硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜的制作方法
专利名称:硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜的制作方法
硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜技术领域：
[0001]本发明属于精密光学元件研究领域，尤其是涉及一种硬X射线微聚焦高级次多层 膜Laue透镜。
背景技术：
[0002]硬X射线的能量高、穿透深度大，能激发高原子序数材料的内壳层电子以实现重 元素含量和分布的鉴定，并可实现更厚样品的无损深度检测。因此，硬X射线显微术已经成 为目前国际上三代同步辐射实验室的研究热点，硬X射线荧光、3维层析技术以及X射线相 衬和衍射分析技术已在生命、材料、和环境科学领域获得重要应用。X射线显微的空间分辨 率是利用显微分析技术获得物质及其演化过程的精细微观物理和化学结构的关键技术指 标。近年来，随着同步辐射光源和X射线聚焦元件的发展，国际上X射线显微分析的分辨率 已推进到IOOnm以下。由于在X射线波段，所有材料的折射率都接近于1，传统的折射透镜 无法实现X射线聚焦。波带片是X射线波段常用的微聚焦元件之一，其分辨率决定于最外 环的宽度。基于菲涅尔波带片的X射线显微镜已在软X射线波段获得了 12nm的成像分辨 率。但在硬X射线波段，理想波带片的高宽比(深度/最外层宽度)要做到几百甚至上千， 刻蚀的方法难以完成。这大大限制了高分辨率的硬X射线微聚焦波带片的制作和使用。[0003]为从根本上克服大高宽比的限制，美国Argonne国家实验室在2004年提出一种新 型的一维多层膜波带片，多层膜Laue透镜(MLL)。通过在平面基底上从最外层开始倒序镀 制梯度多层膜结构，再进行切片减薄，获得一维波带片结构。2个MLL相互垂直拼接，可实现 X射线的二维聚焦。这种方法既可以获得非常大的高宽比，又保证了多层膜波带片膜层的精 确位置和成膜质量，极大的提高了硬X射线波带片的聚焦效率和分辨率。2008年，Argonne 实验室利用WSi2/Si材料对制作的MLL利用I级次衍射在19. 5keV处实现了 16nm的线聚 焦。多层膜Laue透镜的优越性能使其成为目前国际X射线显微领域的研究热点2008年， 日本兵库县大学利用MoSi2/Si制作的MLL在20keV处实现了 28. 2nm的线聚焦；2010年德 国哥廷根大学利用脉冲激光沉积和聚焦离子束技术制备了 MLL并进行了一维拼接实验。多 层膜Laue透镜已成为将硬X射线显微成像分辨率推进到IOnm以下最有希望的方法之一。
发明内容
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种硬X射线微聚 焦高级次多层膜Laue透镜，利用高级次衍射，进一步提高硬X射线显微聚焦的分辨率。本 发明的核心是采用具有高分辨率特性的高级次衍射对硬X射线进行聚焦。同时针对目标衍 射级次，通过优化多层膜结构中材料的厚度比，并选择合适的截面深度，使入射能量在不同 级次间重新分配，极大的提高高级次衍射的效率，克服了传统波带片高级次衍射效率低下 的问题。为最终实现高效率的纳米级硬X射线聚焦提供新的方法。[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现[0006]硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该Laue透镜由吸收层和间隔层周期性构成，其中所述吸收层的材料是局部光栅中的高原子序数材料A，间隔层材料是低原子序数材料B。[0007]多层膜Laue透镜具有截面深度t，t为垂直于薄膜生长方向的元件长度。[0008]该多层I旲Laue透镜具有厚度比Y = dA/ (dA+dB)，dA是吸收层的厚度，dB是间隔层的厚度，厚度比的确定包括以下步骤[0009](I)根据实验应用时所需的能段、工作距离和聚焦成像的分辨率要求，选择多层膜 Laue透镜的工作波长λ、1级次聚焦的焦距f和最外层的光栅周期Drrat ；[0010](2)采用wedged结构的高级次多层膜Laue透镜在入射面(深度t = O)处，膜层位置由公式⑴确定
权利要求
1.硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该Laue透镜由吸收层和间隔层周期性构成，其中所述吸收层的材料是局部光栅中的高原子序数材料A，间隔层材料是低原子序数材料B。
2.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，多层膜Laue透镜具有截面深度t，t为垂直于薄膜生长方向的元件长度。
3.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该多层月旲Laue透镜具有厚度比Y = dA/(dA+dB)，dA是吸收层的厚度，dB是间隔层的厚度，厚度比的确定包括以下步骤 (1)根据实验应用时所需的能段、工作距离和聚焦成像的分辨率要求，选择多层膜Laue透镜的工作波长/、1级次聚焦的焦距f和最外层的光栅周期Drrat ； (2)采用wedged结构的高级次多层膜Laue透镜在入射面(深度t= 0)处，膜层位置由公式⑴确定
4.根据权利要求
3所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的Y _在计算时，周期分别为D1, D^Dn的不同光栅的理想衍射效率随深度的变化曲线 nn(Y_，t)和平均效率曲线 nmean(YQpt，t) = (n l(yopt, t)+n2(yopt, t)+---+ nn(y opt, t))/n，选择平均效率最大值对应的深度为透镜的最优深度t_。
5.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该多层膜Laue透镜采用wedged结构，即从中心到外层，每层薄膜分别倾斜不同的Bragg角
专利摘要
本发明涉及硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，通过改变组成多层膜Laue透镜局部光栅的2种材料的厚度比(γ＝dA/(dA+dB)，A为吸收层，B为间隔层)，选择合适的截面深度t，极大的提高高级次衍射的效率，从而有效的利用高级次衍射光，进一步提高硬X射线的聚焦分辨率。与传统的多层膜Laue透镜相比，本发明提出利用Laue透镜的高级次衍射对硬X射线进行聚焦，并通过改变Laue透镜结构中不同材料的厚度比，克服了传统波带片高级次衍射效率低下的问题，是实现高效率纳米级硬X射线聚焦的有效方法。
文档编号G21K1/06GKCN103021496SQ201110287085
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月24日
发明者黄秋实, 朱京涛, 李浩川, 王占山 申请人:同济大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜技术领域：
[0001]本发明属于精密光学元件研究领域，尤其是涉及一种硬X射线微聚焦高级次多层 膜Laue透镜。
背景技术：
[0002]硬X射线的能量高、穿透深度大，能激发高原子序数材料的内壳层电子以实现重 元素含量和分布的鉴定，并可实现更厚样品的无损深度检测。因此，硬X射线显微术已经成 为目前国际上三代同步辐射实验室的研究热点，硬X射线荧光、3维层析技术以及X射线相 衬和衍射分析技术已在生命、材料、和环境科学领域获得重要应用。X射线显微的空间分辨 率是利用显微分析技术获得物质及其演化过程的精细微观物理和化学结构的关键技术指 标。近年来，随着同步辐射光源和X射线聚焦元件的发展，国际上X射线显微分析的分辨率 已推进到IOOnm以下。由于在X射线波段，所有材料的折射率都接近于1，传统的折射透镜 无法实现X射线聚焦。波带片是X射线波段常用的微聚焦元件之一，其分辨率决定于最外 环的宽度。基于菲涅尔波带片的X射线显微镜已在软X射线波段获得了 12nm的成像分辨 率。但在硬X射线波段，理想波带片的高宽比(深度/最外层宽度)要做到几百甚至上千， 刻蚀的方法难以完成。这大大限制了高分辨率的硬X射线微聚焦波带片的制作和使用。[0003]为从根本上克服大高宽比的限制，美国Argonne国家实验室在2004年提出一种新 型的一维多层膜波带片，多层膜Laue透镜(MLL)。通过在平面基底上从最外层开始倒序镀 制梯度多层膜结构，再进行切片减薄，获得一维波带片结构。2个MLL相互垂直拼接，可实现 X射线的二维聚焦。这种方法既可以获得非常大的高宽比，又保证了多层膜波带片膜层的精 确位置和成膜质量，极大的提高了硬X射线波带片的聚焦效率和分辨率。2008年，Argonne 实验室利用WSi2/Si材料对制作的MLL利用I级次衍射在19. 5keV处实现了 16nm的线聚 焦。多层膜Laue透镜的优越性能使其成为目前国际X射线显微领域的研究热点2008年， 日本兵库县大学利用MoSi2/Si制作的MLL在20keV处实现了 28. 2nm的线聚焦；2010年德 国哥廷根大学利用脉冲激光沉积和聚焦离子束技术制备了 MLL并进行了一维拼接实验。多 层膜Laue透镜已成为将硬X射线显微成像分辨率推进到IOnm以下最有希望的方法之一。
发明内容
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种硬X射线微聚 焦高级次多层膜Laue透镜，利用高级次衍射，进一步提高硬X射线显微聚焦的分辨率。本 发明的核心是采用具有高分辨率特性的高级次衍射对硬X射线进行聚焦。同时针对目标衍 射级次，通过优化多层膜结构中材料的厚度比，并选择合适的截面深度，使入射能量在不同 级次间重新分配，极大的提高高级次衍射的效率，克服了传统波带片高级次衍射效率低下 的问题。为最终实现高效率的纳米级硬X射线聚焦提供新的方法。[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现[0006]硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该Laue透镜由吸收层和间隔层周期性构成，其中所述吸收层的材料是局部光栅中的高原子序数材料A，间隔层材料是低原子序数材料B。[0007]多层膜Laue透镜具有截面深度t，t为垂直于薄膜生长方向的元件长度。[0008]该多层I旲Laue透镜具有厚度比Y = dA/ (dA+dB)，dA是吸收层的厚度，dB是间隔层的厚度，厚度比的确定包括以下步骤[0009](I)根据实验应用时所需的能段、工作距离和聚焦成像的分辨率要求，选择多层膜 Laue透镜的工作波长λ、1级次聚焦的焦距f和最外层的光栅周期Drrat ；[0010](2)采用wedged结构的高级次多层膜Laue透镜在入射面(深度t = O)处，膜层位置由公式⑴确定
权利要求
1.硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该Laue透镜由吸收层和间隔层周期性构成，其中所述吸收层的材料是局部光栅中的高原子序数材料A，间隔层材料是低原子序数材料B。
2.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，多层膜Laue透镜具有截面深度t，t为垂直于薄膜生长方向的元件长度。
3.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该多层月旲Laue透镜具有厚度比Y = dA/(dA+dB)，dA是吸收层的厚度，dB是间隔层的厚度，厚度比的确定包括以下步骤 (1)根据实验应用时所需的能段、工作距离和聚焦成像的分辨率要求，选择多层膜Laue透镜的工作波长/、1级次聚焦的焦距f和最外层的光栅周期Drrat ； (2)采用wedged结构的高级次多层膜Laue透镜在入射面(深度t= 0)处，膜层位置由公式⑴确定
4.根据权利要求
3所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的Y _在计算时，周期分别为D1, D^Dn的不同光栅的理想衍射效率随深度的变化曲线 nn(Y_，t)和平均效率曲线 nmean(YQpt，t) = (n l(yopt, t)+n2(yopt, t)+---+ nn(y opt, t))/n，选择平均效率最大值对应的深度为透镜的最优深度t_。
5.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该多层膜Laue透镜采用wedged结构，即从中心到外层，每层薄膜分别倾斜不同的Bragg角
专利摘要
本发明涉及硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，通过改变组成多层膜Laue透镜局部光栅的2种材料的厚度比(γ＝dA/(dA+dB)，A为吸收层，B为间隔层)，选择合适的截面深度t，极大的提高高级次衍射的效率，从而有效的利用高级次衍射光，进一步提高硬X射线的聚焦分辨率。与传统的多层膜Laue透镜相比，本发明提出利用Laue透镜的高级次衍射对硬X射线进行聚焦，并通过改变Laue透镜结构中不同材料的厚度比，克服了传统波带片高级次衍射效率低下的问题，是实现高效率纳米级硬X射线聚焦的有效方法。
文档编号G21K1/06GKCN103021496SQ201110287085
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月24日
发明者黄秋实, 朱京涛, 李浩川, 王占山 申请人:同济大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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