龍蝦眼型聚焦光學元件性能測試方法2023-12-28發布國家標準化管理委員會GB/T43530—2023前言 I 2規范性引用文件 3術語和定義 4測試裝置 4.1測試原理及示意圖 24.2主要參數 4.3安全防護 35測試條件 36樣品 7測試方法 7.1X射線焦距 7.2十字臂垂直度 7.3點擴散函數均勻性 97.4角分辨率 97.5有效面積 7.6有效面積均勻性 7.7半能寬 8測試報告 附錄A(資料性)測試報告記錄表 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國科學院提出。本文件由全國光電測量標準化技術委員會(SAC/TC487)歸口。本文件起草單位：北方夜視技術股份有限公司、中國科學院國家天文臺、中國計量大學、北方夜視科技(南京)研究院有限公司、長春理工大學、中國科學院空天信息創新研究院。本文件主要起草人：黎龍輝、張臣、張淑琴、金戈、郭燕、付躍剛、賈振卿、李婧雯、張正君、王璞、1龍蝦眼型聚焦光學元件性能測試方法1范圍本文件描述了龍蝦眼型聚焦光學元件的X射線焦距、十字臂垂直度、點擴散函數均勻性、角分辨本文件適用于空間天文、醫療成像、海關檢測、物質分析等X射線聚焦成像領域使用的龍蝦眼型聚焦光學元件的性能測試。其他用途的龍蝦眼型聚焦光學元件參照使用。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T1185—2006光學零件表面疵病GB50073潔凈廠房設計規范GBZ117—2022工業探傷放射防護標準3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。龍蝦眼型聚焦光學元件lobstereyemicroporeoptics;MPO基于掠入射反射原理對X射線進行會聚，由龍蝦眼復眼式微小方形微通道構成的球面光學元件。像距imagedistanceX射線聚焦圖像中心位置與MPO凹面球心之間的距離。X射線光源與MPO凸面球心之間的距離。十字臂垂直度perpendicularityofcrossline聚焦十字線橫線和豎線的夾角。點擴散函數均勻性uniformityofthepointspreadfunction在焦距位置處，點擴散函數擬合為橢圓，橢圓長軸減去短軸的差值與橢圓長軸的比值。有效面積effectiveareaMPO幾何面積與光子傳輸效率的乘積。2X射線焦距X-rayfocallength平行X射線入射時，MPO球面凹面頂點與會聚光斑面積最小處的幾何距離。中心焦斑centerspot對在焦距位置處會聚的光斑做等高線圖，最大強度10%等高線對應的光斑圖像。以中心焦斑重心為圓心做圓，圓內積分光強等于總光強一半時對應的直徑與焦距的比值。4測試裝置4.1測試原理及示意圖X射線光源發出的光線經過MPO樣品改變光線的傳播方向，聚焦形成清晰的十字焦斑，最終被放置在曲率半徑約1/2處的X射線探測器探測。MPO性能測試裝置由X射線探測器、帶有自準直功能的經緯儀、半反半透鏡和X射線光源組成，見圖1。2——MPO樣品的厚度；3——物距；7——經緯儀；圖1MPO性能測試裝置示意圖MPO性能測試裝置的X射線光源主要技術參數應滿足下列條件：a)X射線光源工作電壓不高于20kV;b)X射線光源工作電流不高于2mA;c)X射線光源焦斑直徑不大于0.05mm;d)X射線流強的穩定性為0%～5%;3e)X射線光源功率范圍為0W～50W。MPO性能測試裝置的X射線探測器主要技術參數應滿足下列條件：a)X射線探測器的單像素尺寸不小于0.04mm;b)X射線探測器的工作溫度為一30℃~-10℃;c)X射線能量分辨率為0eV(5.9keV)～200eV(5.9keV)。MPO性能測試裝置的工作距離主要技術參數應滿足下列條件：a)X射線光源到MPO樣品的物距不小于13m;b)經緯儀到光軸的垂直距離不小于0.5m。使用MPO性能測試裝置測試時，MPO性能測試裝置應在檢定有效期內。當滿足測試環境基本要可行時，在空氣懸浮粒子濃度受控的潔凈室(房間或限定空間)內進行測試，且靜態潔凈度等級宜優于8級。靜態潔凈度等級8級應符合GB50073的要求。4.3安全防護按照GBZ117—2022及下列要求做好安全防護。a)在測試場所應設置電離輻射警告標識和警示說明。b)進入測試場所時應佩戴個人劑量計和個人劑量報警儀。c)在每一次測試前，應確保測試裝置的防護門處于關閉狀態。只有在防護門關閉、所有防護與安全裝置系統都啟動并正常運行的情況下，才能開始MPO性能測試工作。5測試條件測試環境應滿足以下基本要求。a)標準大氣條件：b)測試腔體的氣壓應不高于1×10-2Pa。c)不應有影響測試結果的振動。6樣品按GB/T1185—2006中6.2規定的可見法疵病試驗方法和6.3規定的破邊試驗方法，使用10倍放大鏡或顯微鏡觀測MPO樣品端面，不應有擦痕、疵點、裂紋和破邊。MPO樣品應存放在干燥、潔凈的密閉環境中，可充入保護性氣體(如氮氣等)。MPO樣品應輕拿、若MPO樣品需要暴露在大氣環境中存放，應采取適宜的保護措施(如使用防護罩、保護性氣體7測試方法7.1X射線焦距主要參數如下：4a)測試電壓U宜為1kV～4kV(U最高不應超過10kV);b)測試電流I宜為0.02mA～0.5mA(I最高不應超過1mA);c)單次采集時間t宜為100ms～500ms(t最高不應超過1000ms);d)采集累計幀數N宜不小于100幀；e)累計時間T宜為5min～10min。主要步驟如下。a)將MPO樣品安裝在位移臺上。b)測量X射線光源到MPO樣品外球面頂點之間的幾何距離L。c)校準光軸，使MPO樣品、X射線光源和X射線探測器三者中心同軸：1)將半反半透鏡放置在管道中心位置處的水平位移臺上；2)將管道中心尺沿管道內的標準軌道移動，通過經緯儀觀測管道中心尺中心位置基本不變，偏差宜在距離中心位置1mm內；3)同時使經緯儀經半反半透鏡前表面自準直像與分化板中心重合；4)通過經緯儀觀測X射線光源中心位置處于管道標志中心處，保持經緯儀的方向、位置不動，見圖2;1——半反半透鏡；2——管道中心尺；3——X射線光源；4——經緯儀；5——水平位移臺。圖2光路基準軸示意圖5)將MPO樣品移入半反半透鏡與X射線光源之間，并使凹面朝向半反半透鏡；6)調節位移臺使MPO樣品中心與探測器中心基本平齊，偏差宜在2mm內，探測器為放置在距離MPO樣品曲率半徑1/2處，偏差應在5mm內；7)X射線光源和X射線探測器的軸線大致通過MPO樣品中心，偏差應在5mm內，見圖3;5標引序號說明：1——管道中心尺；2—-X射線探測器；3——經緯儀；4——MPO樣品；5——半反半透鏡。圖3光路調節原理圖8)開啟經緯儀發出指示標志，經MPO樣品球形凹面將經緯儀指示光線反射在X射線探測器上，通過調節X射線探測器的位置，使其中心基本對準經緯儀的指示標志中心處，偏差應在1mm內，見圖4;標引序號說明：1——X射線探測器；2——經緯儀；3—--MPO樣品；4——半反半透鏡。圖4MPO會聚指示光線原理圖9)調節位移臺將半反半透鏡移開光軸，開啟真空系統，設置測試參數，打開X射線光源，通6過MPO樣品進行光線會聚；10)調節MPO樣品的俯仰和偏擺角度，觀察X射線探測器上的會聚光斑，使其移動到探測11)X射線探測器、MPO樣品和X射線光源三者光軸校準結束。d)調節MPO樣品與探測器的不同像距f;,采集MPO樣品在不同像距f;處對應的成像矩e)以MPO樣品曲率半徑1/2處為中心，像距調節范圍宜在10mm內，每次步徑間隔宜設定為0.5mm。f)每次測量結束后，關閉光源，采集不同像距f;位置處對應的背景噪聲矩陣Bkg;。g)成像矩陣Img;最大積分強度(扣除Bkg;背景噪聲矩陣均值后)不應小于圖像標準方差的按照公式(1),計算得到MPO樣品在不同像距f;位置處點擴散函數PSF;。PSF;=Img;—Bkg PSF;——在像距f;位置處的點擴散函數；Img,——在像距f;位置處的成像矩陣；Bkg;——在像距f;位置處的背景噪聲矩陣。按照公式(2),對不同像距f;處的點擴散函數進行歸一化處理，得到點擴散函數的歸一化矩……(2)PSF.;——PSF;對應的歸一化矩陣；PSFmx——點擴散函數PSF,的最大值。按照公式(3),計算像距f;位置處的焦斑的半高全寬分布矩陣FWHM;。FWHM;——在像距f;位置處的半高全寬分布矩陣；PSF.(0.5)——在像距f;位置處的0.5等高線對應分布數據。設置分布矩陣FWHM,宜為橢圓方程，表達為公式(4),其中FWHM;(x;,y;)為橢圓輪廓上n個A;X2+B;XY+C;Y2+D;X+E;Y+F;=0……………(4)X——橫軸上自變量；Y——縱軸上自變量。依據最小二乘法原理，按照公式(5),擬合橢圓的目標函數f(A;,B;,C;,D;,E;,F)。7GB/T43530—2023f?(A;,B;,C;,D;,E;,F;)——擬合橢圓的目標函數；Xj——橢圓輪廓坐標點橫坐標；Yj——橢圓輪廓坐標點縱坐標。 按照公式(7)和公式(8),計算得到橢圓對應的幾何中心位置[X(i),Y。(i)]。 (7) X。(i)——在像距f;位置處的橢圓幾何中心X坐標；Y。(i)——在像距f;位置處的橢圓幾何中心Y坐標。按照公式(9)和公式(10),計算得到對應的橢圓短軸σ..和長軸σy (9) (10)o,.;——在像距f:位置處的橢圓長軸，單位為毫米(mm);pixel——探測器像素大小，單位為毫米(mm)。按照公式(11),計算得到對應的橢圓面積S;。S;——在像距f;位置處的橢圓面積，單位為平方毫米(mm2)。按照公式(12),計算得到最小的橢圓面積Smin。Smin=(S;)min………(12)按照公式(13),計算最小的橢圓面積對應的像距fmin。fmin=f(Smìn)……(13)fmin——最小橢圓面積Smin對應的像距，單位為毫米(mm)。按照公式(14),通過物像關系，可得到平行光下的X射線焦距F?！?14)L——X射線光源到MPO樣品外球面頂點之間的幾何距離，單位為毫米(mm);8GB/T43530—2023d——MPO樣品的厚度，單位為毫米(mm)。7.2十字臂垂直度測試條件同7.1.1.測試步驟同7.1.2。接圓r為半徑，按照公式(15)可得到對應的內接圓形方程，點擴散函數直線方程坐標點示意圖見圖5。 (x;,y;)——圓形方程上對應的坐標點。標引序號說明：1——點擴散函數；2——X射線探測器。圖5點擴散函數直線方程坐標點示意圖按照公式(16),得到中心坐標[X。(min),Y。(min)]與坐標點(x;,y;)對應的直線方程。[X-X(min)]/[x;-X(min)]=[Y-Y.(min)]/[y;-Y.(min)]X(min),Y.(min)——直線方程變量。按照公式(17)和公式(18),分別得到點擴散函數PSFmin水平和垂直方向積分亮度最大值?！?GB/T43530—2023式中：按照公式(19),得到十字臂垂直度θ,結果保留小數點后兩位。式中：θ——十字臂垂直度，單位為度(°);(xm,ym)——點擴散函數PSF/mn水平方向亮度最大值對應的坐標點；(xp,yp)——點擴散函數PSFmn豎直方向亮度最大值對應的坐標點。7.3點擴散函數均勻性7.3.1測試條件測試條件同7.1.1。7.3.2測試步驟測試步驟同7.1.2。7.3.3測試數據處理按照公式(20),得到點擴散函數均勻性UN。式中：UN——點擴散函數均勻性；σymn——像距fn處對應的橢圓長軸，單位為毫米(mm);σmn——像距fmn處對應的橢圓短軸，單位為毫米(mm)。7.4角分辨率7.4.1測試條件測試條件同7.1.1。7.4.2測試步驟測試步驟同7.1.2。7.4.3測試數據處理按照公式(21),得到MPO樣品的角分辨率Res。式中：Res——MPO樣品的角分辨率，單位為角分(')。7.5有效面積主要參數如下：a)測試電壓U宜為1kV～4kV(U最高不應超過5kV);b)測試電流I宜為0.02mA～0.1mA(I最高不應超過0.15mA);c)單次采集時間t宜為10ms～50ms(t最高不應超過80ms);d)累計時間T宜為30min～60min(T最短不應少于25min)。主要步驟如下：a)按7.1.3中的方法確定fmin;b)設置試驗參數，開始采集數據，采集原理圖見圖6;c)中心焦斑采集的單幀事例數宜不多于150個；d)中心焦斑采集的總有效事例數N,宜不少于1×10°個；e)采集結束后，移動位移臺將MPO樣品移出光路，重復b)～d)采集無MPO樣品下的透射譜，采集原理圖見圖7;f)透射譜采集的單幀事例數宜不多于150個；g)中心透射譜采集的總有效事例數N宜不少于1×10?個。標引序號說明：1——X射線探測器；2——收集光線；3——入射光線；5——X射線光源。圖6有MPO樣品時數據采集原理圖GB/T43530—2023標引序號說明：1——X射線探測器；2——X射線光源；3——入射光線。圖7移出MPO樣品后數據采集原理圖7.5.3測試數據處理按照公式(22),計算得到MPO樣品的有效面積S。式中：Ser——有效面積，單位為平方厘米(cm2);N,——中心焦斑的總有效事例數，單位為個(count);N——中心透射譜的總有效事例數，單位為個(count);S——MPO樣品的幾何面積，單位為平方厘米(cm2)。7.6有效面積均勻性7.6.1測試條件測試條件同7.5.1。7.6.2測試步驟主要步驟如下：a)按7.1.3中的方法確定fmi。b)設置測試參數，開始采集數據。c)調節MPO樣品頂角測試位置：1)調節位移臺，平移MPO樣品的位置，讓其左下角(LD)的頂端處于X射線探測器的中心位置處(2mm范圍內),見圖8;2)微調MPO樣品偏擺和俯仰的角度，使其X射線橫線和豎線分離(離透射區域間距范圍為0.2mm～0.5mm),頂角焦斑位于X射線探測器中心位置處。GB/T43530—20232——右上角(RU);3——右下角(RD);4——左下角(LD);5—-二次焦斑；6——一次橫線；7——一次豎線。圖8頂角測試示意圖d)采集左下角(LD)的X射線能譜數據。e)利用X射線探測器的單光子計數模式分別提取經過MPO樣品聚焦的左下角頂角二次焦斑的總有效事例數NLp。f)重復步驟d)～e),采集得到左上角(LU)、右上角(RU)和右下角(RD)頂角二次焦斑的總有效事例數NLu、NRu和NRp。g)頂角二次焦斑采集的單幀事例數宜不多于150個h)頂角二次焦斑的總有效事例數宜不少于1×105個。7.6.3測試數據處理按照公式(23),計算得到有效面積均勻性C。式中：Cerf——有效面積均勻性；NLp——左下角LD二次焦斑的總有效事例數，單位為個(count);NLu——左上角LU二次焦斑的總有效事例數，單位為個(count);NRu——右上角RU二次焦斑的總有效事例數，單位為個(count);NRp——右下角RD二次焦斑的總有效事例數，單位為個(count);(Np,Nu,NRu,NRp)mx——四個頂角二次焦斑的總有效事例數最大值，單位為個(count);(NLp,NLu,NRu,NRn)……——四個頂角二次焦斑的總有效事例數最小值，單位為個(count)。7.7半能寬7.7.1測試條件測試條件同7.5.1.7.7.2測試步驟試驗步驟同7.5.2。7.7.3測試數據處理按照公式(24),計算得到半徑r;圓形區域對應的n?個系列點的坐標(x?,yi),l=1,2