專利名稱：孿生波帶片x射線干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X射線干涉儀，特別是一種孿生波帶片X射線干涉儀背景技術(shù)由于X射線波長(zhǎng)比可見光短得多，用它來進(jìn)行精密檢測(cè)時(shí)，在理論上分辨率要比可見光高2～4個(gè)量級(jí)。因此，利用X射線干涉技術(shù)可以進(jìn)行高分辨率干涉計(jì)量研究。
1965年，美國(guó)Cornell大學(xué)的U.Bonse和M.Hart研制成的第一臺(tái)X射線干涉儀，它是由三塊平行的單晶硅構(gòu)成的，基于晶體衍射原理，第一塊晶體用來作為分束器，第二塊晶體將這兩束X射線復(fù)合，由于X射線波長(zhǎng)比可見光的要短得多，它們形成的干涉條紋太密，以致不能用肉眼直接觀察，第三塊晶體則解決了這個(gè)難題，它將兩束X射線之間的夾角變得很小，幾乎平行，用底片記錄下條紋。這種干涉儀幾乎是等光程的，因此它成功地應(yīng)用于硬X射線相襯成像研究。這種干涉儀最大的缺點(diǎn)是需要三塊高質(zhì)量的晶體，不僅晶面方向要一致，而且三塊晶體要相互平行，無疑這給晶體生長(zhǎng)和加工帶來了困難。
2004年4月，中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所高鴻奕等人提出了簡(jiǎn)易X射線干涉儀(參見在先技術(shù)中國(guó)專利局專利申請(qǐng)?zhí)?00410017870.6)，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域能獲得廣泛的應(yīng)用，但這種干涉儀所使用的兩塊玻璃板需要高精度加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述在先技術(shù)中所存在的缺點(diǎn)，提出一種孿生波帶片X射線干涉儀，這種干涉儀只需兩塊市售波帶片，在生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)中能獲得廣泛的應(yīng)用。
波帶片是X射線光學(xué)中的重要成像元件。普通透鏡無法用來對(duì)X射線成像，X射線的折射率是一個(gè)小于但又極接近于1的常數(shù)，再加上一般材料對(duì)X射線的吸收很強(qiáng)，無法加工出可對(duì)X射線成像的透鏡，而X射線波帶片正好填補(bǔ)了這個(gè)空缺。
波帶片是一種特殊形式的衍射光學(xué)元件，可看成一個(gè)圓形光柵，其線密度沿徑向遞增。利用它效率較高的一級(jí)衍射，幾乎可以對(duì)所有波長(zhǎng)的輻射成像。最基本的波帶片是菲涅耳波帶片，它由一系列黑白相間的環(huán)帶組成。位相波帶片是全透明的，但在相鄰環(huán)帶內(nèi)引入π相移，其理論效率是菲涅耳波帶片的4倍。
事實(shí)上，菲涅耳波帶片的提出，距今已有100多年(1875年)。長(zhǎng)時(shí)間以來，它沒有得到應(yīng)有的重視。其原因(1)它的效率太低，入射到環(huán)帶板上的能量只有1/π2(～10％)，聚焦在一級(jí)焦點(diǎn)上；(2)成像背景太強(qiáng)，或信噪比太低。有1/4的入射光未被衍射，而在像平面上產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)背景；(3)具有很強(qiáng)的色散(f∝1/λ)；(4)制作工藝上的困難。
近幾年來，同步輻射加速器的建造、X射線激光器研制所取得的突破性進(jìn)展，為X射線光學(xué)研究提供了高亮度、高相干度的光源。特別是水窗X射線(2.36～4.50nm)，在觀察生物活細(xì)胞、細(xì)胞器的超微結(jié)構(gòu)，乃至其內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化上的重要應(yīng)用，重新喚起人們對(duì)X射線光學(xué)研究的興趣，從而促進(jìn)了波帶片的發(fā)展。精密加工技術(shù)發(fā)展，又使X射線波帶片的制作成為可能。
效率、分辨率、工作波長(zhǎng)和直徑是波帶片最基本的參數(shù)。鑒于現(xiàn)有X射線源的亮度較低，如何提高X射線波帶片的效率，一直是有待解決的問題。早在1888年，瑞利就提出位相波帶片的設(shè)想。10年以后，Wood又論證了這一波帶片的優(yōu)越性。結(jié)果表明，位相波帶片的理論效率為40％，是菲涅耳波帶片的4倍。1990年，Hisao Fijisaki又提出梯度折射率位相波帶片的設(shè)想，該波帶片同一帶上的點(diǎn)到焦點(diǎn)等光程，不同帶之間的程差為2mπ，m為整數(shù)。似乎我們可以這樣認(rèn)為，與普通透鏡類似，該波帶片同樣適用于費(fèi)馬原理，它的理論效率達(dá)100％。即使考慮到吸收，其效率也可達(dá)34％，是相同材料制成的位相波帶片的1.4倍。
分辨率的高低會(huì)直接影響波帶片成像質(zhì)量的好壞。X射線波帶片的一個(gè)重要應(yīng)用是“顯微”，它對(duì)分辨率的要求也更為突出。波帶片的分辨率由最小波帶寬度決定，其解析形式為Δ≈1.22(Δγ)min，加工精度的高低對(duì)成像波帶片的分辨率影響極大。在全息法、電子束制版法、離子束直寫及噴鍍法等波帶片制作中，以全息法和電子束制版法較為成熟，加工的最小波帶寬度已達(dá)50nm左右。應(yīng)用直徑極小的場(chǎng)致發(fā)射電子束對(duì)光刻膠(PMMA)曝光，這一寬度還可以減小。
材料對(duì)X射線的吸收隨波長(zhǎng)而變化，工作波長(zhǎng)決定了制作波帶片的材料。制作材料選擇不當(dāng)，就會(huì)大大降低波帶片的效率。工作波長(zhǎng)不匹配，還會(huì)給波帶片帶來色差，并有可能引入其它像差(如球差)等。直徑是波帶片的另一重要參數(shù)，它直接影響波帶片的空間分辨率。
除了成像、會(huì)聚光束外，還可利用波帶片的強(qiáng)色散，獲取單色X射線。一定帶寬的X射線入射到波帶片上，波長(zhǎng)不同，其焦點(diǎn)位置也不同。將孔徑適當(dāng)?shù)墓怅@置于波帶片的焦平面處，改變光闌在軸上的位置，即可選出所需波長(zhǎng)的X射線。
從以上討論我們可以看出，當(dāng)把兩塊結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同的波帶片略微錯(cuò)開疊加在一起時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)衍射焦點(diǎn)，這兩個(gè)焦點(diǎn)可視為兩個(gè)點(diǎn)源，它們發(fā)出的球面波重疊時(shí)，將產(chǎn)生干涉條紋，根據(jù)這個(gè)原理，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如下一種孿生波帶片X射線干涉儀，包括一X射線源，其特征是在該X射線源的X射線前進(jìn)方向上，放置兩中心略偏且貼近的第一波帶片和第二波帶片，在第一波帶片或第二波帶片的焦點(diǎn)后設(shè)有一放置待測(cè)樣品的樣品架，再后設(shè)置一探測(cè)干涉圖形的X射線探測(cè)器。
在X射線前進(jìn)方向上，放置中心略偏的兩塊波帶片，產(chǎn)生了波帶片的兩個(gè)焦點(diǎn)。在一個(gè)波帶片的焦點(diǎn)后置一待測(cè)樣品，由這兩個(gè)焦點(diǎn)發(fā)射的X射線將相交，并相互干涉，干涉圖形用X射線探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)。
所說的X射線源是一個(gè)同步輻射源，或者是一臺(tái)微聚焦的X射線管。
所說的兩塊X射線波帶片是市售的X射線波帶片。
所說的樣品是一個(gè)待測(cè)的生物體，或者其它材料。
所說的探測(cè)器是一個(gè)能接受和記錄X射線干涉條紋的裝置。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明采用兩塊結(jié)構(gòu)完全相同的X射線波帶片，即所謂的孿生波帶片，當(dāng)它們中心略微錯(cuò)開疊在一起時(shí)，經(jīng)軟X射線照射以后，將產(chǎn)生兩個(gè)錯(cuò)開的焦點(diǎn)，這兩個(gè)焦點(diǎn)可視為兩個(gè)新的X射線點(diǎn)源，它們將相交并產(chǎn)生條紋，但結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。
與在先技術(shù)相比本發(fā)明的孿生波帶片X射線干涉儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不要任何分束器和晶體，在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明孿生波帶片X射線干涉儀實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明的孿生波帶片X射線干涉儀實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)圖，由圖可見，本發(fā)明孿生波帶片X射線干涉儀，其結(jié)構(gòu)包括一X射線源1，是在該X射線源1的X射線前進(jìn)方向上，放置兩中心略偏且貼近的第一波帶片2和第二波帶片3)在第一波帶片2或第二波帶片3的焦點(diǎn)后設(shè)有一放置待測(cè)樣品4的樣品架，再后設(shè)置一探測(cè)干涉圖形的X射線探測(cè)器5。
所說的X射線源1，是一個(gè)同步輻射源，它的輸出波長(zhǎng)用單色器限定在X射線區(qū)域，為1.5左右。
所說的第一波帶片2和第二波帶片3，是一塊市售的X射線波帶片，直徑為5mm，焦距為60mm，波帶數(shù)N＝500，兩塊波帶片中心錯(cuò)開80μm。
所說的樣品4是一個(gè)位相物體，如老鼠的肝。
所說的探測(cè)器5是一個(gè)CCD接收器，信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)(圖中未示)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明的孿生波帶片X射線干涉儀的工作原理和基本過程如下
當(dāng)X射線入射到第一波帶片2和第二波帶片3以后，產(chǎn)生兩個(gè)焦點(diǎn)，即兩個(gè)X射線點(diǎn)源，其中一點(diǎn)源發(fā)出的光束經(jīng)待測(cè)樣品4形成含有待測(cè)樣品訊息的光束和另點(diǎn)源發(fā)出的光束相交產(chǎn)生干涉，干涉圖形被CCD探測(cè)器5接收，干涉條紋的距離取決于兩束X射線的交角，調(diào)整兩塊波帶片的中心偏角，可以改變干涉條紋的距離，當(dāng)兩塊波帶片的中心錯(cuò)位趨大時(shí)，可以獲得X射線全息圖。
權(quán)利要求
1.一種孿生波帶片X射線干涉儀，有一X射線源(1)，其特征是在該X射線源(1)的X射線前進(jìn)方向上，放置兩中心略偏且貼近的第一波帶片(2)和第二波帶片(3)，在第一波帶片(2)或第二波帶片(3)的焦點(diǎn)后設(shè)有一放置待測(cè)樣品(4)的樣品架，再后設(shè)置一探測(cè)干涉圖形的X射線探測(cè)器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孿生波帶片X射線干涉儀，其特征在于所述的X射線源(1)是一個(gè)同步輻射源，或者是一臺(tái)微聚焦的X射線管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孿生波帶片X射線干涉儀，其特征在于所述的波帶片是市售的X射線波帶片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孿生波帶片X射線干涉儀，其特征在于所述的待測(cè)樣品(4)是一個(gè)待測(cè)的生物體，或者其它材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孿生波帶片X射線干涉儀，其特征在于所述的探測(cè)器(5)是一個(gè)能接受和記錄X射線干涉條紋的裝置。
全文摘要
一種孿生波帶片X射線干涉儀，包括一X射線源，其特征是在該X射線源的X射線前進(jìn)方向上，放置兩中心略偏且貼近的第一波帶片和第二波帶片，在第一波帶片或第二波帶片的焦點(diǎn)后設(shè)有一放置待測(cè)樣品的樣品架，再后設(shè)置一探測(cè)干涉圖形的X射線探測(cè)器。本發(fā)明孿生波帶片X射線干涉儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不要任何分束器和晶體，在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N23/00GK1603737SQ200410067779
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月3日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 朱化鳳, 干慧菁, 李儒新, 徐至展 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所