X射线Kirkpatrick-Baez显微镜用超反射镜的研制

　　惯性约束核聚变(ICF)研究是重大的科学前沿课题之一,其目标是获得干净、廉价且丰富的聚变能源[1]。在ICF诊断实验中,对内爆压缩区域进行高分辨率成像,可以获得辐射驱动源的对称性、均匀性以及内爆压缩等离子体流体力学不稳定性等重要的物理信息[2]。目前,X射线成像是内爆压缩区域成像的最好选择[3-4]。X射线Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜是ICF诊断研究中的重要设备之一。KB型显微镜采用两片正交放置的球面镜,以掠入射反射成像方式在子午面和弧矢面上获得X射线像。和通常使用的针孔相机相比,KB型显微镜可大幅度提高集光效率,获得高分辨、高信噪比的X射线图像。由于球面镜的加工比非球面镜容易,能更方便地获得高精度面形和极低表面粗糙度,因此KB型显微镜常用于较高能量的X射线成像。

　　在X射线波段,各种材料的折射率略微小于1,其与1的差别只有10-5~10-6量级,因此X射线全反射角临界角非常小。在掠入射成像系统中,增加系统的掠入射角(通常在0.7°~2°范围)可提高系统集光立体角和成像分辨率。随着ICF诊断要求的提高,KB型显微镜的工作能点不断提高(8~10 keV)。X射线KB型显微镜中的球面反射镜既要在较大的掠入射角有足够的反射率,又要保证在视场内有均匀的反射率。由于单层膜的全反射角远小于1°,而周期多层膜的带宽较窄(约0.06°),不能满足KB型显微镜对反射角度带宽的要求。为了使反射镜在较大的掠入射角度范围内获得一致的反射率,可设计出在膜层厚度方向上具有不同厚度的非周期多层膜X射线超反射镜,以拓宽反射镜的反射带宽[5]。X射线超反射镜已应用于X射线望远镜、平行光管和扫描成像系统等。本文设计并制备了用于KB型显微镜的非周期结构的X射线超反射镜。根据KB型显微镜的要求[6],超反射镜的设计目标为:平均反射率18%,反射带宽0.2°,设计中心角度为1.052°和1·143°。

    1　X射线超反射镜的设计

    1.1　膜层材料的选择

　　在多层膜设计中,首先需要考虑组成多层膜膜层材料对的选取。材料选取不仅要考虑在工作波段内不同材料的光学性能,还要考虑多层膜的制备工艺和实验条件等因素。X射线超反射镜是由折射率较大的散射层材料(一般为原子序数较大的材料)和起支撑作用的间隔层材料(一般为原子序数较小的材料)交替镀制而成。对此,Spiller[7]和Yamamoto[8]等人提出了膜层材料选择的标准。结合这些标准,有如下的选材要求:(1)两种膜层材料菲涅耳反射系数的虚部Im(rA)和Im(rB)尽可能小而菲涅耳系数的差值?rA-rB?尽可能大;(2)两种材料之间能形成清晰的界面,界面粗糙度尽可能小;(3)材料化学性质稳定、无毒。