微焦单毛细管聚光镜的传输特性及其提高X射线成像质量的研究

The high resolution X-ray microscope is a powerful tool to study relevant aspects of micron, nanometer scale space resolution and is widely used in Environmental Science, life science and material science etc.. As a focusing optics, monocapillary is a condenser in imaging device. This application aims to carry out the experimental study of various monocapillary, and obtains the quantitative relationship between focusing spot brightness of monocapillary and two-dimensional image resolution of X-ray microscope, and obtains the quantitative relationship between two-dimensional image resolution and image contrast of X-ray microscope in different sizes field of view. Through the study of different focus-depth of various monocapillary, quantitative relationship between focus-depth size and 3D image resolution is obtained. Through the study of the effect mechanism of pulling force and temperature on the capillary inner surface roughness, we develop the best quality monocapillary condenser , to improve the overall performance of imaging device.

高分辨全场X射线显微镜是研究微米、纳米尺度空间分辨相关问题的强大工具，广泛应用于环境科学、生命科学和材料科学等领域。微焦单毛细管作为一种聚焦光学元件，在成像装置中起到聚光镜的作用。本申请拟通过开展各种微焦单毛细管的实验研究，得到微焦毛细管聚焦光子密度和X射线显微镜的二维成像分辨率的定量关系以及不同尺寸视场的X射线显微镜的二维成像分辨率和图像对比度的定量关系；通过研制不同形式的微焦单毛细管形成不同尺寸的焦深，实验得到焦深尺寸和三维成像分辨率的关系；通过研究不同形状微焦单单毛细管聚光镜的性能对X射线显微镜成像质量的影响，研制出最适合作为高分辨全场X射线显微镜聚光镜的单毛细管光学元件，并探究温度和拉力因素对毛细管内表面粗糙度的影响机理，研制出具有最优性能的单毛细管聚光镜，以提高成像装置的整体性能。

X 射线显微镜是人们观察微观世界的一个重要工具。微焦单毛细管是X射线显微镜的一个核心部件，起到了聚光镜的作用。由于单毛细管是美国Xradia公司的核心技术之一，处于绝对的垄断地位，所以Xradia公司提供给中国的椭球管价格昂贵。本项目根据国内需求，针对高分辨率X 射线显微镜主要研究了微焦单毛细管光学元件及其对X 射线成像质量的影响。. 本项目主要研究的微焦单毛细包括椭球形微焦单毛细管、锥形微焦单毛细管以及圆柱形微焦单毛细管。通过对多种形式的微焦单毛细管输出的光子密度、光强分布及焦深等因素影响X 射线显微镜成像质量的机理研究，研制出更符合理想照明条件的微焦单毛细管聚光镜;并深入探究温度和拉力因素对毛细管内表面粗糙度的影响机理，研制出了具有最优性能的单毛细管聚光镜，以提高成像装置的整体性能。经过反复实验和模拟计算得到300 μm面光源条件下椭球管最佳光强增益条件：椭球管参数半长轴250 mm，半短轴0.5 mm，管长200 mm，会聚光斑40 μm，光阑尺寸100 μm时增益为175倍。整理以上研究内容正式发表三篇科技论文，一个发明专利和两个实用新型。本项目为促进国内毛细管技术的飞跃，打破美国在X 射线显微镜的垄断，为产生具有自主知识产权的高分辨率X 射线显微镜和创新成果打好基础。