[发明专利]一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构

说明书

本发明涉及一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值，周期膜层厚度也由表面到基底单调变化。与现有技术相比，本发明一方面克服了传统侧壁垂直的大高宽比层状多层膜光栅结构制作难度大、机械稳定性差的缺点，显著提高光栅元件的稳定性和使用寿命，且光栅最高效率不变；另一方面上窄下宽的膜堆结构能进一步提高X射线的有效穿透深度，从而可获得更高的分辨率和光谱纯度。本发明可作为高分辨率X射线光谱测量的关键反射元件。

技术领域

本发明属于多层膜反射元件技术领域，涉及一种X射线多层膜光栅元件，尤其是涉及一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构。

背景技术

X射线光谱技术是分析物质成分、原子结构及电子价态等信息的重要手段，在材料科学、天文物理、生命科学等各领域都有重要应用。X射线单色器是X射线光谱仪器中的关键元件，其光谱分辨率决定了对物质成分和结构的探测精度。

在硬X射线波段，天然晶体是良好的单色元件，但由于晶面间距的限制，它难以应用于软X射线波段。多层膜是天然晶体在中低能段的延伸，作为一维人工晶体其周期厚度灵活可调，且具有较高的反射率。但受限于膜层材料对X射线的吸收，常规多层膜的分辨率只有1％-2％。

如图1所示，层状多层膜光栅(Lamellar Multilayer Gratings，简称LMG)通过在多层膜内刻蚀出光栅结构，有效降低了膜层的等效密度和吸收，从而增加入射光的穿透深度，提高多层膜元件0级反射的分辨率。此时分辨率ΔE/E正比于光栅的占宽比，即多层膜堆宽度和占宽比越小，分辨率越高。同时，当光栅工作在单级次条件下(只有一个衍射级次被激发)且膜对数足够大时，LMG可以获得和常规多层膜一样高的理论极限反射率。但高分辨率高效率层状多层膜光栅的研制要求制作出宽度在100nm左右、高宽比大于10且侧壁垂直的多层膜堆结构，这对制作工艺提出了很高的挑战。而这种大高宽比层状结构的机械稳定性也较差，在制作和后续应用中可能会坍塌破损，严重影响实际的光学性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，通过设计新型侧壁倾斜式光栅结构，来避免传统LMG大高宽比多层膜堆的制作难题，提高元件结构的机械稳定性，保证0级次的高效率，并进一步提高0级次的分辨率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值。

进一步地，多层膜堆任意高度位置的所述占宽比满足线性函数：

Γ_h＝Γ_t+(Γ_b-Γ_t)*(L-h)/L

其中，Γ_h为高度位置h处的占宽比，L为多层膜堆的总高度，Γ_t为膜堆顶部占宽比，Γ_b为膜堆底部占宽比。

进一步地，所述多层膜堆由高、低原子序数的两种或多种材料周期性交替叠加组成，每个周期膜层厚度随不同高度位置的占宽比变化而变化。

进一步地，所述周期膜层厚度随占宽比从顶部到底部单调增大。

进一步地，对0级次衍射工作方式，所述周期膜层厚度的表达式为：