高性能多层单色仪的开发

《Advanced Optical Materials》：Development of High-Performance Multilayer Monochromators

本文设计了双多层单色器（DMM），通过优化材料组合（如Ru/B4C和NiV/B4C）、动态沉积技术及离子束抛光基板，实现了88.7%和85.6%的高反射率（14.0 keV和22.4 keV），并解决了条纹效应问题。实验验证了 stripe-free 成像效果，为同步辐射光学提供了新一代解决方案。

　　多层光栅（Multilayer Monochromators, MLM）是现代X射线光学系统中不可或缺的组件，尤其在需要高光子通量但对能量分辨率要求相对宽松的应用中，例如X射线断层扫描和高通量小角度X射线散射（SAXS）等。这些多层结构通过周期性堆叠不同材料层，利用布拉格反射原理实现对X射线的高效选择。相较于传统的双晶体单色器（DCM），多层光栅（DMM）具有更宽的能量带宽和更高的光子通量，但其制造和应用过程中仍面临诸多挑战，如厚度均匀性控制、光栅表面质量优化以及对高次谐波的抑制等。本文详细探讨了DMM的设计、优化与制造过程，并通过实验验证了其在实际应用中的性能。

多层光栅的性能高度依赖于材料选择、周期结构和沉积工艺。材料对的选择需满足两个核心条件：一是反射层与间隔层之间具有显著的折射率对比（Δδ），以确保高反射率；二是材料的吸收系数（β）要尽可能低，以减少能量损失。此外，材料组合还需避免在X射线能量范围内出现吸收边，同时具备低界面粗糙度、抗氧化性和热稳定性等特性。例如，本文中用于KMX I24和B21光束线的Ru/B₄C多层结构，因其在特定能量范围内具有良好的折射率对比和低吸收特性，被选为理想材料。而对于B16光束线，由于需要覆盖更宽的能量范围（6至40 keV），研究人员评估了多种材料组合，包括WSi₂/Si、WSi₂/B₄C、V/B₄C、Ni/B₄C和NiV/B₄C等。其中，NiV/B₄C因能有效抑制Ni的晶化，从而降低界面粗糙度，被选为更优的材料组合。

在多层结构的设计中，层间距（d-spacing）和层数（bilayer number）是两个关键参数。层间距决定了布拉格角的大小，进而影响反射角和光束的传播路径。较大的层间距通常能提供更高的光子通量，但会降低能量分辨率；而较小的层间距则能提升分辨率，但可能影响反射效率。因此，设计时需在通量与分辨率之间找到平衡。此外，层间距的变化还会导致光束足迹（beam footprint）的扩大，这在实际应用中可能带来其他问题，如光束阴影（shadowing）等。为了解决这一问题，研究人员采用动态沉积（dynamic deposition）技术，通过精确控制沉积速率，使得光束足迹和层间距能够适应不同的光束线需求。例如，在KMX I24光束线中，采用70层的Ru/B₄C结构，其层间距为5.22 nm，布拉格角为0.52°，在14.0 keV能量下表现出88.7%的高反射率。

为了确保多层结构的均匀性，研究人员采用了优化的遮罩（mask）设计，以控制沉积过程中的厚度分布。传统的磁控溅射技术往往会导致溅射源中心的沉积速率高于边缘，因此，通过设计具有特定形状的遮罩，可以改善这种不均匀性。遮罩的中心区域较窄，边缘区域较宽，从而在保持边缘材料沉积的同时，降低中心的沉积速率。通过这种方式，研究人员实现了0.3%以内的布拉格方向（sagittal）厚度均匀性，以及0.26%以内的纵向（meridional）均匀性。这些优化措施显著提高了多层结构的均匀性，从而减少了光束反射过程中出现的条纹效应（stripe artifacts），这是DMM在实际应用中面临的一大挑战。

多层光栅的制造还涉及到对沉积参数的精确控制，如溅射功率、靶材与基底之间的距离、溅射气体成分等。在沉积过程中，氮气（N₂）作为反应气体被引入，以减少表面和界面粗糙度，并提高沉积稳定性。这种优化手段在Ru/B₄C结构中取得了显著成效，反射率提升了约5%。此外，为了确保多层结构的长期稳定性，研究人员还使用了离子束修整（Ion Beam Figuring, IBF）技术对基底进行处理，以降低表面曲率误差，从而减少反射光束中的条纹效应。在B16光束线的实验中，通过对比商用基底（PS）与自主研发的高精度基底（CS），研究人员发现后者在高度和曲率误差方面表现出更优的性能，从而实现了无条纹的高质量反射图像。

实验结果显示，不同多层结构在不同能量下的反射率表现各异。例如，NiV/B₄C结构在22.4 keV时反射率达到85.6%，而Ru/B₄C结构在14.0 keV时达到88.7%的高反射率。这些结果表明，通过精确的材料选择和结构设计，DMM能够满足多种光束线对不同能量范围的需求。同时，研究人员还利用实验室X射线衍射仪（XRD）和X射线反射率（XRR）测量技术对多层结构的性能进行了详细评估。这些测量方法不仅能够确定层厚、表面粗糙度和密度等参数，还能通过模拟和实验对比，验证实际沉积效果是否符合设计预期。

在实际应用中，DMM的性能直接影响图像质量。特别是在涉及高相干光束或精密成像技术的实验中，条纹效应会显著降低图像分辨率。为此，研究人员采用高精度基底并结合优化的遮罩设计，成功实现了无条纹的反射图像。例如，在KMX I24光束线的实验中，通过将双层结构（Ru/B₄C和NiV/B₄C）放置在双反射几何中，并使用白光束进行测试，研究人员发现使用自主研发的高精度基底（CS）能够显著减少条纹效应，使得反射图像更加均匀。此外，通过控制ROI（感兴趣区域）的大小，研究人员优化了反射率曲线的采集效果。过小的ROI会导致反射峰变宽，而过大的ROI则会降低分辨率。因此，合理的ROI选择是实现高精度XRR测量的关键。

本文的研究不仅验证了DMM在高通量X射线成像中的可行性，还为未来多层光学元件的设计和制造提供了新的思路。通过优化材料组合、沉积工艺和基底质量，DMM能够在保证较高反射率的同时，实现更宽的能量带宽和更高的光子通量。这不仅有助于提升实验效率，还能减少对样品的辐射损伤，特别是在需要长时间曝光的实验中。此外，DMM的稳定性使其适用于高热负载和高强度X射线源，如同步辐射装置中的磁铁和波荡器等。

随着同步辐射技术的不断发展，对高通量和高分辨率X射线光学元件的需求也在增加。DMM作为一种新型单色器，其在能量分辨率、反射率和光束稳定性方面表现出显著优势。然而，其制造和应用仍面临诸多挑战，如沉积均匀性控制、基底表面质量优化以及多层结构的耐久性等。本文通过一系列实验和优化手段，展示了如何通过精确的沉积控制和高精度基底处理，提高DMM的性能，并减少其在实际应用中的条纹效应。这些成果为未来同步辐射光学系统的设计提供了重要的理论和技术支持。

总的来说，本文的研究为多层光栅在X射线光学领域的应用提供了坚实的理论基础和实践指导。通过优化材料选择、沉积工艺和基底质量，研究人员成功开发出具有高反射率、低粗糙度和无条纹效应的DMM结构，这些结构能够满足不同光束线对能量范围和分辨率的要求。此外，通过实验验证，DMM在实际应用中表现出良好的性能，为高通量X射线成像和高分辨率实验提供了新的解决方案。未来，随着材料科学和沉积技术的进一步发展，DMM有望在更多高精度和高通量的X射线应用中发挥重要作用，推动同步辐射技术的进步。