常很小,但復合透鏡(由數十個或數百個排列成線性陣列的獨立柱面透鏡組成)可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過透鏡的數量來控制,即使用的透鏡越多,焦距越短。根據Snigirev等人的論文。[應用光學,1998,37(4):653-662],本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復合折射透鏡進行一維和二維X射線聚焦。
建模任務
摘要
掠入射反射光學在x射線束線中得到了廣泛的應用,特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個維度即可完成聚焦。系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建,并對焦場進行了計算。
建模任務
橢圓鏡的解析設計
橢圓鏡的解析設計
橢圓鏡的解析設計
焦面的電場與能量密度
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
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X射線成像已在醫學成像和工業檢查等領域有許多應用。一個常見的X射線成像設備的設計是基于泰伯效應——一種衍射效應,其中一個周期性的結構,如光柵,可在其背后一定距離產生該結構精確的像。
作為一個基于快速物理光學的軟件平臺,VirtualLab Fusion提供了合適的求解器來傳播光線,包括所有的衍射效應。關于VirtualLab Fusion在這一領域的能力的簡短演示,請看下面的例子:
用于X
摘要
X射線成像通常是基于Talbot效應,以及光柵的周期性自成像。按照N. Morimoto等人的工作,我們選擇了三種類型的相位光柵,有十字、棋盤和網狀圖案。這些光柵在一個單一的光柵干涉儀中被采用,被建模為僅有相位的傳輸函數(因為X射線的波長比光柵的最小特征尺寸小得多),并且在VirtualLab Fusion中測試它們的自成像。
建模任務
相位光柵
如果光柵結構的最小特征大于入射光波長的大約五倍
進入系統的X射線可以通過系統聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統在VirtualLab Fusion中進行了建模和仿真,并計算了焦點位置的電場。
進入系統的X射線可以通過系統聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統在VirtualLab Fusion中進行了建模和仿真,并計算了焦點位置的電場。
建模任務
系統參數來源于A.
[應用光學,1998,37(4):653-662],本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復合折射透鏡進行一維和二維X射線聚焦。
建模任務
[應用光學,1998,37(4):653-662],本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復合折射透鏡進行一維和二維X射線聚焦。
X射線成像技術是基于泰伯效應和光柵自成像。根據N. Morimoto 等人工作,我們選擇了三種典型的相位光柵,并分類利用它們在VirtualLab Fusion 中建模了單光柵干涉儀。通過傅里葉變換設置,我們可以計算其自成像,即相位光柵后面的衍射圖(建模為透射函數),并比較不同類型光柵的結果。
用于X射線成像的單光柵干涉儀
X射線束的掠入射聚焦鏡
Kirkpatrick-Baez 鏡將掠入射X射線場聚焦到一個納米級的點上。本用例展示了Kirkpatrick-Baez鏡的分析設計過程和焦點區域的衍射圖樣。
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在用于X射線的單光柵干涉儀中采用了三種類型的光柵(僅通過相位傳輸建模),并對所選光柵的自成像進行了研究。
用于X射線束的掠入射聚焦鏡8個月前
系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建,并對焦場進行了計算。