本發(fā)明涉及顯微鏡領(lǐng)域，具體是一種用于ICF的掠入射KBA顯微鏡系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1896年X射線發(fā)現(xiàn)不久，人們就開始用X射線直接照射物體，采用接觸式輻射計量方法來獲得X射線圖像。然而，X射線成像和探測技術(shù)的進一步發(fā)展卻遇到了嚴重的障礙。其主要原因在于X射線波長很短，通常為幾個埃到幾百個埃比可見光波長短1～4個數(shù)量級。X射線在空氣中又強烈地被吸收，因此，找到合適于不同應(yīng)用領(lǐng)域的X射線源、成像元件和相應(yīng)的探測器件是很困難的。而且，X射線在光滑的表面上幾乎不反射，只有在掠入射的情況下才顯示出可用的反射率。掠入射X射線顯微鏡近些年來有很大發(fā)展，且日臻完善。ICF實驗研究的逐步深入及近些年研究人員將這種顯微鏡用于生物研究，也促使了X射線顯微鏡的發(fā)展，幾乎所有同步輻射線上都裝有掠入射X射線顯微鏡。發(fā)達國家已經(jīng)做到接近衍射極限分辨水平。他們主要靠提高表面面型精度及及降低表面粗糙度。Mori等采用了特種加工方法如彈性發(fā)射加工方法(elastic emission machining，EEM)和等離子體化學(xué)氣體加工方法(chemical vaporization machining，CVM)等，在能量為15keV處聚焦性能達到接近衍射極限水平。用于慣性約束的掠入射顯微鏡目前表面光潔度最好的已經(jīng)達到0.13nm，系統(tǒng)的最優(yōu)分辨率為3μm。由于ICF實驗研究的需要，美國羅切斯特大學(xué)(University of Rochester)為其OMEGA設(shè)備分別研制了兩套KB顯微鏡。一套KB顯微鏡與高電流PJX條紋相機耦合提高研究直接驅(qū)動流體力學(xué)穩(wěn)定性實驗的靈敏度和空間分辨率。他們采用4個鏡子鍍銥/鉻雙層膜的方法，掠入射角為2.1°。這個掠入射角是算出的使立體角和反射率最大的角度。這個系統(tǒng)能夠在120μm視場內(nèi)保持2μm的分辨率。采用超光滑表面，表面均方粗糙度達到0.13nm。另一套是由16對凹面鏡組成的產(chǎn)生16個像的KB顯微鏡。這個系統(tǒng)的最優(yōu)分辨率為3μm，在400μm視場內(nèi)的分辨率高于5μm。分幅照相機與KB顯微鏡連接，在1.5～7keV能量范圍，能夠拍攝限時X射線的照片。間隔1.5ns時間產(chǎn)生能夠產(chǎn)生16個X射線像。凹面鏡的基底采用熔石英，表面均方粗糙度為0.4nm。 從第一次采用非周期多層膜結(jié)構(gòu)來增大中子在全反射附近的反射光譜范圍以來，非周期多層膜被越來越多地用于掠入射情況以得到足夠穩(wěn)定的反射率。法國F.Bridou等研制了工作在100ev～10keV能量范圍的KBA顯微鏡。為了使系統(tǒng)能夠反射的立體角盡量大而又不降低反射率，四個反射鏡上的掠入射角為2°～3°，并采用鍍非周期膜的方法，滿足每個反射率大于7％的要求。在慣性約束聚變中，由于流體力學(xué)非穩(wěn)定性限制了點火計劃的實現(xiàn)，Ph.Troussel等研制了高分辨率類Wolter顯微鏡，它采用兩個環(huán)面反射鏡，在1～5keV能量范圍，視場半徑0.4mm，空間分辨率為4μm，表面粗糙度為0.3nm。

國內(nèi)的掠入射顯微鏡的研制起步于80年代中期。國內(nèi)中物院核物理與化學(xué)研究所和中科院長春光機所從1988年開始合作研制國內(nèi)第一臺Wolter X光顯微鏡，其間進行了多次激光打靶成象效率檢測實驗，但均未獲得較好的X光圖象。經(jīng)過七年努力，直到1995年10月該所研制的設(shè)備才在星光II小靶室現(xiàn)場考核實驗中獲得了反映一個成像系統(tǒng)最本質(zhì)特性的空間分辨率數(shù)據(jù)。這套Wolter X光顯微鏡的工作能量范圍為0.1keV～1keV，即顯微鏡的工作波長為1.24～12.4nm，掠入射角為1.2°，物距為230mm，放大倍率為15×，系統(tǒng)的最大集光立體角為1×10^-4sr，視場大于200μm，系統(tǒng)的分辨率達到5μm。

現(xiàn)有技術(shù)方案：目前多采用KB型顯微鏡，該結(jié)構(gòu)采用兩塊互相垂直的球面反射鏡組成。有一些實驗室采用了Wolter型顯微鏡，該結(jié)構(gòu)采用兩塊非球面反射鏡。

現(xiàn)有技術(shù)中的KB型顯微鏡由于采用兩塊互相垂直的球面反射鏡，彗差和視場傾斜都很大。Wolter型顯微鏡由于采用兩塊非球面反射鏡，加工成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于ICF的掠入射KBA顯微鏡系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種用于ICF的掠入射KBA顯微鏡系統(tǒng)，包括He-Ne激光器、組合鏡、主鏡、靶球和靶室，所述主鏡安裝在靶室內(nèi)，所述組合鏡包括第一聚光鏡、第二聚光鏡、第一反射鏡、分光鏡、第二反射鏡和對準(zhǔn)物鏡，所述第一聚光鏡設(shè)置在光纖和第二聚光鏡之間，第二聚 光鏡設(shè)置在第一聚光鏡和靶球之間，且光纖、第一聚光鏡、第二聚光鏡、靶球位于同一直線上，所述第一反射鏡靠近第二聚光鏡設(shè)置，所述分光鏡設(shè)置在第一反射鏡的下方，所述He-Ne激光器設(shè)置在分光鏡的前側(cè)且位于光纖末端的下方，所述第二反射鏡設(shè)置在分光鏡的下方，且第一反射鏡、分光鏡和第二反射鏡設(shè)置在一條直線上，所述對準(zhǔn)物鏡設(shè)置在靶球的后側(cè)，所述對準(zhǔn)物鏡的兩側(cè)分別設(shè)置有保護玻璃；所述主鏡包括第一主反射鏡和多個副反射鏡，所述第一主反射鏡后側(cè)依次設(shè)置有第五副反射鏡、第一副反射鏡、第二副反射鏡、第三副反射鏡、第四副反射鏡，所述第五副反射鏡上開設(shè)有一個完全透過X光的通孔，所述第一主反射鏡、第五副反射鏡、第一副反射鏡在一條直線上，所述第二副反射鏡、第三副反射鏡、第四副反射鏡在一條直線上，所述第一副反射鏡和第二副反射鏡之間設(shè)置有自由調(diào)節(jié)的夾角，所述第一主反射鏡的一側(cè)設(shè)置有顯微鏡。

作為本發(fā)明進一步的方案：所述第一聚光鏡的厚度為4mm，第二聚光鏡的厚度為20mm，第一聚光鏡與第二聚光鏡的距離為600mm。

作為本發(fā)明進一步的方案：所述第二聚光鏡與第一反射鏡的距離為10mm，第一反射鏡與分光鏡之間的距離為50mm，第二反射鏡與分光鏡之間的距離為35mm。

作為本發(fā)明進一步的方案：所述第一反射鏡與靶球之間的距離為400mm，緊靠靶球保護玻璃與靶球之間的距離為186～200mm。

作為本發(fā)明進一步的方案：所述第一反射鏡和第二反射鏡是半反半透鏡。

作為本發(fā)明再進一步的方案：所述第一副反射鏡和第二副反射鏡之間夾角大于90°。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用四塊互相垂直的球面反射鏡，可以減少彗差，減少視場傾斜，加工成本低、裝調(diào)簡單、實驗時間短、不引入額外誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的照明對準(zhǔn)光路結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明的照明對準(zhǔn)光路原理圖。

圖3為用于光路的向量計算示意圖。

圖4為用于向量計算的坐標(biāo)換算示意圖。

圖5為實驗所用靶標(biāo)的鎳網(wǎng)格的二維X光圖。

圖6為本發(fā)明系統(tǒng)在整個視場內(nèi)獲得的細小網(wǎng)格二維X光圖。

圖中：1-第一聚光鏡；2-第二聚光鏡；3-第一反射鏡；4-分光鏡；5-第二反射鏡；6-保護玻璃；7-對準(zhǔn)物鏡；8-He-Ne激光器；9-光纖；10-靶球；11-靶室；SG₁-第一主反射鏡；M₁-第一副反射鏡；M₂-第二副反射鏡；M₃-第三副反射鏡；M₄-第四副反射鏡；M₅-第五副反射鏡；MJ-顯微鏡。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1～3，本發(fā)明實施例中，一種用于ICF的掠入射KBA顯微鏡系統(tǒng)，包括He-Ne激光器8、組合鏡、主鏡、靶球10和靶室11，主鏡安裝在靶室11內(nèi)，組合鏡包括第一聚光鏡1、第二聚光鏡2、第一反射鏡3、分光鏡4、第二反射鏡5和對準(zhǔn)物鏡7，第一反射鏡3和第二反射鏡5是半反半透鏡，第一聚光鏡1設(shè)置在光纖9和第二聚光鏡2之間，第一聚光鏡1的厚度為4mm，第二聚光鏡2的厚度為20mm，第一聚光鏡1與第二聚光鏡2的距離為600mm，第二聚光鏡2設(shè)置在第一聚光鏡1和靶球10之間，且光纖9、第一聚光鏡1、第二聚光鏡2、靶球10位于同一直線上，第一反射鏡3靠近第二聚光鏡2設(shè)置，分光鏡4設(shè)置在第一反射鏡3的下方，第二聚光鏡2與第一反射鏡3的距離為10mm，第一反射鏡3與分光鏡4之間的距離為50mm，第二反射鏡5與分光鏡4之間的距離為35mm；He-Ne激光器8設(shè)置在分光鏡4的前側(cè)且位于光纖9末端的下方，第二反射鏡5設(shè)置在分光鏡4的下方，且第一反射鏡3、分光鏡4和第二反射鏡5設(shè)置在一條直線上，對準(zhǔn)物鏡7設(shè)置在靶球10的后側(cè)，對準(zhǔn)物鏡7的兩側(cè)分別設(shè)置有保護玻璃6，第一反射鏡3與靶球10之間的距離為400mm，緊靠靶球10的保護玻璃6與靶球10之間的距離為186mm。

主鏡包括第一主反射鏡SG₁和多個副反射鏡，第一主反射鏡SG₁后側(cè)依次設(shè)置有第五 副反射鏡M₅、第一副反射鏡M₁、第二副反射鏡M₂、第三副反射鏡M₃、第四副反射鏡M₄。

為了保證掠入射角的精度和防止雜光，在第一主反射鏡SG₁的前面24mm處安裝一個與偽軸垂直的反射鏡M₅，第五副反射鏡M₅上開設(shè)有一個完全透過X光的通孔。第一主反射鏡SG₁、第五副反射鏡M₅、第一副反射鏡M₁在一條直線上，第二副反射鏡M₂、第三副反射鏡M₃、第四副反射鏡M₄在一條直線上，第一副反射鏡M₁和第二副反射鏡M₂之間設(shè)置有自由調(diào)節(jié)的夾角，第一主反射鏡SG₁的一側(cè)設(shè)置有顯微鏡MJ。

當(dāng)照射靶球的He-Ne激光垂直入射到第五副反射鏡M₅上并能沿原路返回，經(jīng)過第一主反射鏡SG₁進入顯微鏡MJ，如果聚焦點處在顯微鏡MJ分劃板中心，則表明掠入射角是準(zhǔn)確的1.6°。根據(jù)聚焦點偏離分劃板中心的程度可以測量掠入射角的誤差，采用這套檢測裝置可以保證掠入射角的精度。

為了實現(xiàn)方便安裝和調(diào)整，使實際偽光軸旋轉(zhuǎn)8.7485°，這樣一來，兩個光軸就相互重合。從鹵素?zé)舭l(fā)出的光和從He-Ne激光器發(fā)出的光均重合在一起經(jīng)過第二反射鏡5，而后這兩束光一部分從反射鏡反射后沿原路返回，如果返回的光落到顯微鏡MJ分劃板的中心，表明對準(zhǔn)準(zhǔn)確，掠入射角的精度得到保證。另一部分光(主要是激光)進入主鏡系統(tǒng)成像，從鹵素?zé)舭l(fā)出的光透過第一反射鏡直接照射靶球，輔助透鏡對靶球成像，如果這個像與前面的He-Ne激光通過主鏡對靶球所成的像重合，則表明該系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)整好。

原理如下：在光線追跡的向量公式中有關(guān)的參量都用統(tǒng)一的直角坐標(biāo)系表示，X軸和光軸重合，坐標(biāo)原點和球面頂點重合，如圖4所示。在向量公式中，入射光線的幾何位置采用兩個向量表示：一個是表示光線上某一點p_b的位置向量P_b；另一個是沿光線進行方向的單位向量Q_b，p_b點一般為光線在球面上的投射點，每一個向量都用它們在三個坐標(biāo)軸上的分量來表示：

入射光線

公式中i_x，i_y，i_z分別為沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸方向的單位向量，由于Q_b是單位向量，因此它在坐標(biāo)軸上的分量α_b，β_b，γ_b就是它的三個方向余弦。對折射光線相應(yīng)的用P_b1、Q_b1兩個向量表示：

折射光線

光路計算中的向量公式就是在球面半徑r、折射率n和n′、球面間隔d_b已知的條件下，給出入射光線的坐標(biāo)P_b、Q_b后，求折射光線的坐標(biāo)P_b1、Q_b1。這個過程可以分為三個步驟：第一步，根據(jù)入射光線的位置和方向求出光線在折射球面上的投射點p₁；第二步，求出投射點處的法線方向；第三步，根據(jù)入射光線的方向和法線方向，利用折射定律求出折射光線的方向。終結(jié)公式如下：

a_b＝α_b(d_b-X_b)-β_bY_b-γ_bZ_b (1)

M_bX＝X_b-d_b+α_ba_b (2)

M_b²＝(X_b-d_b+α_ba_b)²+(Y_b+β_ba_b)²+(Z_b+γ_ba_b)² (3)

D_b＝a_b+Δ_b (5)

cosθ_p＝|α_b(1-X_b1c_b)-β_bY_b1c_b-γ_bZ_b1c_b| (7)

g_b＝n′cosθ′_p-ncosθ_p (9)

根據(jù)以上公式，可由P_b(X_b，Y_b，Z_b)、Q_b(α_b，β_b，γ_b)逐步運算求出P_b1(X_b1，Y_b1，Z_b1)、Q_b1(α_b1，β_b1，γ_b1)。連續(xù)應(yīng)用上面的公式，即可計算任意共軸球面系統(tǒng)中任意光線的光路。

KBA顯微鏡為掠入射非共軸X射線反射成像系統(tǒng)，而且四塊反射鏡是空間分布的，前兩塊反射鏡和后兩塊反射鏡之間并不是嚴格互相垂直的，而是要沿著光線的走向傾斜一個小角度，這給計算帶來相當(dāng)大的困難。上述共軸球面折射系統(tǒng)的向量公式經(jīng)過調(diào)整后可以用來對KBA顯微鏡進行光路計算，需要做如下的調(diào)整：

(1)用坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)解決不共軸問題。如圖5所示，對每塊反射鏡，計算折射光線前先把折射前的P_b點坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)到以反射鏡頂點為原點、Z軸分別與每塊反射鏡共軸的坐標(biāo)系下，即由XYZ坐標(biāo)系平移、旋轉(zhuǎn)到X′Y′Z′坐標(biāo)系。

(2)折射系統(tǒng)變成反射系統(tǒng)。KBA顯微鏡以掠入射角入射，為反射系統(tǒng)，所以不能把共軸球面系統(tǒng)的賦值方法直接用于KBA顯微鏡，需要進行修改。因為入射光線和反射光線所在的介質(zhì)是一樣的，都為空氣，但方向相反，所以n＝-n′＝1。

我們在工程物理研究院神光III裝置上進系統(tǒng)行的慣性約束聚變(ICF)的診斷實驗中，用設(shè)計的KBA X射線顯微鏡獲得了高分辨率的圖像，如圖4所示。實驗中所用的靶標(biāo)是周期為20μm，開口為20μm，線寬為6μm的鎳網(wǎng)格(沒鍍金膜)。圖6中的鎳網(wǎng)格清晰可見，表明KBA系統(tǒng)在整個視場內(nèi)都有較好的分辨率，否則就不能獲得細小網(wǎng)格較為清晰的二維X光圖像。

本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)點

1、KBA X射線顯微鏡系統(tǒng)是一個消像散的系統(tǒng)，但存在球差、慧差，在2mm視場的范圍內(nèi)分辨率可以達到5～7μm，4mm視場內(nèi)的分辨率優(yōu)于25～30μm，符合使用要求。

2、對組成KBA顯微鏡的反射鏡在掠入射條件下的焦距、成像特點及反射特性進行了研究，分析KBA顯微鏡結(jié)構(gòu)安排的合理性，根據(jù)KBA顯微鏡的結(jié)構(gòu)特點編寫光路計算程序

3、利用光路計算程序進行大量的光路計算，分析KBA顯微鏡的像散、像面傾斜、球差和慧差。分析的結(jié)果表明，KBA顯微鏡是一種消像散結(jié)構(gòu)，但隨著視場的增加，像面傾斜變得越來越嚴重。由于沒有校正像差的變數(shù)，KBA顯微鏡存在球差和慧差，但和KB結(jié)構(gòu)相比，像差大大減小。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。