用于X射线微米、亚微米聚焦的非球面镜弹性压弯机理及关键技术研究

X-ray probe at the nano- and microscale is of great interest for researchs in environmental, materials, life sciences by various X-ray microscopy methods, such as XRF, XAFS, XRD, STXM, X-ray CT. The spatial resolution and efficiency are the key parameters for X-ray probe. Achromatic, high efficiency, high spatial resolutions limit and non-extreme manufacturing requirements are the most attractive features of aspherical bent mirrors for x-ray focusing. This project is mainly to study the theory of aspherical bent mirror and the key technologys of flexural hinge-based bending mechanism for X-ray focusing. The key technologys are consist of the design optimization of width-variable mirror, flexural hinge-based bender, incident angle adjustment module, control system and coupling technology. The key technologys are suitably to promote the dmomestic development of X-ray optics and to meet the requirements of x-ray beamlines of synchrotron radiation and free electron laser.

X射线微、纳探针可用于XRF、XAFS、XRD、STXM、X扫描CT等多种实验，是环境、材料、生命科学等诸多领域开展研究的重要手段。空间分辨率和聚焦效率是X射线探针最关键的技术指标。压弯非球面镜具备高聚焦效率、可实现高空间分辨、加工难度较低、消色散等优点。本课题主要研究压弯变宽度镜体实现非球面形的理论，并提出采用高精度柔性铰链压弯机构系统实现X射线微纳尺度聚焦的技术方案。主要内容包括变宽度镜体的优化设计、精密柔性铰链压弯机构设计、掠入射角精密调节、控制系统设计、模块耦合技术等。本课题可以实现X射线微纳聚焦的关键技术，满足同步辐射和自由电子激光光束线的发展需要，推动国内X射线聚焦光学的发展。

X射线微米、纳米探针可以开展XRF、XAFS、XRD、STXM、X射线扫描CT等多种实验，是环境、材料、生命科学等诸多领域开展研究的重要手段。空间分辨率和聚焦效率是X射线探针最关键的技术指标。采用弹性压弯的非球面镜具备高聚焦效率、可实现高空间分辨、加工难度较低、光学参数可调、消色散等优点。. 本项目主要研究弹性压弯变宽度镜体建立非球面形聚焦的精确理论模型，设计高精度柔性铰链动态压弯机构和变宽度镜体，实现硬X射线在微米和亚微米尺度聚焦的技术方案。. 主要研究成果有以下几个方面：. 1. 通过系统性的研究了弹性压弯非球面镜的精确理论，提出并推导了复杂姿态下自重补偿理论；首次提出了重力静态非球面镜压弯理论；提出通过有限元分析和迭代优化的方法，优化镜体宽度消除压弯镜系统中非线性效应。. 2. 通过理论分析结果结合上海光源微聚焦及应用光束线站完成了椭圆柱面K-B镜体的设计和加工；研制了基于柔性铰链机构的等力矩压弯机构样机，并开展有限元分析模拟和优化。. 3. 完成等力矩压弯聚焦系统的离线和在线检测方案设计，并开展检测工作。. 4. 本项目共发表文章6篇，其中SCI论文4篇，国际会议1篇，专利4项。培养研究生5名。. 本项目在同步辐射X光微纳压弯聚焦领域形成了从理论设计、工程模拟分析、到验证机构研制和检测完整的科研创新链条，自主掌握实现 X 射线微米、亚微米压弯聚焦的关键技术，对于减少对国外技术的依赖， 满足第三代同步辐射和自由电子激光等对X 射线微米、纳米聚焦光学系统的需求具有重要意义。通过本项目研究已经能够实验微米、亚微米K-B镜聚焦系统的商品化。