KBAX射线显微镜装调方法研究

　　由于常规的成像方法难以适应X射线波段,目前多采用掠入射反射成像和编码孔径成像技术[1-2]。虽然多层膜技术的发展使得正入射的X射线显微镜和望远镜走向实用化,但目前仅限于软X射线[3-4]的长波区域,对于软X射线的短波波段,其反射率还没有达到实用水平。

　　由于X射线光刻、高能物理[5-6]以及激光引爆惯性约束聚变(ICF)的过程诊断等的需求[7],X射线成像技术迅速发展,KB(Kirkpatrich-Baez)型显微镜重新引起人们的重视。法国的R.Saunenf[8-9]等人在1997年研制成KBA型(“KB amélioré”,即改进的KB型)X射线显微镜。这种显微镜采用两组互相平行的球面反射镜。前一组反射镜和后一组反射镜并不是严格的垂直,而是沿着光线的走向倾斜一定的角度。

　　我们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 X射线显微镜[8]。掠入射KBA X射线显微镜为非共轴、掠入射软X射线成像系统,它的集光立体角很小,像质又要求非常高,这使得4个反射镜的安装位置要求相当严格。通常的位置或角度计量工具,在空间受限的条件下,很难达到这么高的精度。因此本文针对KBA系统结构的特殊性,采用了可行而又精度高的装调方法,保证了KBA的成像质量。目前掠入射反射成像成为X光成像中的研究热点之一,有很多学者正在致力于非共轴掠入射显微镜的研制,本文中阐述的这些装调方法可以作为其他非共轴掠入射显微镜研制的参考[10-11]。

　　1　系统结构参数及公差

　　KBA型X射线显微镜结构如图1所示。该系统由4块曲率半径相同的球面反射镜构成。前两块反射镜M1和M2以一定的夹角构成一组双反射镜,将水平面的X射线汇聚成一条竖直的线;后两块反射镜M3和M4又以一定的夹角构成另一组双反射镜,再将竖直的线汇聚成一点像。A点为物点,A′点为像点,折线AQ1Q2Q3Q4A′定义为系统的伪轴,Q1,Q2,Q3,Q4分别为每块反射镜的顶点。水平面是AQ1Q2构成的平面,垂直面是Q3Q4A′构成的平面。

　　考虑到镜面的加工和使用单位的实际要求,设计出来的KBA显微镜系统参数如下:物距lwd=AQ1=220 mm,θ1=θ2=1.6°,θ3=θ4=1.9°,半径R=29 000mm,Q1Q2=27 mm,Q2Q3=29 mm,Q3Q4=25 mm,集光立体角ωa=4×10-6sr。这些系统参数的误差都会对成像质量有影响。下面我们根据允许的成像质量降低程度,确定出这些参数的合理加工和装配公差。

　　由于该显微镜的结构是非共轴和非对称的,它的点列图在有效视场内基本呈三角形分布,能量大部分集中在顶角上,如图2所示。在计算弥散直径时,把能量的80%所在区域的尺寸作为有效弥散直径,Dt表示子午有效弥散直径,Ds表示弧矢有效弥散直径。这样一来,经过计算得到:伪轴上点目标在像方的有效弥散直径Dt=18.45μm,Ds=16.35μm,像方1 mm视场的有效弥散直径Dt优于32μm,Ds优于20μm,像方2 mm视场的有效弥散直径Dt小于50μm,Ds小于35μm。考虑倍率关系,对应的物方弥散直径为像方的1/8,其值分别为:2.3μm,2.0μm;4.0μm,2.5μm;6.3μm,4.5μm。很显然,这些值是满足使用要求的。为了考察系统成像的整体质量,计算该显微镜的调制传递函数MTF(modulation transferfunction),采用的物方空间频率分别是165 lp/mm和100 lp/mm(这两个频率分别相当于6μm和10μm的分辨率)。图像在通过伪轴上像点A′且垂直于伪轴的平面(Q4A′=1 786.72 mm)上接收,即图1中的x′y′平面。