基于多层膜技术的硬X射线Laue透镜衍射效率的理论研究

采用耦合波理论分析了X射线在多层膜Laue透镜中的传播,选择Cu的Kα线作X射线光源,计算了多层膜Laue透镜的衍射效率.材料为WSi2/Si,最外层宽度为10 nm,深度为8 500 nm的多层膜Laue透镜,倾斜情况下外层区域局部光栅的衍射效率可达59%,理论上证明了多层膜Laue透镜是实现X射线聚焦的有效手段.     

基于多层膜技术的硬X射线Laue透镜衍射效率的理论研究

采用耦合波理论分析了X射线在多层膜Laue透镜中的传播,选择Cu的Kα线作X射线光源,计算了多层膜Laue透镜的衍射效率.材料为WSi2/Si,最外层宽度为10 nm,深度为8 500 nm的多层膜Laue透镜,倾斜情况下外层区域局部光栅的衍射效率可达59%,理论上证明了多层膜Laue透镜是实现X射线聚焦的有效手段.     

Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能

Kinoform单透镜可以高效聚焦硬X射线至纳米量级, 在X射线纳米显微学和纳米光谱学领域有着重要的应用前景. 基于衍射光学和傅里叶光学理论, 给出了X射线经由Kinoform单透镜聚焦的物理模型, 基于数值模拟, 研究了不同材料、光子能量、台阶数量和顶点曲率半径对Kinoform单透镜聚焦性能的影响. 结果表明, 孔径为1 mm的Kinoform单透镜对30 keV的X射线聚焦, 可以得到14 nm焦斑、62 μm焦深, 且可实现4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率.     

微束斑X射线源及X射线光学元件

高质量的X射线源,尤其高亮度的微纳束斑X射线源是现代X射线光学高清晰成像最为关键的部件之一,在工业无损探伤、生命科学、材料科学等科学研究和实际应用中具有重要的意义。简单介绍了微束斑X射线源的产生方法及发展历史,并对微束X射线光学涉及到的聚焦X射线光学元件（如X射线掠入射反射镜、布拉格法反射镜、多层膜反射镜、多层膜光栅、X射线波带片、毛细管聚焦透镜和复合折射透镜等）的主要特点作了简要的系统介绍。最后展望了微细束X射线在微纳检测与分析等方面的应用前景。     

抛物面型X射线组合折射透镜聚焦性能的理论与实验研究

结合衍射理论和矩阵光学方法得出抛物面型X射线组合折射透镜的光学性能指标(包括其焦距的严格表达式、薄透镜近似的判定准则、透过率和有效孔径,以及极限聚焦光斑尺寸等).采用X射线深度光刻技术实际制作了PMMA材料抛物面型X射线组合折射透镜并给出了工艺测试结果.最后在北京同步辐射装置(BSRF)上,实际构建了基于3种不同结构参数的PMMA材料抛物面型X射线组合折射透镜的微束聚焦实验系统.并实际测试了其聚焦性能,均获得了良好的聚焦效果,给出实测结果并对实测结果进行了分析和讨论.     

基于原子层沉积技术的高精度多层膜X射线菲涅尔波带片的制备研究

基于原子层沉积与聚焦离子束切割抛光相结合的工艺,提出了一种多层膜型波带片制备技术。利用耦合波理论计算出最外环宽为10 nm的Al_2O_3/HfO_2、Al_2O_3/SiO_2、Al_2O_3/Ir和Al_2O_3/Ta_2O_5四种材料组合的多层膜波带片在X射线能量为8 keV和15 keV时的菲涅尔波带片的理论衍射效率,讨论了最外环宽和波带片高度对衍射效率的影响,选择了Al_2O_3/HfO_2为后续叠层制备。研究了原子层沉积制备Al_2O_3和HfO_2薄膜的生长特性,验证了原子层沉积技术制备单层膜厚为10 nm叠层结构的可行性,实验结果表明,利用原子层沉积技术制备Al_2O_3和HfO_2薄膜粗糙度可控在1 nm,均匀性优于±1.5%,单叠层厚度误差仅为0.416 nm.同时,利用聚焦离子束切割抛光技术得到了最外环宽为10 nm,高宽比200的高分辨率X射线菲涅尔波带片。     

8.0 nm反射式偏振膜的设计和制备

讨论了软X射线反射式偏振膜的设计原理和方法,利用设计软件模拟设计了8.0 nm处的Mo/B4C偏振膜.对影响多层膜性能的参量进行了详细的误差分析.利用磁控溅射镀膜机进行了偏振膜的制备研究,X射线小角衍射测量了多层膜的周期厚度,测量数据的拟合结果与设计值吻合很好.     

溅射气压对X射线多层膜反射率的影响

本文在不同的溅射气压的情况下制备了具有相同结构参量的Mo/Si多层膜,测出了其对应的小角度X衍射曲线,在北京同步辐射实验室测量了多层膜的软X射线反射率.小角X射线衍射谱表明:随着溅射气压升高,多层膜的小角X射线衍射曲线的高次峰的峰高急剧变小,半峰宽变大.反射率测量结果也表明:多层膜的X射线反射率随溅射气压的升高而急剧降低.     

Mo/Si多层膜小角X射线衍射结构表征

为了实现对Mo/Si多层膜的结构表征,测量了多层膜样品的小角X射线衍射谱。介绍了小角X射线衍射谱的分析方法,包括Bragg峰值拟合法,傅里叶变换法,反射谱拟合法。Bragg峰值拟合法和反射谱拟合法得到多层膜的周期厚度为7.09nm,两种模型的反射谱拟合法得到界面的粗糙度(扩散长度)为0.40～0.41nm(Si在Mo上),0.52～0.70nm(Mo在Si上),前者要比后者小,这与透射电镜法(TEM)得到的结果0.40nm(Si在Mo上),0.6～0.65nm(Mo在Si上)是一致的。通过基于扩散模型的反射谱拟合法得到的折射率剖面也与由高倍率透射电镜(HRTEM)积分得到的灰度值剖面在趋势上是一致的。通过X射线衍射谱和TEM图像对Mo/Si多层膜进行综合表征,得到了多层膜的精细结构信息,这对多层膜制备工艺的优化具有十分重要的意义。     

晶体X射线衍射的发现及其深远影响

1912年4月,弗里德里希、克里平和劳厄成功地观察到X射线透过硫酸铜晶体后的衍射斑点!随后劳厄推导出描述晶体衍射的著名劳厄方程.由于晶体X射线衍射的发现,劳厄于1914年荣获诺贝尔物理学奖.1912年10月,W.L.布拉格通过X射线透射ZnS晶体实验,推导出了著名的布拉格方程.1915年布拉格父子荣获诺贝尔物理学奖.晶体X射线衍射的发现对自然科学的影响是深远的.2012年是劳厄发现晶体X射线衍射100年,文章回忆了这段光辉的历史及其对科学技术所产生的深远影响,以怀念科学先驱们对科学技术的贡献,弘扬他们对科学研究的认真严谨的科学态度、勇于创新的科学精神和谦逊无私的品德.     

Submicron focusing of XUV radiation from a laser plasma source using a multilayer Laue lens

The focusing properties of a one-dimensional multilayer Laue lens (MLL) were investigated using monochromatic soft X-ray radiation from a table-top, laser-produced plasma source. The MLL was fabricated by a focused ion beam (FIB) structuring of pulsed laser deposited ZrO₂/Ti multilayers. This novel method offers the potential to overcome limitations encountered in electron lithographic processes. Utilizing this multilayer Laue lens, a line focus of XUV radiation from a laser-induced plasma in a nitrogen gas puff target could be generated. The evaluated focal length is close to the designed value of 220 μm for the measurement wavelength of 2.88 nm. Divergence angle and beam waist diameter are measured by a moving knife edge and a far-field experiment, determining all relevant second-order moments based beam parameters. The waist diameter has been found to be approximately 370 nm (FWHM).     

3333lp/mm X射线透射光栅的研制

针对X射线透射光栅摄谱仪中的高线密度光栅,研究了采用电子束曝光和X射线曝光技术结合制作高线密度X射线透射光栅的工艺技术.首先利用电子束曝光和微电镀技术在镂空的薄膜上制备母光栅X射线掩模版,然后利用X射线曝光和微电镀技术小批量复制光栅.在国内首次完成了3333lp/mm X射线透射光栅的研制,栅线宽度为150nm,周期为300nm,金吸收体厚度为500nm.衍射效率标定的结果表明,该光栅的占空比合理、侧壁陡直,具有良好的色散特性,能够满足空间探测、同步辐射和变等离子诊断等多个领域的应用.     

12MeV直线感应加速器X光能谱的实验测量

12MeV直线感应加速器能够产生能量～12MeV、流强2.2kA的电子束, 被传输、聚焦后形成～4mm的束斑, 与轫致辐射靶靶作用来产生高剂量的X光. 首先设计了X光探测器, 并利用多层吸收拟合法来对X光能谱进行了测量, 得到了X光的轫致辐射能谱, X光峰值大约在2MeV,最后对实验结果进行了分析.     

基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜表征X射线光源参数

X射线光源的焦斑尺寸和焦深对X射线光谱学,尤其是对于微区X射线衍射与荧光分析等领域十分重要的参数。如何高效而准确的表征这些参数对于X射线光源的应用和发展至关重要。现有的光源参数表征方法,尤其在表征微焦斑光源的参数时,都存在自身的局限性。锥形单玻璃管X射线聚焦镜是一种常用的X射线聚焦器件。根据锥形单玻璃管X射线聚焦镜滤波特性和几何特点,分析得到聚焦镜的聚焦光能量上限的大小受到光源焦斑尺寸的影响,提出这个能量上限与光源尺寸和光源到聚焦镜入口的距离之间的数学关系。设计了一种基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数的方法。对锥形单玻璃管X射线聚焦镜的参数进行测量和确定后,将聚焦镜放置要测量的光源前,与光源形成聚焦光路。在光路准直并确保只有在聚焦镜内发生单次全反射的X射线射出聚焦镜的情况下,通过改变聚焦镜与光源焦斑距离并利用能谱探测系统来探测聚焦光并得到多个对应的聚焦光能谱。对所得能谱进行计算与分析,得到各能谱中的能量最大值,即聚焦光的能量上限。利用聚焦光能量上限、光源焦斑尺寸和光源到聚焦镜的距离之间的关系并结合线性拟合法,可同时得到光源焦斑尺寸和焦深。选用制造商给出焦斑尺寸约60 μm,焦深为20 mm的微焦斑钼靶光源作为测量对象,利用基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征方法测量的结果为焦斑尺寸为60.1 μm,焦深为19.7 mm。用小孔成像法表征该光源焦斑尺寸为60.3 μm,焦深为20.1 mm。相较于现有的方法,基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数方法对表征微焦斑光源有一定优势,对表征高能X射线光源有潜在发展和利用价值。     

Thinning and polishing of cross-section of depth-graded WSi2 /Si multilayer for linear zone plate application

A linear zone plate named multilayer laue lens (MLL) is fabricated using a depth-graded multilayer structure. The lens shows considerable potential in focusing an X-ray beam into a nanometer scale with high efficiency. In this letter, a depth-graded multilayer consisting of 324 alternating WSi 2 and Si layers with a total thickness of 7.9 μm is deposited based on the thickness sequence according to the demands of the zone plate law. Subsequently, the multilayer sample is sliced and thinned to an ideal depth along the cross-section direction using raw abrasives and diamond lapping. Finally, the cross-section is polished by a chemical mechanical polishing (CMP) technique to remove the damages and improve the surface smoothness. The final depth of the MLL is approximately 7 μm with an achieved aspect ratio greater than 400. Results of scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) indicate that interfaces are sharp, and the multilayer structure remains undamaged after the thinning and polishing processes. The surface roughness achieved is 0.33 nm.     

整体X光透镜性能实验研究

利用高计数率探测器和低功率光源,在大的能量范围内,同时测量了整体X光透镜的传输效率和焦斑直径与能量的关系。实验结果表明：透镜的焦斑直径随着能量的升高而减小;对04-5-10-5透镜而言,在高于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而降低,在低于5．8keV的能量范围内,透镜的传输效率随着能量的升高而增加。通过测量不同能量的X射线在透镜会聚光束中的空间分布,研究了短出口焦距透镜的光晕现象,光晕会导致透镜焦斑直径增大和传输效率测量值的增加。利用轴向扫描法研究了整体X光透镜出口焦距和能量的关系,实验结果表明：会聚透镜的出口焦距随着X射线能量的升高而增加。     

工业CT在工件检测中X射线硬化校正

X射线工业CT中,由于X射线能谱具有多色性,X射线在透射物质时,能量较低的射线优先被吸收,X射线能量越高,衰减系数越低。也即较高能量的X射线的衰减系数比较低能量的X射线的衰减系数小。射线随透射厚度增大,变得更易穿透,也就是发生了能谱硬化现象。由于射线硬化现象使图像重建时出现伪影,因此必须修正。文中对X射线硬化现象进行了分析,探讨了在均匀物质中,X射线射束和与透射厚度的关系。并根据Beer定律和X射线与物质作用的特点,通过获取X射线射束和数据,拟合出射束和与透射厚度的关系式。然后得出在同一透射厚度时,X射线射束和校正为单色等效射束和的关系及其等效方法。最终得出X射线等效单色射线的衰减系数的拟合值。再对此衰减系数拟合值进行卷积反投影重构,即可有效消除X射线射束硬化的影响。     

厚靶轫致辐射特性的数值模拟研究

X光机正朝高能强流方向发展.这些装置中普遍采用mm厚度的重金属厚靶,其辐射特性和各种参数间的规律受到关注.本文采用基于蒙特卡罗法的EGS4程序比较全面的研究了高能X光机中所关心的靶厚度的选择、轫致辐射场的角分布和X射线能谱的规律.同时还专门就X光强度和束流发射度、打靶焦斑尺寸三者的依赖关系进行分析,结论表明针对现有的X光机参数,不用担心因追求小焦斑而带来X光照射量的损失。文中还分析了强束流条件下单粒子蒙特卡罗模拟程序的适用性.文中结论和已有实验结果吻合,对实际工作具有意义.     

Development of Hard X-ray Focusing Optics at Diamond Light Source

The short wavelength of X-rays makes them an excellent choice for probing materials on the nanometer scale and for crystallography of sub-micrometer crystallites. The objective of nanofocusing optics is to produce a small, focused beam size in order to obtain the highest X-ray flux on a small sample or as a fine spatial probe. Achieving nanometer-scale focused X-ray beam sizes puts great demands on the optical elements in an X-ray beamline—the optics must balance the requirements to de-magnify the electron beam X-ray source, to reduce the diffraction-limited focus size, and to minimize the contribution to the focus of aberrations in the optics while collecting the maximum X-ray flux into the focused beam. These requirements dictate that an extreme demagnifying geometry should be employed and that high-specification optical elements must be used. Nanofocusing optics has often been added as an upgrade to existing beamlines at Diamond, extending the range of science that can be carried out. Extreme nanofocusing also forms the basis of new beamlines at Diamond, such as the nanoprobe beamline (I14), which aims to provide sub-30-nm-dimension focused X-ray beams for mapping samples at high spatial resolution. The demand for nanometer-scale diffraction-limited X-ray beams is expected to grow at Diamond and requires corresponding advances in X-ray optics to exploit the present source and future lower emittance storage ring sources; for example, the proposed Diamond II upgrade, projected to give a factor 20 emittance reduction.     

A new type of small size acousto-optic tunable filter with super narrow optical linewidth

The new concept of the creation of an acousto-optic tunable filter (AOTF) with super-resolution and small size is discussed. The advantage of the device is based on the use of a novel type of multi reflector beam expander that produces a highly collimated optical beam (angular spread about 100 ppm), tilted with a change in optical wavelength. The proposed AOTF, 1 cm in length, can have an optical linewidth about 0.1 nm and up to 400 tunable channels at a wavelength of 1540 nm. It can be utilized as a tunable filter for dense wavelength-division multiplexing (DWDM) in fiber optic networks and as a small-sized tunable optical spectrometer, for example, in sensors of gases, liquids and solids. The acousto-optic tunable filter can be developed by known technology developed for the creation of integrated optics and microelectronics devices. Received: 28 April 2001 / Revised version: 22 August 2001 / Published online: 2 November 2001