非共轴掠入射X射线显微镜参数的误差分析

　　1　引　言

　　最近20年来,为了满足X射线光刻,空间探测,高能物理,惯性约束聚变(ICF)等方面的需要,X射线成像技术得到迅速发展。由于普通的成像方法不适合于X射线波段,目前多采用掠入射反射成像和编码孔径成像方法,例如Wolter系统[1],KB[2]系统等。虽然X射线多层膜技术的迅速发展使正入射的X射线成像成为可能,但目前只在软X射线的长波波段获得实际应用[324]。

　　本课题组为中国工程物理研究院的激光等离子体国家重点实验室设计了一套由4个球面反射镜组成的非共轴掠入射X射线显微镜,也称为KBA型X射线显微镜[5]。通过对该显微镜的成像质量分析可以看出,该系统对加工及装配的尺寸精度要求很高[629],这势必增加了研制的难度,使得成本提高。因此,在保证KBA显微镜成像质量的前提下,合理地制定加工和装配公差,对于降低研制难度和成本是至关重要的。在传统的光学设计中,对于公差的确定往往是凭经验和采用类比法,但合理的公差取值对于设计者来说是很难把握的,要靠长期的经验积累,这样给出的加工公差,难以保证研制出高质量的设备。为了提高安全系数,往往给出比较严的公差,这种制定公差的盲目性所造成的直接结果是提高成本。

　　本文在对所设计的X射线显微镜进行像差分析的基础上,进一步研究系统参数的改变对成像质量的影响,在保证整体质量的前提下,合理的给出各个零部件的加工和装配公差。鉴于KBA显微镜系统结构的特殊性,一般的光学设计CAD软件难以适应,为此作者编写了适应于非共轴掠入射X射线成像系统的光线追迹程序。利用这个程序分析了系统各参数的变化对系统的高斯参数和成像质量的影响,在这里,首先用点列图(弥散盘)和调制传递函数MTF来评价X射线显微镜的质量降低程度。根据这些分析,给出了掠入射X射线显微镜加工及装配的精度要求。

　　2　掠入射X射线显微镜系统的参数变化对成像质量的影响

　　掠入射X射线显微镜由4块曲率半径相同的球面反射镜构成,如图1所示[5,8]。水平面入射的光线对前一组双反射镜来说是子午光线,对后一组双反射镜是弧矢光线;反之,垂直面入射的光线对前一组双反射镜来说是弧矢光线,对后一组双反射镜是子午光线。为了说明方便,下文统一把水平面称为子午面,垂直面称作弧矢面。为了减小反射镜的尺寸并使整体结构紧凑,该系统子午面的光阑和弧矢面的光阑是分离放置的,即子午面的光阑放在第二块反射镜上,弧矢面内的光阑放在第四块反射镜上。

　　文献[526]对该系统的像差和成像质量进行了分析,然而在实际加工和装配过程中,系统中各元件的参数和它们的相互位置肯定会存在误差,这些误差将使系统的成像质量降低。这种因加工和装配误差引起的质量降低是有限度的,超过这个限度是不允许的,因此,可以由允许的质量降低的限度来确定加工和装配公差。