灵巧调控光束—毛细管X射线透镜

封面解析：

毛细管X射线透镜是一种通过外全反射实现会聚或准直等功能的高通量光学器件，在其广泛应用中，毛细管X射线透镜共聚焦技术倍受关注。处在X射线光源和样品之间的毛细管会聚透镜以及处在样品与探测器之间的毛细管平行束透镜处于共聚焦状态，形成“共聚焦区”，探测器只能探测到来自“共聚焦区”中样品对应的X射线信号，通过该共聚焦技术可以对样品表面或内部进行一维、二维和三维无损X射线扫描分析。

封面文章| 孙天希; 毛细管X射线透镜技术及其应用[J].光学学报, 2022, 42 (11):11134002.

导读

《光学学报》于2022年42卷第11期推出“真空紫外与X射线光学”专题，北京师范大学孙天希教授特邀综述“毛细管X射线透镜技术及其应用”被选为本期内封面文章。

毛细管X射线透镜的工作原理是X射线全反射，它可以被设计成不同的形状以获得满足不同需求的各类高功率密度增益光束，如准平行束、微焦斑、环形束等。本文主要综述了近几年毛细管X射线透镜的设计、制备和应用情况，并对毛细管X射线透镜技术的进一步发展提出了展望。

1、研究背景

X射线是一种频率极高、波长极短、能量大的电磁波。自从 1895 年伦琴教授发现 X 射线以来，X 射线技术已经广泛应用于材料分析、无损检测、工业探伤、医学成像和治疗、药品分析、食品检测、安全检查、环境监测、物证检测、能源开发、宇宙天体研究等领域（如图1所示）。

图1 X射线在医疗（CT）和工业中的应用（残余应力无损检测）（图片来源于网络）

X射线科学与技术提高了人们认识物质的能力，在改善人们生活质量的科技创新中扮演着重要角色。

X射线光学器件在发展X射线技术过程中占有重要位置，它和X射线光源以及探测器一起构成发展X射线技术的三大基本硬件。在众多的X射线光学器件中，因为毛细管X射线透镜具有高品质、多功能、低成本等特点，所以毛细管X射线透镜技术备受关注。

毛细管X射线透镜可以调控来自各类X射线源（譬如实验室传统X射线光管、同位素X射线源、激光等离子X射线光源、同步辐射光源、自由电子X射线激光装置、星系中X射线源等）的X射线而获得各类高功率密度增益光束（譬如准平行束、微焦斑、环形束等），因此，它已被广泛应用在各类X射线技术中，在材料分析、无损检测、药品分析、食品检测、环境监测、物证检测、能源开发等领域发挥着重要作用。

2、毛细管X射线光学器件

毛细管X射线透镜工作原理是利用X射线在物质表面发生的外全反射来改变其传播方向，从而实现会聚或准直等调控功能。毛细管X射线透镜根据构成透镜的毛细管数量不同，可以分为单毛细管透镜和多毛细管透镜两种。

单毛细管X射线透镜是由一根毛细管构成，也正因为它是一根毛细管，所以，在其研制过程中，可以较好地控制毛细管的形状从而满足不同应用需求，其焦斑直经可以小于100纳米。多毛细管X射线透镜(又称“Kumakhov透镜”)由多根单毛细管组成。

多毛细管X射线透镜根据制作工艺不同，又可分为组装式多毛细管透镜和整体多毛细管透镜（如图2所示）。组装式多毛细管X射线透镜可以应用于需要大面积透镜的领域。整体多毛细管X射线透镜是通过一次整体拉制成形。它的优点是透镜中的子毛细管互相紧密粘接，且相互自支撑，这增大了该类透镜占空比，从而提高了Ｘ射线的传输效率。也正是因为上述优点，该类整体多毛细管X射线透镜可以做得很小巧，从而可以方便地应用到X射线分析技术中。

图2 组装式和整体多毛细管 X 射线透镜照片.

毛细管X射线透镜根据其调控性能不同，大体分为三种：会聚透镜、平行束透镜（又称“半透镜”）和微（slightly）会聚透镜。会聚透镜可以将发散X射线束会聚形成小焦斑（整体多毛细管X射线会聚透镜能够提供10微米量级的微焦斑，并且具有103量级的功率密度增益）。平行束透镜可以将发散X射线束调控为（准）平行光束（整体多毛细管平行束透镜的功率密度增益在10左右，发散度在毫弧度级别），或者反过来，将(准)平行X射线束会聚为小焦斑；微会聚透镜的性能介于会聚透镜和平行束透镜之间：和会聚透镜相比，微会聚透镜的焦斑直径较大；和平行束透镜相比，微会聚透镜的发散度较大。

毛细管X射线透镜已经被广泛应用于X射线荧光、X射线衍射、X射线成像、X射线吸收精细结构、小角X射线散射、X射线散射等技术中。另外，毛细管X射线透镜在医学成像检测和治疗、X射线光刻领域也有着独特的应用。另外，毛细管X射线透镜共聚焦技术（图3所示）更是得到了广大相关科研工作者高度关注，利用该共聚焦X射线技术可以对样品进行三维无损微区扫描分析。

图3 毛细管X射线透镜共聚焦技术示意图.

3、未来展望

毛细管X射线透镜虽然在诸多X射线技术中得到了广泛应用，但与其应有的广泛应用领域还有差距，譬如毛细管X射线透镜在医学、X射线光刻、极紫外光刻、安检、深空X射线成像探测、X射线通信、国防、核聚变等领域都具有重要应用价值。另外，毛细管透镜相关技术在中子聚焦、质子、电子和其他重离子调控聚束、储氢和氢能研究、光子晶体制备等领域具有重要的应用，国际上在相关领域已经发展地比较成熟，国内在相关领域的发展还有待进一步提高。

“真空紫外与X射线光学”专题介绍

真空紫外到X射线是电磁波谱中波长比较短的部分，包含真空紫外、远紫外、极紫外、软X射线和硬X射线。近年来，真空紫外与X射线光学有关的光源、光学元件、系统和探测器及其相关应用均得到了国内外该领域学者和研究团队的广泛关注。为了使广大读者和相关领域人员能够更加深入地了解该领域的重要研究成果及最新进展，进一步促进相关学科的交叉融合发展与学术交流。为此，在组稿专家王占山教授、王峰研究员、江怀东教授、黄秋实教授的积极邀请和组织下，《光学学报》编辑部于2022年42卷第11期精心组织了“真空紫外与X射线光学”专题，特邀请国内二十多位相关领域的专家和团队，结合该领域的代表性研究成果，撰写研究综述或者最新研究工作进展。本专题共收录25篇论文，其中特邀论文15篇，内容涵盖了光源、光学元件和系统、探测器、显微成像方法、大科学装置应用等方面的内容，希望能够借此专辑，给相关领域的广大研究人员提供有益参考，促进大家合作交流。专题链接如下：https://www.opticsjournal.net/Journal/gxxb/2022/42/11.cshtml