极紫外、X射线和中子薄膜光学元件与系统

极紫外、X射线和中子光学为现代科学的发展提供了高精度的观测手段,但这些手段的实现需要大量高性能薄膜光学元件和系统的支撑。由于短波长和材料光学常数的限制,短波光学元件的结构、性能和制作技术明显区别于长波光学元件。近二十年来,同济大学精密光学工程技术研究所建立了以短波反射镜为基底的精密加工检测平台,发展了超薄薄膜界面生长调控方法和大尺寸薄膜镀制技术,提出了高效率/高分辨率多层膜微纳结构的衍射理论和制备方法,初步阐明了短波辐照损伤的物理机制,形成了短波薄膜和晶体聚焦成像系统的高精度全流程研制技术,并将该技术成功应用于国内和国际短波光子大科学装置中。本文简要介绍本课题组在上述短波元件和系统领域中的研究进展。     

一本有助于推动我国软X射线/极紫外光学发展的专著——《软X射线与极紫外辐射的原理和应用》简介

1999年，阿特伍德（Attwood D T）的专著《软X射线与极紫外辐射的原理和应用》（Soft X-rays and extreme ultraviolet radiation：principle and applications）出版．在出版之前的1998年7月，作者就利用参加国际会议之际请与会的中国的张杰博士将此书介绍给中国读者．经过张杰教授等人挤时间艰苦的翻译，中译本于2003年9月由科学出版界出版发行．这一本很好的科学专著，它的出版有助于推动我国软X射线／极紫外光学的发展．     

非晶金刚石薄膜的X射线反射研究

利用过滤阴极真空电弧系统制备了不同衬底偏压下非晶金刚石薄膜,分别采用X射线反射法测定了相应的非晶金刚石膜密度,分析了薄膜密度与沉积能量之间的变化规律．建立了薄膜密度随衬底偏压的变化曲线。研究发现在-80V时非晶金刚石膜密度存在最大值3．26g／cm^2,随着偏压的增大和减小,薄膜的密度都相应的下降;当衬底偏压加到-2000V时,密度减小到2．63g／cm^2,相对于密度的最大值变化较小。通过薄膜sp^3能态杂化含量与密度的简单比例关系,近似推算出非晶金刚石膜中sp^3能态的含量最高可达80％以上。     

极紫外与软X射线用非晶碳膜全反射镜的研究

用高真空磁控溅射设备分别在工作气压为0.40Pa和0.67Pa下制备了非晶碳膜全反射镜样品,利用X射线掠入射反射测量了膜层厚度、粗糙度和膜层密度,用原子力显微镜测量了样品的表面粗糙度,用同步辐射测量了不同工作气压下制备的非晶碳膜全反射镜的反射率,并对测量结果进行了分析讨论.测试结果表明:在0.40Pa工作气压下制备的非晶碳膜反射镜的性能优于在0.67Pa工作气压下制备的反射镜的性能,在掠入射角小于4.5°时,非晶碳膜全反射镜在5nm以上波段有比较平坦的高反射率,在波长小于5nm波段,反射率急剧下降.     

Ge薄层异质结构的同步辐射X射线反射法研究

用X射线反射方法研究了分子束外延技术生长的Si中Ge薄层异质结构的Ge原子分布特性.根据X射线反射理论及Parratt数值计算方法对实验反射曲线的模拟,得到不同厚度的Ge薄层异质结构样品中Ge原子的深度分布为非对称指数形式:在靠近样品表面一侧的衰减长度为8埃,而在靠近样品衬底一侧的衰减长度为3埃,且分布形式与Ge原子层的厚度无关.讨论了不同结构参数(Ge原子薄层的深度、Ge原子分布范围、样品表面粗糙度、样品表面氧化层厚度等)对样品低角反射曲线的影响.     

微晶硅薄膜的表面粗糙度及其生长机制的X射线掠角反射研究

采用等离子体增强化学气相沉积技术沉积一系列处于不同生长阶段的微晶硅薄膜.通过同步辐射X射线掠角反射技术研究微晶硅薄膜的表面粗糙度随时间等的演化，探讨微晶硅薄膜的生长动力学过程及其生长机制.研究结果表明，在衬底温度为200 ℃，电极间距为2 cm，沉积气压为6.66×1０² Pa，射频功率密度为0.22 W/cm²，氢稀释度分别为99%和98%的沉积条件下，在玻璃衬底上生长的微晶硅薄膜生长指数β分别为0.21±0.01和0.24±0.01.根据KPZ模型，微晶硅薄膜的生长机制为有限扩散生长. 关键词： X射线掠角反射 微晶硅薄膜 表面粗糙度 生长机制     

150 kV脉冲X射线测试系统

基于Marx发生器原理设计了150 kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出：在充电电压为20 kV的情况下,X射线管电压150 kV;X射线脉宽约60 ns;25 cm处剂量约7.810-6 C/kg;焦斑直径2.5 mm。搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30 cm40 cm,分辨力大于1 lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要。     

150kV脉冲X射线测试系统

基于Marx发生器原理设计了150kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出:在充电电压为20kV的情况下,X射线管电压150kV;X射线脉宽约60ns;25cm处剂量约7.8×10-6 C/kg;焦斑直径2.5mm。搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30cm×40cm,分辨力大于1lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要。     

使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究

本项目对我国空间探测的极紫外(EUV)波段大视场相机所需求的球面光子计数成像探测器的关键技术进行了研究。首先,建立了光阴极材料次级电子产出模型,利用该模型计算了软X射线-EUV波段常用的光电阴极材料—碱卤化物的次级电子产出,分析了微通道板(MCP)的次级电子产出。建立了测量MCP量子探测效率的装置,并推导出MCP量子探测效率的计算公式,测量了MCP在软X射线-EUV波段的量子效率以及MCP量子效率随掠入射角的变化。其次,建立了球面实芯微通道板的制备装置,利用高温热成型方法制备出曲率半径为150 mm球面MCP,利用光刻技术制备出有效直径为48 mm的楔条形感应电荷位置灵敏阳极,在此基础上集成了一套使用球面MCP和感应电荷位置灵敏阳极的两维光子计数成像探测器。再次,研制出包括快速前端模拟电路与后续数字电路的成像读出电路,编制了能矫正图像畸变的图像实时采集和处理软件。最后,建立了MCP探测器空间分辨率、图像线性的检测装置,对研制出的探测器性能进行了检测,检测结果表明:探测器的各项技术指标完全满足要求。     

软X射线反射法测量金属W的光学常量

在同步辐射装置3W1B光束线上测量了软X射线能区50~200 eV金属W薄膜的反射率,并采用最小二乘拟合得到其光学常量.实验采用三种样品：Si衬底单层W超薄膜,Si衬底W/C双层膜,SiO2衬底W薄膜.分别获得金属W光学常量,三种样品的结果分别代表W薄膜光学常量,WC薄膜结合中W薄膜的光学常量及体材料W的光学常量.结果表明,前两者结果与以往发表数据一致性较好,第三种样品的结果则更接近已发表的体材料的结果.通过实验结果和已发表数据的比较,发现随着薄膜厚度的降低,光学常量实部（色散因子）变化不明显,而虚部（吸收因子）随之升高.实验不确定度来源于光谱纯净度和光源稳定性.     

偏心和倾斜光学系统的像差特性

运用一种新的分析偏心和倾斜光学系统初级像差特性的方法—矢量像差理论,分析了具有较大交叉倾斜角的平行平板光学系统和具有较大倾斜角的光楔光学系统的像差特性.通过ZEMAX光学设计软件像差分析功能中的垂轴像差曲线、场曲曲线和点列图加以比较,两者非常吻合,证明该理论可以对具有较大倾斜元件的非共轴光学系统设计起指导作用.