大高宽比硬X射线波带片制作及聚焦测试

为得到同步辐射光源硬X射线波段(2keV)需要的高宽比高分辨率波带片,本文利用高加速电压(100kV)电子束光刻配合Si3N4镂空薄膜直写来减少背散射的方法,对硬X射线波带片制作技术进行了蒙特卡洛模拟和电子束光刻实验。模拟结果显示:Si_3N_4镂空薄膜衬底可以有效降低电子在抗蚀剂中传播时的背散射,进而改善高密度大高宽比容易引起的结构倒塌和粘连问题。通过调整电子束的曝光剂量,在500nm厚的镂空Si_3N_4薄膜衬底上制备出最外环宽度为150nm、金吸收体的厚度为1.6μm,高宽比大于10的硬X射线波带片。同时,引入随机支撑点结构,实现了波带片结构自支撑,提高了大高宽比波带片的稳定性。将利用该工艺制作的波带片在北京同步辐射装置X射线成像4W1A束线8keV能量下进行了聚焦测试,得到清晰的聚焦结果。     

高分辨率X射线衍射光学元件

评述了BESSY研制的用于X射线聚焦的各种衍射光学元件。基于布拉格-菲涅耳光学元件,设计了高效高分辨率X射线聚焦和色散光学元件。描述了对长焦距布拉格-菲涅耳透镜与可变曲率半径反射镜组合所做的实验研究。用一块反射菲涅耳波带板作聚焦和色散光学元件进行了短脉冲X射线吸收谱(XAS)的测量。     

单晶X射线衍射技术的进展评述

本文评述了十余年来单晶X射线衍射技术的进展。介绍高亮度X射线光源的获得,能够大幅度提高衍射数据收集速度和灵敏度的二维电子面探测器成像板IP和电荷耦合器件CCD的工作原理和应用等,并通过实例说明这些技术上的重大进步正在极大地推动人们对物质微观结构的深入认识并带来巨大的成果。     

X射线多重衍射效应

本文介绍了X射线多重衍射效应的起因,多重衍射图谱的指标化,给出了用普通X射线粉末衍射仪观测多重衍射效应的方法,并简要说明了多重衍射效应的应用。     

弯晶X射线光学

近年来,人们付出很大精力研制新的具有独特性能的同步辐射装置和自由电子激光器,而飞秒激光等离子源可提供具有高峰值亮度的超短X射线脉冲,用来作为波荡器辐射的补充X射线源。此外,所有最新型的X射线源的诊断和应用也都需要专用X射线光学元件或仪器。X射线光谱测量是激光聚变应用中最重要的等离子诊断方法之一,该方法根据实验目的,可获得单色X射线图像或与空间或时间分辨相组合的高分辨率图像。已经研制出拥有多达10个环状弯晶的高精单色成像仪,用以研究激光聚变实验中的内爆过程并通过获得的数据对等离子体参数的时间分辨图做出评估。大功率飞秒激光器可提供实用的相对价格不高的大功率X射线脉冲源,但需要有发光效率,能量分布,以及热电子传输方面的信息来实现理想K层辐射线或者连续X射线输出的最大化,以便得到相当于同步辐射输出的峰值亮度。把这些新的射线源与弯晶光学元件相组合,可完成亚皮秒时间量级的衍射实验。激光泵浦的X射线探针实验已经展示了若干晶体在250 fs内的结构变化。作者所在研究所使用光线追踪和布拉格反射方法设计了1D或2D或1D与2D结合的弯晶X射线光学仪器。在仪器制备过程中,非常注重晶体完整,反射选择的优化,弯曲精确,以及成像和反射特性的测量,还使用X射线形貌相机和衍射仪对分析器晶体的相关特性做了测试。     

硫化锌纳米粒子的X射线衍射研究

利用X射线衍射技术对硫化锌纳米粒子进行了测试分析,详细研究了X射线衍射过程中扫描狭缝、接收狭缝、电压、电流、扫描速度及步长等参数对产物衍射峰的影响,优化出适合硫化锌纳米粒子的最佳测试参数,并利用最佳的X射线衍射曲线对产物进一步深入分析,获得硫化锌纳米粒子的粒径和晶格参数等信息,为X射线衍射技术在纳米材料领域的应用提供了实例。     

X射线成像波带片及制作

研究了X射线成像波带片的工作原理和制作工艺。从理论上分析了波带片的空间分辨率与最外环宽度的关系,以及波带片衍射效率与厚度和折射率的关系。利用国家同步辐射实验室发展的加工工艺,即电子束光刻技术和X射线光刻技术结合制作波带片。实验结果表明:波带片最外环宽度为150 nm,高宽比为4,基本满足高分辨X射线成像波带片的高空间分辨率、大高宽比、高精度等要求。     

粉末X射线衍射用多功能附件的功用及其原理

标题所示附件是迎合粉末X射线衍射用多功能XMF数学模型的需要而研制的,故而得名,该多功能附件是与主机二维广角X射线衍射仪配套使用的。适合于粉末及固体薄膜等多晶材料的定性、定量、剖面、取向/织构分析,多晶及单晶体取向测定等;同时兼顾表面反射和透过反射等多种方式。这套附件具有构造简单、功能多样、分析结果直观等优点,可以作为“附件”完善现有衍射设备使其升级并具有多种新功能,也适合厂家生产构造合理、功能多样的三维(圆)X射线衍射设备。本文概要介绍其结构、原理及其功用。     

大型X射线光学仪器:单层镜和多层镜的制造与表征

150~500 mm长度的各种X射线光学元件可用于光束导引,光束调整,以及单色化。本文介绍了两种不同的大型X射线反射镜。第一种为单层反射镜,这种反射镜以2°掠入射角在软X射线区(50~200 eV)起全反射镜作用,可用于自由电子激光器,如德国汉堡的FLASH。第二种是多层镜,由于它的布喇格反射特性,适于作为反射镜以0.4~1°的入射角用于硬X射线区(20~50 keV),如层析光束线的同步辐射存储环中。两种反射镜都用最新物理汽相淀积法制备,并用磁控溅射来实现X射线光学应用所需要的优良光学品质。这一淀积工艺使不同批次的镀膜稳定性良好,有利于实际反射镜在优质衬底上的最后淀积。单层镜和多层镜在它们的相关能量范围内都有很高的反射率,表面粗糙度也很低,且在整个光学波长区这些特性表现均匀。文中所叙相关研究都是借助X射线反射计量(XRR)法,透射电子显微镜(TEM)、光学轮廓仪(OP),以及原子力显微镜(AFM)完成的。     

X-ray microscopy: experimental results with the Göttingen X-ray microscope at the electron storage ring BESSY in Berlin

An X-ray microscope and X-ray microscopy experiments with biological specimens are described. The experiments have been performed with a resolution of about 0.05 μm using the synchrotron radiation of the electron storage ring BESSY.     

Soft X-ray microscopy with a cryo scanning transmission X-ray microscope: I. Instrumentation, imaging and spectroscopy

We have developed a cryo scanning transmission X-ray microscope which uses soft X-rays from the National Synchrotron Light Source. The system is capable of imaging frozen hydrated specimens with a thickness of up to 10 μm at temperatures of around 100 K. We show images and spectra from frozen hydrated eukaryotic cells, and a demonstration that biological specimens do not suffer mass loss or morphological changes at radiation doses up to about 10¹⁰ Gray. This makes possible studies where multiple images of the same specimen area are needed, such as tomography ( Wang et al. (2000 ) Soft X-ray microscopy with a cryo scanning transmission X-ray microscope: II. Tomography. J. Microsc . 197, 80–93) or spectroscopic analysis.     

大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作

利用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为1 mm × 1 mm,周期为300 nm,金吸收体厚度为1 μm的用于X射线显微成像技术的透射光栅。首先利用电子束光刻和微电镀技术在Si3N4薄膜上制作周期为300 nm,厚度为250 nm的高线密度光栅掩模。然后利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1 μm,占空比接近1：1,高宽比为7的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点     

用于无模光刻的连续浮雕谐衍射透镜阵列设计

为了获得实时调焦写入以及高的系统分辨力和衍射效率,提出了一种基于连续浮雕谐衍射透镜阵列的无模光刻方法。该方法采用连续浮雕谐衍射透镜阵列作为无模光刻的物镜阵列,在兼顾系统分辨力和衍射效率基础上,由同一衍射透镜阵列实现聚焦写入和检焦;同时利用谐衍射透镜的深浮雕特性调制透镜的环带宽度,降低透镜的制作难度。在分析谐衍射透镜特点以及考虑激光直写制作工艺对连续深浮雕衍射聚焦特性影响的基础上,设计、制作并测试了设计波长为441.6nm,F数为7.5的连续浮雕谐衍射透镜阵列。测试结果表明,该阵列同时具有聚焦写入和检焦功能,且对写入激光和检焦激光的衍射效率均优于70%,有望改善无模光刻的制作质量。     

类镍钽软X射线激光用多层膜反射镜的研制

设计并制备了工作波长为4.48 nm类镍钽软X射线激光用多层膜反射镜。选择C r/C、C r/Sc为多层膜材料对,模拟了多层膜非理想界面对多层膜反射率的影响。采用直流磁控溅射技术在超光滑硅基片上制备了C r/C、C r/Sc多层膜。利用X射线衍射仪测量了多层膜结构,在德国Bessy II同步辐射上测量了多层膜的反射率,C r/C,C r/Sc多层膜峰值反射率分别为7.50%,6.12%。     

X光光刻工艺微针阵列的制备、测试和仿真

为了提高透皮给药的效率,降低传统注射对人体的疼痛感,需要制备微针阵列结构。本文介绍了一种新的微针阵列结构的制造技术。利用日本立命馆大学的同步辐射光源AURORA进行两次X光移动光刻和一次固定X光光刻技术,在PMMA光刻胶上得到微针阵列。通过采用不同的掩膜版图形以及对不同位置的空心孔进行X光光刻,获得了不同规格的空心微针阵列,针对固定X光光刻时对准的问题,自行研制了X光光刻对准装置,实验结果证明,该装置能实现空心微针阵列的制备。并且进行了微针刺穿测试,结果证明微针有足够的强度。为了达到低成本批量复制微针阵列的目的,还进行了微针模具的倒模和复制实验,成功得到金属镍实心微针阵列。最后,针对光刻过程中微针阵列结构的侧面形状发生畸变的情况,对移动X光光刻建立了仿真预测,将仿真预测结果与实验结果进行了比较,结果表明显影深度的误差为5%。     

Repeatable and accurate assembly of X-ray foil optics

Repeatable and accurate assembly of thin, foil optics is crucial to meeting performance goals in optical systems such as grazing-incidence X-ray telescopes and diffractive lithography tools. Our previous work in proving key technologies for assembly has been motivated by the need to meet spectral resolution goals for the NASA Constellation-X mission. We report a new generation of technology that makes strides towards simulating actual telescope assembly conditions. Our technology is based on the use of micromachined silicon tooling that we call microcombs. Theoretical error budgeting and analytical models were applied to a mechanical design with an isolated metrology frame and high-resolution actuation with feedback. Experimental testing has yielded assembly results with sub-micron repeatability and accuracy. For complete foil reassembly, placement errors are approximately 0.3  m over a 140 mm× 100 mm× 0.4 mm foil. Accuracy of assembly in pitch and yaw are 0.34 and 2.01  m, respectively. This performance meets the 1  m telescope assembly accuracy goal with the exception of yaw accuracy, which is under continued development.