[發明專利]一種側壁傾斜式X射線層狀多層膜光柵結構

有效

• 申請號: 201811150730.4
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN109243661B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 黃秋實;王占山;蔣勵;張眾
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G21K1/02
• 分類號: G21K1/02;G21K1/06
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種側壁傾斜式X射線層狀多層膜光柵結構，包括周期分布的多層膜堆，多層膜堆中心位置與每個光柵周期的中心位置重合，多層膜堆占寬比從頂部到底部單調增大，所述占寬比指多層膜堆任意高度位置上的橫向寬度與光柵周期的比值，周期膜層厚度也由表面到基底單調變化。與現有技術相比，本發明一方面克服了傳統側壁垂直的大高寬比層狀多層膜光柵結構制作難度大、機械穩定性差的缺點，顯著提高光柵元件的穩定性和使用壽命，且光柵最高效率不變；另一方面上窄下寬的膜堆結構能進一步提高X射線的有效穿透深度，從而可獲得更高的分辨率和光譜純度。本發明可作為高分辨率X射線光譜測量的關鍵反射元件。

技術領域

本發明屬于多層膜反射元件技術領域，涉及一種X射線多層膜光柵元件，尤其是涉及一種側壁傾斜式X射線層狀多層膜光柵結構。

背景技術

X射線光譜技術是分析物質成分、原子結構及電子價態等信息的重要手段，在材料科學、天文物理、生命科學等各領域都有重要應用。X射線單色器是X射線光譜儀器中的關鍵元件，其光譜分辨率決定了對物質成分和結構的探測精度。

在硬X射線波段，天然晶體是良好的單色元件，但由于晶面間距的限制，它難以應用于軟X射線波段。多層膜是天然晶體在中低能段的延伸，作為一維人工晶體其周期厚度靈活可調，且具有較高的反射率。但受限于膜層材料對X射線的吸收，常規多層膜的分辨率只有1％-2％。

如圖1所示，層狀多層膜光柵(Lamellar Multilayer Gratings，簡稱LMG)通過在多層膜內刻蝕出光柵結構，有效降低了膜層的等效密度和吸收，從而增加入射光的穿透深度，提高多層膜元件0級反射的分辨率。此時分辨率ΔE/E正比于光柵的占寬比，即多層膜堆寬度和占寬比越小，分辨率越高。同時，當光柵工作在單級次條件下(只有一個衍射級次被激發)且膜對數足夠大時，LMG可以獲得和常規多層膜一樣高的理論極限反射率。但高分辨率高效率層狀多層膜光柵的研制要求制作出寬度在100nm左右、高寬比大于10且側壁垂直的多層膜堆結構，這對制作工藝提出了很高的挑戰。而這種大高寬比層狀結構的機械穩定性也較差，在制作和后續應用中可能會坍塌破損，嚴重影響實際的光學性能。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種側壁傾斜式X射線層狀多層膜光柵結構，通過設計新型側壁傾斜式光柵結構，來避免傳統LMG大高寬比多層膜堆的制作難題，提高元件結構的機械穩定性，保證0級次的高效率，并進一步提高0級次的分辨率。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種側壁傾斜式X射線層狀多層膜光柵結構，包括周期分布的多層膜堆，多層膜堆中心位置與每個光柵周期的中心位置重合，多層膜堆占寬比從頂部到底部單調增大，所述占寬比指多層膜堆任意高度位置上的橫向寬度與光柵周期的比值。

進一步地，多層膜堆任意高度位置的所述占寬比滿足線性函數：

Γ_h＝Γ_t+(Γ_b-Γ_t)*(L-h)/L

其中，Γ_h為高度位置h處的占寬比，L為多層膜堆的總高度，Γ_t為膜堆頂部占寬比，Γ_b為膜堆底部占寬比。

進一步地，所述多層膜堆由高、低原子序數的兩種或多種材料周期性交替疊加組成，每個周期膜層厚度隨不同高度位置的占寬比變化而變化。

進一步地，所述周期膜層厚度隨占寬比從頂部到底部單調增大。

進一步地，對0級次衍射工作方式，所述周期膜層厚度的表達式為：