X射线高分辨率多层膜设计、制作与检测方法研究

高分辨率和高通量X射线单色器在X射线晶体衍射、X射线荧光分析、激光稠密等离子体诊断和X射线天文学等领域有重要应用。周期可调的多层膜不但能填补传统光栅与天然晶体之间的波段空隙，而且具有光通量大、性能稳定、成本低和测量时间短等优点。但其最大限制是光谱分辨率低，因此，如何在保证多层膜反射率不变的情况下尽量提高多层膜光谱分辨率成为这一领域内新的研究热点。高分辨率多层膜的研制将开创一些新的实验方法，如用其构成的单色器在保证光谱分辨率的前提下，大大提高了X射线强度，使得测量蛋白质结构更加快速。本项目拟开展X射线高分辨率多层膜设计、制备与检测方法研究，探索高光谱分辨多层膜的选材原则和设计准则，优化多周期数小周期多层膜制作的实验参数，探寻高光谱分辨X射线多层膜结构和性能的检测方法，实现高光谱分辨X射线多层膜的研制，为我国同步辐射和激光稠密等离子体诊断实验等需求的单色器元件研制提供坚实的设计基础和技术支撑。

针对我国同步辐射与激光等离子诊断实验对高分辨率X射线多层膜的需要，系统开展了高分辨率多层膜反射镜的设计、制备以及检测方法研究等。设计1～25 keV工作能量范围的高分辨率多层膜；通过理论与实验研究，解决了多层膜沉积速率修正、界面粗糙度、纳米超薄多层膜的膜厚控制、应力等难题，掌握了X射线高分辨率多层膜制作的关键技术；建立了高分辨率多层膜性能的评价体系。特别是在沉积速率校正，界面平滑层研究，纳米薄膜标记层方法研究等方面取得了创新成果，解决了关键科学与技术难题，制备了W/Si,Cr/C,W/B4C, WSi2/Si等一系列高分辨率多层膜单色器，取得了一系列研究成果。.采用WSi2/Si材料组合，研制了周期厚度2.2nm，膜对数N=300对的高分辨率多层膜单色器，在8keV的反射率为38%，分辨率为0.98%，接近理论值0.77%。采用B4C作为平滑层，显著改善了Cr-Ti界面材料之间的扩散，成功把超薄膜层推进到1.0nm以下，实现了周期厚度只有1.38nm，膜对数600对的超薄高分辨率Cr/Ti多层膜制备，而且多层膜的热稳定性显著提高，同步辐射反射率测量、电子显微镜测试与退火实验证明了膜层结构的显著改善。采用标记层方法，成功解决了上千层，几十微米厚的多层膜中每一层薄膜的精确定位。成功制备了周期厚度D分别为1.03nm，1.12nm,1.24nm和1.77nm的超薄W/B4C多层膜，在英国Diamond同步辐射光源与国外同类多层膜元件对比测试了1.24nm和1.77nm多层膜，结果优于或相当国际同行。为我国北京同步辐射实验室4W1B光束线研制了15keV的高分辨率多层膜单色器，已经安装在光束线上应用；为激光等离子体诊断实验研究，提供了2.5keV和3.0keV的高分辨率多层膜单色器，获得成功应用，替代了进口元件。.本项目的研究成果为我国同步辐射和激光稠密等离子诊断等实验需要的高分辨率多层膜元件研制提供坚实的研究基础和技术支撑，并在X射线天文观测等领域有重要应用前景。

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