PMMA材料制作X射线组合透镜技术研究

　　1　引　言

　　尽管在X射线发现之初人们就试图象制作可见光透镜一样制作出X射线透镜,但由于在X射线波段所有材料的折射太弱,吸收太强,因此长期以来制作X射线透镜被认为是不可能的。进入20世纪90年代,对可否制作及如何制作X射线透镜的讨论又活跃起来。迄今为止,已经开发出许多X射线光学器件用来聚焦X射线,包括弯曲晶体、多层X射线反射镜[1],Fresnel和Bragg2Fresnel波带片[223],毛细管光学器件[4]等。这些器件在各种X射线分析技术中起到十分关键的作用。例如,在软X射线波段,X射线波带片作为X射线显微镜的标准工具在样品的自然状态下对它们进行研究。但这些器件不能或很难用于硬X射线波段。

　　1996年Snigirev报道了采用多个单片折射单元组合的方法来缩短焦距,并用低原子序数材料制作出了X射线组合透镜,对14 keV的X射线辐射聚焦获得8μm焦斑[5]。至此利用折射效应对X射线辐射聚焦宣告成功。同时X射线组合透镜的研制成功也解决了长期以来困扰该领域研究人员的对高能(>5 keV)X射线辐射聚焦的瓶颈问题。随后,许多进一步的研究结果被报道,包括理论研究[628]、制作技术研究[9210]以及实验的X射线分析系统[11215]等。

　　X射线组合透镜有许多优点,如不需要折转光路,高温稳定性好且易冷却,结构简单紧凑,对透镜表面粗糙度要求低,等等。因此该元件在科学和技术的研究中有广泛的应用前景。首先它是用于同步辐射最合适的X射线光学元件。可用其对同步辐射线束预聚焦;可作为X射线高能成像元件对发光物体如同步辐射undulator源成像;并可用于诊断低发射同步辐射源的电子束。当辐射能量高于30 keV时,校准狭缝或针孔制作极其困难,此时可用聚焦组合透镜替代狭缝或针孔达到校准的目的。用该元件制作的X射线微探针可用于衍射及荧光分析,可在半导体工业中探测化学成分、晶体质量及机械应力。从原理上说,该元件也可用于中子束聚焦,因为中子束的折射率指数与X射线束相似;对于自由电子激光器,特别是极紫外及X射线自由电子激光器,它也是可供选择的聚焦元件。本研究中采用了LI2GA技术中的同步辐射软X射线光刻手段完成了PMMA材料的高能X射线组合透镜的制作。LIGA技术可以加工出最细线条达亚微米量级,加工的结构深度达mm甚至cm量级,深宽比高达200的微结构,可加工塑料、金属、陶瓷等多种材料,应用领域越来越广泛。对高能X射线聚焦组合透镜的制作来讲,LIGA技术将以其高精度及高深宽比的突出特点,成为其重要的工艺手段。

　　2　X射线组合透镜的聚焦性能

　　假设高能X射线组合透镜由l个平凹折射单元组成,组合透镜的厚度尺寸为lt。如图1所示,R为凹面半径,d和t分别表示单元透镜的中心厚度和边缘厚度,D(r)为折射单元有效口径内任意点处的材料厚度。若lt远远小于组合透镜的焦距,则组合透镜可被视为薄透镜。可将组合透镜看作衍射屏。根据X射线波段强吸收的特点,若要得出该衍射屏的特性需要综合考虑X射线折射效应和吸收效应的作用。