X射线超反射镜设计

　　1　引　言

　　近年来,装载在人造卫星上的X射线天文望远镜已经成功地在软X射线波段获取了X射线天文图像;同时,硬X射线天文望远镜也将于近期应用于天文成像领域[1]。另外第三代同步辐射光源的出现与发展,也促进了硬X射线衍射的应用,使其在材料的微结构研究(如:混合材料的内表面及高压条件下的材料状态)和医用成像领域的应用取得了很大的进步[2]。历史上,在很长的一段时间里,天然晶体一直是X射线波段的光学元件。但是,它过窄的带宽,严重限制了出射通量,在很多情况下是不能使用的[3_4]。由单层金属构成的反射镜在掠入射X射线光学系统中得到了一定的应用。但是由于金属材料的全反射临界角限制了反射镜所能反射的X射线的最高能量,例如:金膜制成的反射镜,对8 keV的X射线,全反射角为0.55°。一旦掠入射角超过了全反射临界角,X射线的反射率就会迅速的降低。因此在实际使用中,反射X射线的能量范围被限制在10 keV以下[5]。如果要反射光子能量在10 keV以上的X射线,就必须使反射镜工作于更小的掠入射角,这样做不仅给光学系统的制备和装调带来了很大的困难,而且极大地影响了成像质量。为了减小光学系统的尺寸,降低装调难度,提高成像质量,必须采用工作角度在全反射临界角以上,具有较高反射系数的反射镜元件。近年来,X射线多层膜在较大掠入射角度的条件下作为X射线反射元件显示了很强的竞争性。X射线周期多层膜在比较大的掠入射角的条件下,带宽比弯晶大10倍,比平晶大100倍。然而在许多多层膜反射镜的应用中,要求多层膜具有尽可能宽的带宽。例如,在X射线光谱分析仪器的设计中,可以将一块宽带多层膜和一块窄带多层膜组合使用。

　　使用宽带多层膜还可以使聚焦的光具有合适的形状和入射角,大大简化了实验过程[2]。人们将中子光学领域中的超反射镜的概念拓展到了X射线波段,提出了具有不同膜层厚度的非周期多层膜结构———X射线超反射镜;这是一种宽带多层膜反射镜,其在膜系的不同位置具有不同的周期厚度,可以使不同波长的X射线在多层膜结构的不同位置得到反射,从而可以极大地拓宽反射镜的反射带宽。目前关于宽带多层膜反射镜的设计方法在理论上一般有两种:一种是基于计算机的全数值计算的方法[9_10],另一种是基于经验公式的解析方法[1,9]。全数值计算的方法对膜系设计的经验要求很少;者而解析的方法恰恰相反,是根据丰富的设计经验,设计出周期按一定规律变化的非周期膜系,从而得到不同性能的超反射镜。实际上,以上两种方法都不是很好。前者需要大量的优化时间,对于周期数较多的情况,在实际中根本无法实现;而后者不仅需要设计者具有丰富的设计经验,而且所得的设计结果在性能上也无法得到理想的结果,所得到的反射光谱通常有比较大的震荡。