GBT 43530-2023 龍蝦眼型聚焦光學(xué)元件性能測(cè)試方法（正式版）

龍蝦眼型聚焦光學(xué)元件性能測(cè)試方法2023-12-28發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T43530—2023前言 I 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4測(cè)試裝置 4.1測(cè)試原理及示意圖 24.2主要參數(shù) 4.3安全防護(hù) 35測(cè)試條件 36樣品 7測(cè)試方法 7.1X射線焦距 7.2十字臂垂直度 7.3點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)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(cè)試報(bào)告 附錄A(資料性)測(cè)試報(bào)告記錄表 I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)科學(xué)院提出。本文件由全國(guó)光電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC487)歸口。本文件起草單位：北方夜視技術(shù)股份有限公司、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)計(jì)量大學(xué)、北方夜視科技(南京)研究院有限公司、長(zhǎng)春理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)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(xué)元件性能測(cè)試方法1范圍本文件描述了龍蝦眼型聚焦光學(xué)元件的X射線焦距、十字臂垂直度、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)均勻性、角分辨本文件適用于空間天文、醫(yī)療成像、海關(guān)檢測(cè)、物質(zhì)分析等X射線聚焦成像領(lǐng)域使用的龍蝦眼型聚焦光學(xué)元件的性能測(cè)試。其他用途的龍蝦眼型聚焦光學(xué)元件參照使用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(duì)應(yīng)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(xué)零件表面疵病GB50073潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范GBZ117—2022工業(yè)探傷放射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。龍蝦眼型聚焦光學(xué)元件lobstereyemicroporeoptics;MPO基于掠入射反射原理對(duì)X射線進(jìn)行會(huì)聚，由龍蝦眼復(fù)眼式微小方形微通道構(gòu)成的球面光學(xué)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(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)均勻性u(píng)niformityofthepointspreadfunction在焦距位置處，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)擬合為橢圓，橢圓長(zhǎng)軸減去短軸的差值與橢圓長(zhǎng)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(shí)，MPO球面凹面頂點(diǎn)與會(huì)聚光斑面積最小處的幾何距離。中心焦斑centerspot對(duì)在焦距位置處會(huì)聚的光斑做等高線圖，最大強(qiáng)度10%等高線對(duì)應(yīng)的光斑圖像。以中心焦斑重心為圓心做圓，圓內(nèi)積分光強(qiáng)等于總光強(qiáng)一半時(shí)對(duì)應(yīng)的直徑與焦距的比值。4測(cè)試裝置4.1測(cè)試原理及示意圖X射線光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)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(cè)器探測(cè)。MPO性能測(cè)試裝置由X射線探測(cè)器、帶有自準(zhǔn)直功能的經(jīng)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(jīng)緯儀；圖1MPO性能測(cè)試裝置示意圖MPO性能測(cè)試裝置的X射線光源主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)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(qiáng)的穩(wěn)定性為0%～5%;3e)X射線光源功率范圍為0W～50W。MPO性能測(cè)試裝置的X射線探測(cè)器主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足下列條件：a)X射線探測(cè)器的單像素尺寸不小于0.04mm;b)X射線探測(cè)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(cè)試裝置的工作距離主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)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(jīng)緯儀到光軸的垂直距離不小于0.5m。使用MPO性能測(cè)試裝置測(cè)試時(shí)，MPO性能測(cè)試裝置應(yīng)在檢定有效期內(nèi)。當(dāng)滿足測(cè)試環(huán)境基本要可行時(shí)，在空氣懸浮粒子濃度受控的潔凈室(房間或限定空間)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，且靜態(tài)潔凈度等級(jí)宜優(yōu)于8級(jí)。靜態(tài)潔凈度等級(jí)8級(jí)應(yīng)符合GB50073的要求。4.3安全防護(hù)按照GBZ117—2022及下列要求做好安全防護(hù)。a)在測(cè)試場(chǎng)所應(yīng)設(shè)置電離輻射警告標(biāo)識(shí)和警示說(shuō)明。b)進(jìn)入測(cè)試場(chǎng)所時(shí)應(yīng)佩戴個(gè)人劑量計(jì)和個(gè)人劑量報(bào)警儀。c)在每一次測(cè)試前，應(yīng)確保測(cè)試裝置的防護(hù)門處于關(guān)閉狀態(tài)。只有在防護(hù)門關(guān)閉、所有防護(hù)與安全裝置系統(tǒng)都啟動(dòng)并正常運(yùn)行的情況下，才能開始MPO性能測(cè)試工作。5測(cè)試條件測(cè)試環(huán)境應(yīng)滿足以下基本要求。a)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：b)測(cè)試腔體的氣壓應(yīng)不高于1×10-2Pa。c)不應(yīng)有影響測(cè)試結(jié)果的振動(dòng)。6樣品按GB/T1185—2006中6.2規(guī)定的可見法疵病試驗(yàn)方法和6.3規(guī)定的破邊試驗(yàn)方法，使用10倍放大鏡或顯微鏡觀測(cè)MPO樣品端面，不應(yīng)有擦痕、疵點(diǎn)、裂紋和破邊。MPO樣品應(yīng)存放在干燥、潔凈的密閉環(huán)境中，可充入保護(hù)性氣體(如氮?dú)獾?。MPO樣品應(yīng)輕拿、若MPO樣品需要暴露在大氣環(huán)境中存放，應(yīng)采取適宜的保護(hù)措施(如使用防護(hù)罩、保護(hù)性氣體7測(cè)試方法7.1X射線焦距主要參數(shù)如下：4a)測(cè)試電壓U宜為1kV～4kV(U最高不應(yīng)超過(guò)10kV);b)測(cè)試電流I宜為0.02mA～0.5mA(I最高不應(yīng)超過(guò)1mA);c)單次采集時(shí)間t宜為100ms～500ms(t最高不應(yīng)超過(guò)1000ms);d)采集累計(jì)幀數(shù)N宜不小于100幀；e)累計(jì)時(shí)間T宜為5min～10min。主要步驟如下。a)將MPO樣品安裝在位移臺(tái)上。b)測(cè)量X射線光源到MPO樣品外球面頂點(diǎn)之間的幾何距離L。c)校準(zhǔn)光軸，使MPO樣品、X射線光源和X射線探測(cè)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(tái)上；2)將管道中心尺沿管道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軌道移動(dòng)，通過(guò)經(jīng)緯儀觀測(cè)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(nèi)；3)同時(shí)使經(jīng)緯儀經(jīng)半反半透鏡前表面自準(zhǔn)直像與分化板中心重合；4)通過(guò)經(jīng)緯儀觀測(cè)X射線光源中心位置處于管道標(biāo)志中心處，保持經(jīng)緯儀的方向、位置不動(dòng)，見圖2;1——半反半透鏡；2——管道中心尺；3——X射線光源；4——經(jīng)緯儀；5——水平位移臺(tái)。圖2光路基準(zhǔn)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(diào)節(jié)位移臺(tái)使MPO樣品中心與探測(cè)器中心基本平齊，偏差宜在2mm內(nèi)，探測(cè)器為放置在距離MPO樣品曲率半徑1/2處，偏差應(yīng)在5mm內(nèi)；7)X射線光源和X射線探測(cè)器的軸線大致通過(guò)MPO樣品中心，偏差應(yīng)在5mm內(nèi)，見圖3;5標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——管道中心尺；2—-X射線探測(cè)器；3——經(jīng)緯儀；4——MPO樣品；5——半反半透鏡。圖3光路調(diào)節(jié)原理圖8)開啟經(jīng)緯儀發(fā)出指示標(biāo)志，經(jīng)MPO樣品球形凹面將經(jīng)緯儀指示光線反射在X射線探測(cè)器上，通過(guò)調(diào)節(jié)X射線探測(cè)器的位置，使其中心基本對(duì)準(zhǔn)經(jīng)緯儀的指示標(biāo)志中心處，偏差應(yīng)在1mm內(nèi)，見圖4;標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——X射線探測(cè)器；2——經(jīng)緯儀；3—--MPO樣品；4——半反半透鏡。圖4MPO會(huì)聚指示光線原理圖9)調(diào)節(jié)位移臺(tái)將半反半透鏡移開光軸，開啟真空系統(tǒng)，設(shè)置測(cè)試參數(shù)，打開X射線光源，通6過(guò)MPO樣品進(jìn)行光線會(huì)聚；10)調(diào)節(jié)MPO樣品的俯仰和偏擺角度，觀察X射線探測(cè)器上的會(huì)聚光斑，使其移動(dòng)到探測(cè)11)X射線探測(cè)器、MPO樣品和X射線光源三者光軸校準(zhǔn)結(jié)束。d)調(diào)節(jié)MPO樣品與探測(cè)器的不同像距f;,采集MPO樣品在不同像距f;處對(duì)應(yīng)的成像矩e)以MPO樣品曲率半徑1/2處為中心，像距調(diào)節(jié)范圍宜在10mm內(nèi)，每次步徑間隔宜設(shè)定為0.5mm。f)每次測(cè)量結(jié)束后，關(guān)閉光源，采集不同像距f;位置處對(duì)應(yīng)的背景噪聲矩陣Bkg;。g)成像矩陣Img;最大積分強(qiáng)度(扣除Bkg;背景噪聲矩陣均值后)不應(yīng)小于圖像標(biāo)準(zhǔn)方差的按照公式(1),計(jì)算得到MPO樣品在不同像距f;位置處點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF;。PSF;=Img;—Bkg PSF;——在像距f;位置處的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；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(duì)不同像距f;處的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的歸一化矩……(2)PSF.;——PSF;對(duì)應(yīng)的歸一化矩陣；PSFmx——點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF,的最大值。按照公式(3),計(jì)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(duì)應(yīng)分布數(shù)據(jù)。設(shè)置分布矩陣FWHM,宜為橢圓方程，表達(dá)為公式(4),其中FWHM;(x;,y;)為橢圓輪廓上n個(gè)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(jù)最小二乘法原理，按照公式(5),擬合橢圓的目標(biāo)函數(shù)f(A;,B;,C;,D;,E;,F)。7GB/T43530—2023f?(A;,B;,C;,D;,E;,F;)——擬合橢圓的目標(biāo)函數(shù)；Xj——橢圓輪廓坐標(biāo)點(diǎn)橫坐標(biāo)；Yj——橢圓輪廓坐標(biāo)點(diǎn)縱坐標(biāo)。 按照公式(7)和公式(8),計(jì)算得到橢圓對(duì)應(yīng)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(biāo)；Y。(i)——在像距f;位置處的橢圓幾何中心Y坐標(biāo)。按照公式(9)和公式(10),計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的橢圓短軸σ..和長(zhǎng)軸σy (9) (10)o,.;——在像距f:位置處的橢圓長(zhǎng)軸，單位為毫米(mm);pixel——探測(cè)器像素大小，單位為毫米(mm)。按照公式(11),計(jì)算得到對(duì)應(yīng)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(jì)算得到最小的橢圓面積Smin。Smin=(S;)min………(12)按照公式(13),計(jì)算最小的橢圓面積對(duì)應(yīng)的像距fmin。fmin=f(Smìn)……(13)fmin——最小橢圓面積Smin對(duì)應(yīng)的像距，單位為毫米(mm)。按照公式(14),通過(guò)物像關(guān)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(diǎn)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(cè)試條件同7.1.1.測(cè)試步驟同7.1.2。接圓r為半徑，按照公式(15)可得到對(duì)應(yīng)的內(nèi)接圓形方程，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)直線方程坐標(biāo)點(diǎn)示意圖見圖5。 (x;,y;)——圓形方程上對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；2——X射線探測(cè)器。圖5點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)直線方程坐標(biāo)點(diǎn)示意圖按照公式(16),得到中心坐標(biāo)[X。(min),Y。(min)]與坐標(biāo)點(diǎn)(x;,y;)對(duì)應(yīng)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(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)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(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后兩位。式中：θ——十字臂垂直度，單位為度(°);(xm,ym)——點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF/mn水平方向亮度最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)；(xp,yp)——點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSFmn豎直方向亮度最大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。7.3點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)均勻性7.3.1測(cè)試條件測(cè)試條件同7.1.1。7.3.2測(cè)試步驟測(cè)試步驟同7.1.2。7.3.3測(cè)試數(shù)據(jù)處理按照公式(20),得到點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)均勻性UN。式中：UN——點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)均勻性；σymn——像距fn處對(duì)應(yīng)的橢圓長(zhǎng)軸，單位為毫米(mm);σmn——像距fmn處對(duì)應(yīng)的橢圓短軸，單位為毫米(mm)。7.4角分辨率7.4.1測(cè)試條件測(cè)試條件同7.1.1。7.4.2測(cè)試步驟測(cè)試步驟同7.1.2。7.4.3測(cè)試數(shù)據(jù)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(shù)如下：a)測(cè)試電壓U宜為1kV～4kV(U最高不應(yīng)超過(guò)5kV);b)測(cè)試電流I宜為0.02mA～0.1mA(I最高不應(yīng)超過(guò)0.15mA);c)單次采集時(shí)間t宜為10ms～50ms(t最高不應(yīng)超過(guò)80ms);d)累計(jì)時(shí)間T宜為30min～60min(T最短不應(yīng)少于25min)。主要步驟如下：a)按7.1.3中的方法確定fmin;b)設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，開始采集數(shù)據(jù)，采集原理圖見圖6;c)中心焦斑采集的單幀事例數(shù)宜不多于150個(gè)；d)中心焦斑采集的總有效事例數(shù)N,宜不少于1×10°個(gè)；e)采集結(jié)束后，移動(dòng)位移臺(tái)將MPO樣品移出光路，重復(fù)b)～d)采集無(wú)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(shù)宜不多于150個(gè)；g)中心透射譜采集的總有效事例數(shù)N宜不少于1×10?個(gè)。標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——X射線探測(cè)器；2——收集光線；3——入射光線；5——X射線光源。圖6有MPO樣品時(shí)數(shù)據(jù)采集原理圖GB/T43530—2023標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——X射線探測(cè)器；2——X射線光源；3——入射光線。圖7移出MPO樣品后數(shù)據(jù)采集原理圖7.5.3測(cè)試數(shù)據(jù)處理按照公式(22),計(jì)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(shù)，單位為個(gè)(count);N——中心透射譜的總有效事例數(shù)，單位為個(gè)(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(cè)試條件測(cè)試條件同7.5.1。7.6.2測(cè)試步驟主要步驟如下：a)按7.1.3中的方法確定fmi。b)設(shè)置測(cè)試參數(shù)，開始采集數(shù)據(jù)。c)調(diào)節(jié)MPO樣品頂角測(cè)試位置：1)調(diào)節(jié)位移臺(tái)，平移MPO樣品的位置，讓其左下角(LD)的頂端處于X射線探測(cè)器的中心位置處(2mm范圍內(nèi)),見圖8;2)微調(diào)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(qū)域間距范圍為0.2mm～0.5mm),頂角焦斑位于X射線探測(cè)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(cè)試示意圖d)采集左下角(LD)的X射線能譜數(shù)據(jù)。e)利用X射線探測(cè)器的單光子計(jì)數(shù)模式分別提取經(jīng)過(guò)MPO樣品聚焦的左下角頂角二次焦斑的總有效事例數(shù)NLp。f)重復(fù)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(shù)NLu、NRu和NRp。g)頂角二次焦斑采集的單幀事例數(shù)宜不多于150個(gè)h)頂角二次焦斑的總有效事例數(shù)宜不少于1×105個(gè)。7.6.3測(cè)試數(shù)據(jù)處理按照公式(23),計(jì)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(shù)，單位為個(gè)(count);NLu——左上角LU二次焦斑的總有效事例數(shù)，單位為個(gè)(count);NRu——右上角RU二次焦斑的總有效事例數(shù)，單位為個(gè)(count);NRp——右下角RD二次焦斑的總有效事例數(shù)，單位為個(gè)(count);(Np,Nu,NRu,NRp)mx——四個(gè)頂角二次焦斑的總有效事例數(shù)最大值，單位為個(gè)(count);(NLp,NLu,NRu,NRn)……——四個(gè)頂角二次焦斑的總有效事例數(shù)最小值，單位為個(gè)(count)。7.7半能寬7.7.1測(cè)試條件測(cè)試條件同7.5.1.7.7.2測(cè)試步驟試驗(yàn)步驟同7.5.2。7.7.3測(cè)試數(shù)據(jù)處理按照公式(24),計(jì)算得到半徑r;圓形區(qū)域?qū)?yīng)的n?個(gè)系列點(diǎn)的坐標(biāo)(x?,yi),l=1,2