[发明专利]多抛物面共焦X射线聚焦结构及设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种X射线聚焦结构及其设计方法。

背景技术

近年来，随着地外X射线源探测的开展，空间X射线源的天文学研究蓬勃发展起来。对X射线天文望远镜的需求也日益增多。传统的透射式元件的波长有一定的下限：对于普通玻璃约为305nm；石英玻璃约为155nm；对于波长小于122nm的波段，只能使用反射光学。然而，许多材料对于波长小于122nm的正入射反射率很低，因此对于波长在3-100埃的X射线，只能使用掠入射光学系统。主流的X射线望远镜多采用反射式结构，它们由一个或多个反射表面构成，利用X射线的掠入射反射原理可以达到很高的反射效率。1963年10月15日发射升空的Wolter型X射线反射线望远镜是第一个使用的太空X射线望远镜。但Wolter型X射线望远镜的效率并不高，几十年来人们一直致力于提高X射线的集光效率。本发明提供给了一种多层抛物面X射线聚焦结构及其设计方法，其可以应用在X射线天文学望远镜中，充当X射线透镜，也可以应用在工业生产中用作X射线收集装置或X射线照射装置。

发明内容

本发明设计了一种由多个抛物反射面构成的X射线聚焦结构，如图1所示。这种结构由反射工作面(1)和中心遮拦(2)构成，反射工作面(1)由多个抛物线段回转而成，它们的焦点为同一点。每层抛物面由所取的抛物线的一段围绕中心轴旋转而成，并且在每个抛物面的内表面也就是反射工作表面镀多层X射线高反射膜层，使得反射工作面对于X射线的反射效率提高。当X射线以平行于聚焦装置结构轴线的方向入射时，以不大于某一规定的掠入射角入射到每个反射表面，将使得X射线以较高的反射率反射向它们的共焦焦点处。并且由于使用了独特的设计方法设计每个抛物反射面之间环带宽度和抛物反射面的大小，可以最大限度的收集入射到有效口径以内的平行X射线。同时由于设置了中心遮拦(2)，可以保证在有效口径内对于以平行光入射的X射线不会产生不经过反射表面反射直接达到聚焦结构后方的杂散射线。

本发明方法能够解决的主要技术问题及其积极效果是：通过使用本发明所提供结构形式及设计方法所制作的X射线聚焦装置能够有效提高软X射线的反射效率，保证所有平行入射的X射线都聚焦到焦点处，并且无不经过反射工作面反射直接入射到焦平面的杂散X射线。

附图说明

图1总体外形图

图2抛物线构成示意图

附图符号说明：1-反射工作面、2-中心遮拦

具体实施方式

本发明设计了一种由多个抛物反射面构成的X射线聚焦结构及其设计方法。该结构的剖面结构如图2所示，图2中每层抛物面由每条抛物线的一段围绕轴线旋转而成。每层抛物线的具体作法如下：根据用户使用要求给出相应口径D和焦距f。设建立坐标系使抛物线的焦点位于原点处，在距离y坐标轴距离为f处建立一条平行y标轴的直线H。根据口径D和焦距f可以确定最外层抛物线上的B₀点(f，D/2)，便可以确定最外层抛物线S₀的形式y²＝2p₀x+p₀²，其中(p₀＞0)。对抛物S₀方程y²＝2p₀x+p₀²两边分别对x、y求导得到式tanα＝dy/dx＝p/y，tanα为抛物线的斜率，α即为X射线的掠入射角。针对所使用镀膜材料对于不同的中心波长的X射线谱段的反射率系数和用户所能接受的反射率最低阈值要求，可以提出合理的掠入射角范围。例如针对中心波长13.5nm的软X射线，最低反射率阈值为65％，其X射线的最大掠入射角度α可以达到33.4°。当确定掠入射角α的范围后，可根据最大掠入射角度α求出抛物线S₀的后边缘截止点A₀，点B₀与点A₀点之间为抛物线S₀的有效线段。过A₀做平行于x轴的直线L₀，直线L₀与平行于y坐标轴的直线H相交于点B₁，点B₁为第二条抛物线S₁的前边缘起始点。因为抛物线S₁的焦点也在原点处，因此可以确定第二条抛物线S₁的方程y²＝2p₁x+p₁²，其中p₁＞0并由B₁的坐标解出。连接抛物线S₀上的点A₀与抛物线焦点即原点(0，0)，做第一斜线G₀。第一斜线G₀与抛物线S₁相交于A₁点，则A₁便为抛物线S₁的后截止点。点B₁与点A₁点之间为抛物线S₁的反射面工作线段，之后过A₁点做平行于x轴的直线L₁。L₁交直线H于B₂点，B₂点作为第三条抛物线S₂的起始点和焦点(0，0)点共同确定第三条抛物线S₂的方程y²＝2p₂x+p₂²。连接第二条抛物线S₁的起始点B₁与原点(0，0)点做第二斜线G₁，并且同样的第二斜线G₁与第三条抛物线S₂相交于点A₂。由点A₂与点B₂之间的抛物线S₂的线段为反射面工作线段。同理，可以做出抛物线S₃、S₄等的反射工作线段。并将所取的反射工作线段绕轴线x轴回转形成所需要的回转体。但通常在中心口径附近存在一个抛物反射面无法达到的区域，此区域受限于一定口径与焦距之比。同时也受限于所期望制作抛物面的个数。为了防止软X射线不经过反射直接通过该装置，可以在中心区域设置一中心遮拦板2。中心遮拦板2的口径半径大小与最内侧抛物线S_n的后边缘截至点A_n的纵坐标d_n大小相等，位置设置在直线H所在的截平面内。通过此种方式建立起来的回转体装置可以保证有效口径内所有平行轴线入射的X射线全部经过反射工作表面以较高的反射率反射到焦点处，同时没有透射的杂散射线照射焦平面处。