基于梯度周期多层膜的X射线掠入射聚焦系统研究

多层膜聚焦系统能将常规X光管发出的辐射聚焦成高亮度的单色X射线，可以用常规光源完成过去只能在同步辐射上进行的研究，也可实现同步辐射X射线的几十纳米甚至几纳米的聚焦。近年来，多层膜聚焦系统正成为一种新型的X射线分析工具，在晶体结构分析等前沿领域获得重要应用，同时也是X射线衍射仪器研发的热点；我国在多层膜元件和X射线光学系统方面虽有涉猎，但还没有全面开展过多层膜聚焦系统的研究，制约了我国发展自己的带微聚焦系统的X射线分析设备。因此，本项目对于我国的X射线分析研究、同步辐射的纳米级聚焦以及X射线衍射仪的研发具有重要的意义。研究的重点包括：解决超光滑椭圆柱面基板的制作方法与工艺，研制梯度周期多层膜以克服镜面不同位置的掠入射角变化，摸索X射线掠入射系统的超高精度装调技术。在突破以上关键技术基础上，研制出我国第一台X射线多层膜掠入射聚焦系统样机，为我国的X射线分析设备和同步辐射纳米聚焦的发展奠定基础。

高亮度的X射线光源是现代物质微结构分析的重要工具，广泛应用于材料、生命、环境、物理、医药、地质等学科领域。同步辐射光源虽然性能优异，但体积庞大，建造昂贵，且使用机时有限，给许多实验的开展带来了不便。因此，本项目旨在研制基于多层膜光学的X射线聚焦光学系统，利用小功率的X射线光管获得高亮度的单色X射线，满足实验内的X射线衍射分析要求。按照项目任务书要求，开展了X射线光学系统的光学设计、X射线横向梯度多层膜、X射线超光滑非球面反射镜、X射线光学系统装调等研究工作，研制出X射线微聚焦系统样机，并开展了演示性实验。（1）X射线Montel型KB光学系统设计：通过初始结构光学关系分析，明确了工作能点、椭圆柱面长短半轴，反射镜口径、放大倍数等各参数间的关系；分析了正交非球面反射镜的间隙损失；建立了Montel系统的光学模型。利用此模型，确定了针对Cu（8.04keV）和Mo（17.44keV）以及Ag（22.1keV）的Kα特征谱的系统结构参数。建立了仿真模拟程序，模拟了扩展光源对应的聚焦斑的变化，给出了焦斑平均强度、焦斑均匀性、焦斑位置、发散度的模拟结果。（2）横向梯度周期多层膜技术研究：利用课题组现有的基板行星转动的磁控溅射镀膜系统，建立了转动模型，理论设计了膜层厚度分布所需的基板公转调速曲线；摸索了磁控溅射的工艺条件，突破了梯度多层膜的制备技术。制备了厚度变化为16%梯度的W/Si多层膜，周期变化的测量值和理论计算结果一致，证明采用公转速度优化的方法，可以实现薄膜厚度在平行基板表面方向上的有效调制。（3）超光滑非球面光学元件研究：研究了镀膜沉积生长方法制备了非球面反射镜，给出了掠靶和驻靶条件下的掩膜设计，摸索了沉积生长的工艺。研究了基于热成形方法的非球面反射镜制备工艺，摸索了温度调控曲线，制备出椭圆柱面反射镜样品，表面粗糙度优于0.5nm。（4）微聚焦系统的集成和性能检测：掌握了X射线掠入射光学系统的精密装调方法，实现了系统的集成；研制出小功率X射线光管结合多层膜聚焦光学的Home-Lab型微聚焦系统。利用X射线CCD，测量得到样机最小焦斑斑约200微米，发散度3-5mrad。利用电离室探测器，测得30W功率时对应光子通量约2×10E+009phontos/s/mm，性能指标达到任务书的要求。在此基础上，开展了粉末衍射、晶体衍射等演示性实验，验证了样机的性能。