[发明专利]硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜

说明书

技术领域

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

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100nm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。

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1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10nm以下最有希望的方法之一。

发明内容

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。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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。

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。

该多层膜Laue透镜具有厚度比γ＝d_A/(d_A+d_B)，d_A是吸收层的厚度，d_B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λ、1级次聚焦的焦距f和最外层的光栅周期Dr_out；

(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(1)确定：