金刚石复合折射透镜的设计及加工初探

复合折射透镜(compound refractive lens,CRL)因具有结构紧凑、焦距可调、准直方便等优点,被用作硬X射线自由电子激光(X-ray free electron laser,XFEL)装置的光束聚焦器件。面向XFEL光束高精度聚焦对高性能CRL的实际需求,从CRL的几何结构设计原理出发,分析了不同材料CRL的性能参数,证明了单晶金刚石材料是适用于XFEL光束聚焦的CRL优选材料。同时,考虑超硬金刚石材料的难加工特性以及低重频钛宝石飞秒激光不能实现大厚度材料高效加工的实际问题,探索了高重频光纤飞秒激光对大厚度单晶金刚石材料进行高效加工的可行性。研究结果表明,高重频飞秒激光精密加工技术是实现金刚石CRL制备的有效手段。

高重复频率飞秒激光高效加工硬X射线复合折射透镜

复合折射透镜(CRL)具有结构紧凑、焦距可调、准直方便等优点,是硬X射线自由电子激光(XFEL)光束聚焦的关键元件。目前,低能段X射线光束聚焦最常使用的金属铍(Be)材料CRL,由于抗热载性能差、力学强度低、散射严重等原因,不满足高能段X射线光束聚焦的实际应用需求。针对该问题,选择抗热载性能强、力学强度高、散射不严重的碳化硅(SiC)晶体材料作为基底,开展了抛物柱孔型SiC CRL的几何结构设计、飞秒激光加工、聚焦性能检测等三个方面的工作。研究结果表明:(1)在加工效率方面,高重复频率飞秒激光可实现抛物柱孔型SiC CRL的高效加工,由9个透镜单元组成的SiC CRL的加工耗时少于10 h;(2)在聚焦性能方面,利用高重复频率飞秒激光加工的抛物柱孔型SiC CRL,可将尺寸为170μm×55μm、能量为12 keV的硬X射线光束聚焦为170μm×10μm大小。

复合折射透镜的进展和应用

文章介绍了X射线复合折射透镜的工作原理,详细回顾了X射线复合折射透镜的发展历程,综述了近年来X射线复合折射透镜的研究成果及其主要应用领域.

BL17U短波长X射线聚焦方案优化

蛋白质数据库中超过80%的蛋白质都是用X射线衍射解出的结构,其中最常用的波长是0.097 2 nm。有研究表明短波长X射线可以减少晶体的辐射损伤,提高X射线衍射数据的质量,为了在上海同步辐射光源生物大分子线站BL17U上进一步研究短波长X射线测定蛋白质结构,需要先对其能区进行拓展。基于复合折射透镜(Compound Refractive Lens,CRL)聚焦X射线的原理,讨论了在BL17U上用其聚焦短波长X射线的可行性。通过引入接受率R这一物理量计算了单一结构不同曲率半径的CRL聚焦光子后的通量和通量密度,同时也计算了级联式紧密接触型CRL和级联式相间型CRL两种方式的聚焦的效果。在充分考虑聚焦效果、实验站布局等因素,提出在BL17U聚焦短波长X射线的最佳方案,用31片半径50μm的透镜理论上可以将25 keV的光子聚焦,得到的通量密度3.201 8×10^(14) s^(-1)·mm^(-2)。通过这些理论计算可以为BL17U研究短波长X射线测定蛋白质结构做前期准备。