基于锥形衍射的高通量过渡X射线多层膜光栅光谱仪

X-Ray spectral analysis is a powerful physical, chemical and biological analysis method, which has strong requirement in many fields such as in modern physics, analytical chemistry, material science, biology, medicine, astronomy, environment, industry and agriculture. The tender X-ray range (1-4 keV) covers a large number of K- and L-edges of medium-Z elements, and M-edges of high-Z elements, and it is of great significance for scientific research. However, gratings and crystals both have many limitations in this energy range..In this research, we suggest to develop a multilayer grating spectrometer based on conical diffraction. This research will study the diffraction formulas used in the engineering design for different kinds of multilayer gratings, and build up a high efficiency spectrum experiment system based on the optimization of the optical system and the structural parameters of the multilayer grating. This system will make full use of the advantages of the multilayer grating, such as its high efficiency and high spectral resolution, might increase the quality of spectrum detection greatly in the tender X-ray range.

X射线光谱分析是一种非常强大的物理、化学及生物分析方法，在现代物理、分析化学、材料科学、生物医学、天文学、环境科学、工农业等均具有重要应用。过渡X射线能段（1-4 keV）覆盖了大量的中Z元素的K边和L边以及高Z元素的M边，具有非常重要的研究意义。然而，在此能段光栅和晶体的通光效率和光谱分辨率都具有较大限制。.本项目提出了一种基于锥形衍射的多层膜光栅光谱仪，建立锥形衍射状态下不同类型多层膜光栅的工程设计衍射方程，优化光谱仪光学系统和多层膜光栅结构参数，建立过渡X射线能段的高效光谱仪实验系统。该光谱系统将充分利用多层膜光栅高效率和高分辨的优点，有望极大地提高过渡X射线能段的光谱探测质量。

X射线按能量可以分为软X射线（< 1 keV）和硬X射线(> 5 keV)，以及过渡X射线（“Tender” X-Ray，1-5 keV）。在软X射线能段，主要使用光栅作为分光元件，光栅需要掠入射以保证衍射效率。硬X射线能段主要使用晶体作为分光元件，利用晶体的Bragg衍射实现不同能量的分光。然而，在过渡X射线能段，使用光栅作为分光元件即使采用很小的掠入射角也不能得到较高的衍射效率；同时，由于晶体自身参数的限制，其在过渡X射线段也不能得到很好的效果。.针对此，本项目提出了结合锥形衍射和多层膜光栅的特点，以实现更高效率的过渡X射线光谱分光的新方法。本项目完成了基于严格耦合波理论的锥形衍射多层膜光栅光谱分光的模拟仿真和性能分析，核心多层膜光栅元件的设计加工和离线检测，德国同步辐射装置BESSY-II的光学光束线上的实验验证，最终实验数据的解读和分析等工作，最终完成了锥形衍射多层膜光栅光谱分光性能的验证工作，获得了优于10%@1.5 keV的实际衍射光谱分光效率和0.1的能量分辨。在项目研究过程中，项目组成员还设计了一种高精度的光栅线密度检测系统，实现了对商业光栅和所加工多层膜光栅的线密度的高精度检测，该测试系统同样能够应用于其它光栅的检测。.经过本项目的研究，掌握了多层膜光栅锥形衍射光谱分光性能分析的模拟仿真方法，认识了多层膜光栅结构参数对锥形衍射光谱分光效率的影响规律。通过同步辐射在线测试验证了模拟计算方法的准确性，认识了影响多层膜光栅锥形衍射性能的关键结构参数，达到了项目的预期目标。通过本项目的研究，从理论和实验上验证了多层膜光栅锥形衍射用于过渡X射线高效光谱分光的可行性，在同步辐射和自由电子激光光束线光束分光泵浦诊断和光谱探测方面具有较好的应用前景。