软X射线多层膜反射镜的设计与制作

【摘要】： 软x射线多层膜反射镜的出现，是x光学的重大事件。它从根本上改变了传统的掠入射反射x光的方法，使正入射反射x光成为可能，并极大的促进了x光学的发展。由于软x射线多层膜反射镜具有高反射率和带通滤波的特点，x光学的各个领域对之产生了强烈的需求。 在软x射线(1nm＜λ＜30nm)的长波长区域(10nm＜γ＜30nm)，多层镜的制作已经成熟，例如：在13.4nm处反射率峰值达到66％。但在软x射线短波段(λ＜10nm)区域，实测反射率大大低于理论设计的反射率，高反射率多层膜反射镜的制作仍处于探索阶段。本论文所完成的是在软x射线短波段的五个波长处(最短波长为1.03nm)，研制具有实用反射率的软x射线多层膜反射镜，并应用于惯性约束核聚变(ICF)实验中的软x光能谱测量。在ICF实验中，激光等离子体产生的x光主要分布在亚仟电子伏特区(0.1-1.5keV)，它的总能量、能谱特征、发射时间过程和空间分布都是理论和实验极为关心的基本数据。从而使x光能谱的测量成为ICF实验中的至关重要的诊断内容。 在多层膜反射镜的设计中，作者首先针对软x射线的强烈吸收和弱反射的特性和材料的物理化学性质，选择了多种可能的配对材料作为候选的配对材料。从薄膜光学理论的递推法出发，以Henke的散射因子为依据，计算了候选材料的峰值反射率，从中得到了软x射线短波段的五个波长处的最佳材料配对。然后使用模拟退火算法作为优化方法，对软x多层镜结构参数进行了优化，得到了比较理想的设计结果。之后将适用于软x射线波段的D.Stearns的散射理论应用于软x射线多层膜反射镜的粗糙界面的散射研究，并基于该理论提出了一种多层膜反射镜的修改设计方法。用该方法确定了基底粗糙度的设计值，从而完成了多层膜反射镜的设计。 根据多层膜的设计结果，我们采用磁控溅射技术进行了多层膜的沉积。在多层膜的淀积过程中，使用小角x射线衍射的方法对多层镜进行了反复的标定，获得了软x射线短波段多层膜反射镜沉积的优化工艺参数。并在此基础上，完成了五个波长的多层镜的淀积，多层膜的膜厚误差仅为0.05nm。多层镜反射率的测量是在中国科学院北京高能物理研究所的同步辐射装置的3B1束线上进行的。测量结果表明：本文所研制的多层膜反射镜均具有实用的反射率，特别是中心波长为1.03nm的多层镜，其峰值反射率达到10％。 以多层镜为核心构成了我国第一台的多层镜分光软x光能谱仪样机。2001年底在上海“神光2”激光装置上进行的惯性约束核聚变(ICF)实验的软x光光谱测量中，获得了实测的软x光能谱。