劳厄弯晶光学特性的光线追迹研究
随着第三代同步辐射装置的广泛应用,X射线光源的特性得到了极大改善,可以提供均匀、连续、高相干性、高通量的X射线,为新的X射线成像方法的诞生、发展及应用创造了条件.而在得到大光斑尺寸、高通量密度和宽能量调谐范围的X射线的同时,高热负载就成为单色器设计中需要解决的关键问题.现在广泛使用的双平晶单色器常用水冷或者液氮冷却,但总功率达到一定程度时这两种方法都很难取得好的热负载缓释效果.
由于劳厄弯晶单色器有两大优势:1)由于使用透射模式,并且采用厚度很薄的晶体和高能量,致使大部分X射线经过反射直接透过晶体而未被吸收,有利于降低晶体上的热负载;2)透射模式下由于衍射面的弯曲,增加了反射率宽度,提高了光通量(特别在高能范围内).因此劳厄弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30keV以上)聚焦、准直和单色化的最有效光学元件.研究其光学特性,对发展高性能、高稳定的劳厄弯晶单色器具有重要意义.
对单色器的设计优化,模拟追迹软件发挥了很重要的作用.如我们常用的SHADOW追迹软件,以及可用于计算反射率的PEPO、Reflect等程序.但对于劳厄弯晶的衍射过程及衍射光的衍射方向、能量色散等方面的追迹并不适用.所以目前没有可用于劳厄弯晶光学特性分析的光线追迹软件,这给劳厄弯晶单色器的设计带来了很多不便.本文基于几何衍射的晶层模型,建立了一套适用于劳厄弯晶的光线追迹模拟平台,在验证了程序的正确性后利用其对劳厄弯晶光学特性进行了较为系统的研究.论文研究取得了以下几方面的创新性成果:
1、基于X射线几何衍射的晶层模型,编写了用于柱面弯曲劳厄晶体的光线追迹程序.程序主体用C语言编写,在VC++环境下运行.通过该光线追迹程序,可以得到衍射光的光路(即任意位置处光斑的大小和空间分布)以及衍射光能量带宽.
2、利用该光线追迹程序分别对衍射光方向和能量带宽两方面不同的项目进行追迹,通过模拟结果与理论计算和实验结果的对比,显示两者有很好的一致性,从而验证了程序在追迹衍射光衍射方向变化和能量变化方面的正确性.研究表明该程序可以用于劳厄弯晶光学特性的研究及相关设计和优化.
3、采用自行发展的光线追迹程序较为系统地研究了劳厄弯晶的聚焦特性,分析了入射光性质及弯晶参数对聚焦光斑、焦距、发散度等主要光学参数的影响.通过研究追迹结果结合考虑实际使用需要及加工精度,得到弯晶各参数的合理选择范围.
4、采用自行发展的光线追迹程序研究了劳厄弯晶的色散特性,得到衍射能量随光斑的分布规律,并推导了经弯晶分光形成的双光束中心能量及带宽的一般公式.
- 作者：
- 陈灿
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 粒子物理与原子核物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 肖体乔
- 关键词：
- X射线光学；劳厄弯晶；光线追迹；透射模式；聚焦特性
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