CN103137233A - X射线波导和x射线波导系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及X射线波导和X射线波导系统。X射线波导包括具有弯曲部分的芯部和包层。芯部具有与引导方向垂直地周期性地排列分别具有不同的折射率实部的物质的周期性结构。芯部-包层界面处的全反射临界角比归因于周期性结构的X射线的布拉格角大，周期性结构中的物质界面处的全反射临界角比布拉格角小。满足下式：这里，s是与引导方向垂直并与弯曲部分的曲率半径平行的方向的芯部宽度，n_low是具有最小的折射率实部的物质的折射率实部，n_high是具有最大的折射率实部的物质的折射率实部，并且R是曲率半径。

Description

X射线波导和X射线波导系统

技术领域

本发明涉及X射线波导、和包含X射线源和X射线波导的X射线波导系统。根据本发明的实施例的X射线波导可被用在例如X射线光学系统中，并且可进一步被用作X射线光学系统中使用的X射线光学部件，该X射线光学系统用于例如X射线分析技术、X射线成像技术和X射线曝光技术。

背景技术

例如X射线的、具有几十nm或更短的短波长的电磁波在不同物质之间表现非常小的折射率的差异。作为结果，不同的物质之间的界面处的全反射临界角对于具有例如这种短波长的电磁波是非常小的。与控制例如可见光频带中的电磁波相比，控制具有短波长的电磁波是更加困难的。到目前为止，大尺寸空间光学系统主要被用于控制例如X射线的具有短波长的电磁波。构成大尺寸空间光学系统的主要部件之一是交替层叠具有不同折射率的材料的多层镜。多层镜具有各种功能，诸如射束整形、斑尺寸转换和波长选择。在这种类型的X射线空间光学系统中，使用物质界面处的全反射或基于周期性结构的周期性的布拉格反射以改变X射线的传播方向。另一方面，一般不执行X射线的传播方向的连续弯曲。

除了到目前为止主要使用的上述的空间光学系统以外，日本专利No.4133923公开了称为聚毛细管的X射线传播元件，在该聚毛细管中，分别具有通过全反射将X射线限制于管状波导内的形式的多个毛细管被捆在一起。根据在日本专利No.4133923中公开的X射线传播元件，由于X射线在被限制于各毛细管内的同时传播，因此可通过弯曲聚毛细管改变X射线的传播方向。此外，最近还对于在基板上形成的小尺寸X射线波导进行了研究，目的是减小光学系统的尺寸并增强光学系统的性能。一个例子是仅通过利用包层与芯部之间的界面处的全反射，在夹在包层之间或被包层包围的芯部区域中限制X射线以使其传播穿过的X射线波导。在在“Applied Physics A”,Volume91，Number1,p.7（2008）（以下称为“文献”）中描述的这种类型的X射线波导中，X射线波导在基板上以弯曲形状形成，以能够连续地弯曲在X射线波导的芯部内形成的波导模式中的X射线的引导方向。

但是，在在上述文献中描述的、使用通过芯部与包层之间的界面处的全反射将X射线限制于芯部内并且弯曲在波导内形成的低阶波导模式中的X射线的方向的方法的X射线波导中出现以下的问题。为了构建X射线波导以使得低阶（特别是0阶）波导模式在X射线的传播中变为主导，必须使得波导芯部的断面直径非常小，即，几十纳米。因此，X射线可仅以非常少的量传播。

在在日本专利No.4133923中描述的、与将X射线限制于毛细管内并通过弯曲毛细管来弯曲X射线的传播方向的技术有关的X射线传播元件中出现以下的问题。由于毛细管的直径太大，因此出现关于通过毛细管传播的X射线，“波导模式”的概念不保持的情况。换句话说，X射线的传播方向可弯曲，但是通过毛细管传播的X射线的相位在与毛细管的长度方向垂直的面中不是空间均匀的。

发明内容

鉴于上述的问题，本发明的实施例提供一种包括被配置为引导X射线穿过其的芯部、和被配置为将X射线限制于芯部内的包层的X射线波导。芯部具有沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向周期性地排列分别具有不同的折射率实部的多种物质的周期性结构。芯部与包层之间的界面处的X射线的全反射临界角比可归因于芯部的周期性结构的X射线的布拉格角大。构成芯部的周期性结构的多种物质之间的界面处的全反射临界角比布拉格角小。芯部包含弯曲部分，并且满足下式：

$\frac{s}{\ln \left(\frac{n_{\mathrm{high}}}{n_{\mathrm{low}}}\right)}<R$

这里，s是与X射线引导方向垂直、并且与弯曲部分的定义曲率半径的方向平行的方向上的芯部的宽度，n_low是芯部的物质之中的具有最小的折射率实部的物质的折射率实部，n_high是芯部的物质之中的具有最大的折射率实部的物质的折射率实部，并且R是弯曲部分的曲率半径。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是芯部具有周期性结构的X射线波导的示意性断面图，该波导不包含弯曲部分。

图2是用于解释波矢量和有效传播角度的示图。

图3是代表根据本发明的实施例的X射线波导的波导区域中的各波导模式的传播损失与有效传播角度之间的关系的例子的示图。

图4是代表在根据本发明的实施例的X射线波导的波导区域内形成的周期性谐振波导模式中的芯部内的电场分布的一个例子的示图。

图5示出根据本发明的实施例的X射线波导中与芯部和包层之间的界面垂直的方向上的折射率实部的分布的一个例子。

图6是示出根据本发明的实施例的包含弯曲部分的X射线波导的一个例子的示意性断面图。

图7是示出通过根据本发明的实施例的X射线波导引导的X射线的行为的一个例子的示意性断面图。

图8是示出根据本发明的实施例的X射线波导的出射端及其附近的示意性断面图。

图9是例子1的X射线波导的示意性断面图。

图10是例子2的X射线波导的示意性断面图。

图11是在例子5中使用的X射线波导的示意性透视图。

图12是示出例子5的X射线波导中的X射线引导方向的示意图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的实施例。

根据实施例的X射线波导包含被配置为引导X射线穿过其的芯部、和被配置为将X射线限制于芯部内的包层。芯部具有沿与X射线引导方向垂直的方向周期性排列分别具有不同的折射率实部的多种物质的周期性结构。芯部与包层之间的界面处的X射线的全反射临界角比可归因于芯部的周期性结构的周期性的X射线的布拉格角大。构成周期性结构的多种物质之间的界面处的全反射临界角比可归因于芯部的周期性结构的周期性的X射线的布拉格角小。芯部包含弯曲部分，并且满足下式（1）：

$\frac{s}{\ln \left(\frac{n_{\mathrm{high}}}{n_{\mathrm{low}}}\right)}<R---\left(1\right)$

这里，s是与X射线引导方向垂直并与弯曲部分的定义曲率半径的方向（曲率半径方向）平行的方向上的芯部的宽度，n_low是芯部的物质中的具有最小的折射率实部的物质的折射率实部，n_high是芯部的物质中的具有最大的折射率实部的物质的折射率实部，R是弯曲部分的曲率半径。

在本公开中，术语“X射线”意味着物质的折射率实部具有1或更小的值的波段中的电磁波。更具体而言，在本公开中，术语“X射线”意味着大于等于1pm且小于等于100nm的波长范围中的电磁波，包含极紫外（EUV）光。具有这种短波长的电磁波的频率非常高，并且物质的最外层的电子不对该电磁波负责。由此可以获知，与对于波长不比紫外光短的频带中的电磁波（可见光和红外光）不同，物质的折射率实部对于X射线具有小于1的值。物质对于X射线的折射率由复数表达。在本说明书中，作为折射率的复数的实部被称为“折射率实部”或“折射率的实部”，并且复数的虚部被称为“折射率虚部”或“折射率的虚部”。

在折射率实部为n′、n′从1的偏离为δ，并且与吸收有关的折射率虚部为β′的情况下，则物质对于上述的X射线的折射率n一般由下式（2）表达：

n=1-δ-iβ′=n′-iβ′(2)

由于δ与物质的电子密度ρ_e成比例，因此当物质具有较大的电子密度时折射率实部具有较小的值。折射率实部n′由下式表达：

n′=(1-δ)

此外，电子密度ρ_e与原子密度ρ_a和原子序号Z成比例。因此，在本公开中，在许多情况下，“分别具有不同的折射率实部的两种或更多种物质”也可表达为“具有不同的电子密度的两种或更多种物质”。

当X射线在真空中传播时，折射率实部对于X射线是最大的。在地球上的典型的环境中，与气体以外的几乎所有物质相比，折射率实部在空气中是最大的。在本说明书中使用的术语“物质”包含空气和真空。在根据实施例的X射线波导中，X射线通过芯部与包层之间的界面处的X射线的全反射被限制于芯部内以形成波导模式，由此导致X射线通过X射线波导传播。在本说明书中，引导X射线在此时形成的波导模式中传播的方向被称为“（X射线）引导方向”。引导方向与基于波导的理论获得的X射线传播方向相同。在根据本发明的实施例的X射线波导的一般形式中的许多形式中，引导方向被给出为与芯部和包层之间的界面平行并与弯曲部分的曲率半径的方向垂直的方向。现在，曲率半径的方向沿着定义曲率半径的方向。

此外，根据实施例的X射线波导的芯部具有周期性结构，在该周期性结构中，折射率实部沿与芯部和包层之间的界面垂直或基本上垂直的方向表现周期性分布。在实施例中使用的波导模式是与芯部的周期性结构的周期性谐振的波导模式。在本说明书中，该波导模式被称为“周期性谐振波导模式”。

以下，例如参照X射线波导的引导方向是直线的情况描述周期性谐振波导模式。应当注意，由于根据本发明的实施例的X射线波导包含弯曲部分，因此，以下的描述仅是帮助理解本发明的参考。

图1是芯部具有周期性结构的X射线波导的示意性断面图，该波导不包含弯曲部分。图1的X射线波导代表X射线波导的引导方向是直线的情况。芯部101被夹在包层105和106之间，并且构成芯部的周期性结构由分别与一个周期对应的多个单位结构102制成。单位结构102由具有相对较大的折射率实部的物质103和具有相对较小的折射率实部的物质104构成。因此，芯部具有沿与芯部101和包层105之间的界面、或芯部101与包层106之间的界面垂直的方向（图1中的y方向）具有一维周期性结构的多层膜的形式。箭头109和110代表例如通过芯部传播并由芯部与包层之间的界面全反射的X射线的行为。示出的例子代表X射线在以全反射临界角射到界面时被全反射的情况，并且全反射临界角由θ_c表示。在本说明书中，在引导方向的角度是0°的条件下，关于一个目标波长的X射线，所有的角度均是在与引导方向平行并与芯部和包层之间的界面垂直的面中定义的。给出引导方向为通过芯部的沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向的中心绘制的轨迹。在示出的例子中，点线107代表这种轨迹。在图1中，轨迹的方向与z方向匹配。此外，在本说明书中，波导的长度代表轨迹的长度。在本说明书中，单位结构102中的物质103与物质104之间的界面处的X射线的全反射临界角被定义为θ_c-in。此外，在本说明书中，可归因于芯部101的周期性结构的周期性的布拉格角由θ_B表示。布拉格角θ_B是X射线关于周期性结构的入射角度，在该入射角度上，当向周期性结构施加X射线时，作为周期性结构中的多重干涉的结果，X射线被强烈地反射。根据X射线的波长和周期性结构的周期性确定布拉格角θ_B。这里，根据本发明的实施例的X射线波导中的周期性谐振波导模式的基波的有效传播角度是基本上等于布拉格角的角度。基于以下近似，即，当一个平面波在在芯部与包层之间的界面处反复全反射的同时传播时由干涉形成波导模式，基波代表该一个平面波。如图2所示，当在波导模式的波矢量中与引导方向平行的波矢量201由k_z=（0，0，k_z）表示时，基波被定义为在真空中具有由k₀表示的波矢量202的平面波。在这一方面，在波矢量k₀与波矢量k_z之间形成的角度被称为有效传播角度θ′（°），并且通过下式（4）将波矢量与有效传播角度θ′相关。波矢量k_⊥203表示与芯部和包层之间的界面垂直的方向（即与引导方向垂直的方向）的波矢量成分。

${\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}=\arccos \left(\frac{\left|k_z\right|}{\left|k_0\right|}\right)---\left(4\right)$

实际布拉格角具有被称为布拉格角范围的宽度。但是，本公开中的布拉格角被视为表示周期性谐振波导模式中的基波的有效传播角度，并且被给出为实际布拉格角范围中的最小角度。周期性谐振波导模式是通过以下过程形成的波导模式，在该过程中，X射线通过在周期性结构中的各界面处的反复部分反射和折射而导致多重干涉，并最终与周期性结构的周期性谐振。为了实现多重干涉，根据本发明的实施例的X射线波导具有单位结构102中的物质103与物质104之间的物质界面处的X射线的全反射临界角θ_c-in小于可归因于芯部101的周期性结构的周期性的布拉格角θ_B的特征。这种条件由下式（5）表达。注意，根据芯部的周期性结构的周期性与X射线的波长之间的关系确定布拉格角θ_B。

θ_c-in<θ_B(5)

为了将通过多重干涉获得的且与周期性结构的周期性谐振的X射线限制于芯部内，根据本发明的实施例的X射线波导还具有芯部与包层之间的界面处的全反射临界角θ_c大于可归因于芯部的周期性结构的周期性的布拉格角θ_B的特征。这种条件由下式（6）表达。

θ_c>θ_B(6)

通过满足上述的特征，可在根据实施例的X射线波导中形成周期性谐振波导模式，即，与芯部的周期性谐振的波导模式。

图3是表示在图1中所示的直线X射线波导的例子中形成的各波导模式的传播损失与有效传播角度θ′（°）之间的关系的示图。示图基于计算结果。在示图中，纵轴表示作为传播损失的指数的各波导模式的传播常量的虚部Im[k_z]。构建图1所示的满足式（5）和（6）的X射线波导，并且芯部具有多层膜结构。虽然波导模式根据其阶数具有离散的有效传播角度，但是存在如图3所示的不能存在任何波导模式的有效传播角度范围。这种有效传播角度范围是布拉格角范围302，并且在本说明书中，布拉格角范围的最小角度被称为“布拉格角”。该布拉格角可被近似视为周期性谐振波导模式的有效传播角度。因此，从图3可以看出，由301表示的波导模式表示周期性谐振波导模式，并且周期性谐振波导模式的传播损失明显比有效传播角度接近周期性谐振波导模式的有效传播角度的其它波导模式的传播损失小。这意味着可通过根据实施例的X射线波导形成具有非常小的传播损失的波导模式。由于周期性谐振波导模式的传播损失明显较小，因此周期性谐振波导模式的X射线在X射线波导中变为主导的。作为结果，可在作为基本上单一波导模式的周期性谐振波导模式中引导X射线。此外，通过用于形成周期性谐振波导模式的X射线波导的结构，芯部的断面可以在与引导方向垂直的平面内大大增加，并且可以增加要被引导的X射线的量。

作为实际的例子，图4代表当芯部为具有50的周期数的多层膜的形式时的周期性谐振波导模式中的电场强度的空间分布。在具有这种结构的波导中，如图4所示，整体的电场强度的分布在多层膜的周期性的影响下向着芯部的中心被局部化，并且作为瞬逝场存在的渗透到包层的X射线的量减少，由此可以减少传播损失。在图4中，横轴表示与多层膜的表面垂直的方向，即，图1中的y方向。附图标记401和403与包层对应，并且402与芯部对应。此外，从周期性谐振波导模式中的电场强度的分布可以看出，电场强度分布的波腹的数量与周期性结构的周期数匹配，并且电场集中在多层膜的由表现较小的吸收性的物质制成的各部分中，由此进一步减少传播损失。通过上述的特征，即，周期性谐振波导模式可被形成为基本上单一的波导模式，以及电场集中于表现较小的传播损失的材料中，并且与芯部和包层之间的界面垂直的方向上的电场的分布具有与多层膜的周期性匹配的周期性，周期性谐振波导模式沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向具有均匀的相位。因此，可通过上述的直线X射线波导的基本结构形成具有空间均匀的相位的单一波导模式。这里，表达方式“均匀相位”不仅意味着电磁场中的相位差总是为0的情况，而且意味着相位差在空间中周期性变化的情况。

在在形成的周期性谐振波导模式中引导的X射线从波导的端面射出之后，作为Fraunhofer衍射的结果，它在远场区域中形成在非常小的发散角度上以高的强度沿两个方向传播的传播X射线。在本说明书中，这些X射线被称为“衍射X射线”。沿周期性较低的方向，例如，沿图1中的zx面方向，衍射X射线具有大的发散角度，原因是它不受周期性影响且不受周期性结构控制。但是，如果沿图1中的zx面方向存在周期性，那么可以减小zx面方向上的衍射X射线的发散角度，原因是，衍射X射线受周期性影响。为了解释衍射X射线，图8示出了包含由包层801和802夹着的芯部803的X射线波导的出射端及其附近。如点线806所示，引导方向与z方向平行。由于芯部的周期性结构沿y方向具有周期性，因此从波导的端部出射的X射线在远场区域中形成沿关于z轴对称的两个方向衍射的衍射X射线804和805。与此关联，yz面中的两个衍射X射线的发射角度变得非常小，如同X射线通过多狭缝被衍射。此外，如图8所示，衍射的X射线804和805关于z方向的衍射角度分别基本上等于布拉格角。

虽然以上的描述是关于不包含弯曲部分的波导的，但是，只要其之间不存在矛盾，以上的描述就类似地适用于根据本发明的实施例的X射线波导。

根据实施例的X射线波导具有包括具有弯曲形状的部分（即，弯曲部分）的特征，在该部分中，代表周期性结构的周期性的基本矢量的方向连续改变。此外，给出s是与弯曲部分中的X射线引导方向垂直并且与弯曲部分的曲率半径的方向平行的方向上的芯部的宽度、n_low是芯部的物质中的具有最小的折射率实部的物质的折射率实部、n_high是芯部的物质中的具有最大的折射率实部的物质的折射率实部、并且R是弯曲部分中波导的中心处的弯曲部分的曲率半径，则弯曲部分中的X射线引导方向满足上述的式（1）。“波导的中心”意味着与芯部和包层之间的界面垂直的方向上的芯部的中心。当如图7所示的那样呈现包层701和702时，可以说波导的中心是一组分别限定在包层701和芯部703之间的界面上的一个点与包层702和芯部703之间的界面上的最接近该点的一个点之间的中点。作为替代方案，可以说波导的中心存在于在与引导方向垂直的断面中出现的两个芯部-包层界面线的平均线上，即，存在于在与引导方向垂直的断面中出现的两个芯部-包层界面线之间的中心线上。根据该概念，当包层包围整个芯部外周时，可以说被在与引导方向垂直的断面中出现的芯部-包层界面线包围的图形的重心是波导的中心。

通过根据上述的实施例构建X射线波导，周期性谐振波导模式中的X射线的引导方向可在波导的弯曲部分中在曲率半径R处连续变化。换句话说，能够改变限制于具有宽的断面的芯部内并具有单一均匀相位的X射线的引导方向。

根据实施例的X射线波导有利地在弯曲部分的整个区域中满足式（1）。当构成周期性结构的物质沿X射线引导方向不变时，可以说成在曲率半径R最小的区域中满足式（1）是足够的。

图5示出根据实施例的X射线波导芯部中的与芯部和包层之间的界面垂直的方向（y方向）的折射率实部的分布的一个例子。在图5中，实线和点线代表当引导方向为直线以及当引导方向弯曲时的折射率实部的相应分布。沿y方向，附图标记502和503表示包层区域，504表示芯部区域。附图标记501表示单位结构的区域。单位结构通过由具有较大的折射率实部的物质制成的区域505和由具有较小的折射率实部的物质制成的区域506构成。如图5所示，通过排列多个单位结构，折射率实部在芯部内沿y方向周期性分布。互连芯部的各单个中心并表示引导方向的直线（也可称为轨迹）位于y=0上。可以获知，在引导方向弯曲的部分中，当弯曲波导近似为直线波导时，如图5所示，折射率的整个分布相对于X射线波导的引导方向为直线的情况倾斜。给出n₀（y）代表由图5中的实线表示的折射率的分布，即，给出n₀′（y）代表由式（2）表达的折射率实部的分布，则与引导方向平行并与芯部和包层之间的界面垂直的平面内的引导方向在曲率半径R上弯曲的弯曲部分中的折射率的分布可由下式近似表达：

$n_0\left(y\right)e^{\frac{y}{R}}$

由图5中的点线表示的折射率实部的分布可由下式表达：

${n_0}^{\&prime;}\left(y\right)e^{\frac{y}{R}}$

为了使得即使当折射率的分布倾斜时也可形成周期性谐振波导模式，接近芯部的一端的具有较大的折射率实部的物质的折射率实部必须比接近芯部的另一端的具有较小的折射率实部的物质的折射率实部大。因此，由509表示的折射率实部必须比由508表示的折射率实部大。给出y_high是从芯部的中心到接近芯部的一端的与由509表示的折射率实部对应的位置的距离507，y_low是从芯部的中心到接近芯部的另一端的与由508表示的折射率实部对应的位置的距离510，n_high是构成周期性结构的物质中的具有较大的折射率实部的物质的折射率实部，n_low是它们中的具有较小的折射率实部的物质的折射率实部，并且s是芯部的宽度，则在引导方向弯曲的部分中，必须满足下式（9）。

$n_{\mathrm{high}}\exp (-\frac{y_{\mathrm{high}}}{R})>n_{\mathrm{low}}\exp \left(\frac{y_{\mathrm{low}}}{R}\right)---\left(9\right)$

因此，基于以下的近似获得式（1）：

y_low≈y_high≈s/2

图6示出根据本发明的实施例的包含X射线波导的形状弯曲的弯曲部分的X射线波导的简单的例子。图6所示的X射线波导包含引导方向为直线的部分607和引导方向弯曲的部分605和606。芯部603被夹在包层601和602之间。虽然在图6中芯部沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向具有周期性的折射率分布，但是出于简化的原因，没有示出周期性结构。点线604表示引导方向。弯曲部分605具有曲率半径R₁，并且弯曲部分606具有曲率半径R₂。当X射线波导的物理性能和结构参数被设定以在弯曲部分605和606中均满足式（1）、（5）和（6）时，在波导内形成并具有均匀相位的单个周期性谐振波导模式中的X射线的引导方向可如图6中的点线604所示的那样变化。

此外，根据实施例的X射线波导有利地被构建使得当布拉格角由θ_B（弧度）表示时，弯曲部分中的波导的长度为2Rθ_B。

如上面参照图8描述的那样，从周期性谐振波导模式中的波导的端面出射的X射线在远场区域中在波导的出射端面上关于引导方向沿两个反向等同方向按基本上等于布拉格角的衍射角度被衍射。相反，当X射线通过波导的端面与周期性谐振波导模式耦合时，可通过使X射线在与芯部和包层之间的界面垂直并与引导方向平行的平面内关于引导方向以布拉格角进入波导的入射端，来获得对于周期性谐振波导模式更高的耦合效率。图7示出这样的过程：X射线进入到根据实施例的X射线波导的一个端面以与周期性谐振波导模式耦合，并且在周期性谐振波导模式中引导的X射线从波导的另一端面出射。与图6同样地，为了简化，省略芯部703的周期性结构。附图标记705表示入射的X射线，并且706和707表示在周期性谐振波导模式中的X射线从波导的另一端面出射时产生的沿两个方向衍射的衍射X射线（即远场区域中的传播X射线）。在X射线波导中，包层701和702在其间夹着具有周期性结构的芯部703，并且引导方向由点线704表示。通过使入射的X射线705关于代表引导方向的直线708在入射端面上以布拉格角进入波导的入射端面，入射的X射线705以高的效率在波导内与周期性谐振波导模式耦合。由点线704表示的波导中的引导方向以曲率半径R弯曲，并且周期性谐振波导模式中的X射线沿引导方向弯曲。在周期性谐振波导模式中引导并从波导的另一端（即从其出射端面）出射的X射线关于代表X射线引导方向的直线709在出射端面上以布拉格角沿两个方向衍射。给出可归因于芯部的周期性结构的布拉格角为θ_B（弧度）并且波导的长度（即点线704的长度）为L，则入射的X射线705和出射的X射线706在X射线波导满足下式（10）的条件下在与图纸表面平行的平面中在同一轴上传播：

L=2Rθ_B(10)

因此，通过构建根据实施例的满足式（10）的X射线波导，能够在不改变X射线光学系统的光轴的情况下形成周期性谐振波导模式中的X射线并获得具有非常小的发散角度和在空间上均匀的相位的X射线。当然，未必要求式（10）在严格的意义上成立，并且允许基于需要的系统的误差。因此，在本说明书中，处于可允许误差范围内的误差的情况也被解释为满足式（10）。

在本公开的附图中，X射线由箭头表示。应当注意，为了便于解释，箭头示出沿与传播方向垂直的方向具有一宽度的X射线的典型部分，并且它没有示出所有的传播的X射线。示出X射线的箭头意图是具体表示例如在说明书中提到的附图中的X射线的传播方向。特别地，入射的X射线至少被施加到波导的入射端上的芯部的整个断面上，并且出射的X射线从波导的出射端的芯部的整个断面出射。

构成根据实施例的X射线波导的芯部的周期性结构在与引导方向和芯部与包层之间的界面垂直的平面中具有沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向的折射率实部的周期性分布。提供这种周期性结构的最简单的材料是多层膜。通过周期性地层叠分别具有不同的折射率实部的多个物质层，构成多层膜。通过交替层叠具有较高的电子密度（即，较小的折射率实部值）的物质和具有较低的电子密度（即，较大的折射率实部值）的物质，获得周期性结构的特别有利的例子。

可通过例如在半导体工艺中使用的溅射执行层叠多个层的方法。具有较高的电子密度和比较小的X射线吸收损失并可在使用溅射时层叠的物质的例子包含：氧化铝（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、氧化镁（MgO）和氧化钛（TiO₂）。具有较低的电子密度和比较小的X射线吸收损失并可在使用溅射时层叠的物质的例子包含：铍（Be）、硼（B）、碳化硼（B₄C）、氮化硼（BN）和碳（C）。应当注意，这里可使用的物质不限于上述的例子。

多层膜可被设置为具有作为通过两亲分子的自组装形成的一维周期性结构的片层结构的介孔结构（mesostructured）材料。这种介孔结构材料具有相互交叠放置例如硅胶、氧化锡或氧化钛的氧化物和有机物质的形式，并且可通过例如溶胶-凝胶方法制作它。

当周期性结构被构成为介孔结构材料时，周期性结构不限于具有片层结构的介孔结构材料，以及在与引导方向垂直的平面中的氧化物材料内周期性地排列填充有有机物质的孔隙或空孔的介孔结构材料。虽然后一介孔结构材料在与引导方向垂直的平面内具有二维结构，但它可被视为具有平均折射率沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向周期性变化的一维周期性结构。因此，后一介孔结构材料可有利地被用作构成根据实施例的X射线波导的芯部的周期性结构。

此外，周期性结构可由通过去除介孔结构材料中的填充孔隙或空孔的有机物质获得的介孔性（mesoporous）材料制成。由于介孔性材料包含空的部分，因此使用介孔性材料可减少X射线的吸收损失。孔隙的取向可被控制以减少X射线的衰减。在本说明书中，如上所述，空气和真空也包含于“物质”的概念中。因此，即使当介孔性材料中的孔隙被空气或真空占据时，由于包含具有不同的折射率的多个部分，因此介孔性材料可被视为形成由多种物质制成的介孔结构材料。

当构建满足式（6）的根据实施例的X射线波导时，为了强烈地导致用于将X射线限制于芯部内的全反射，形成包层的物质有利地选自具有较高的电子密度的物质，诸如Au、W、Ta、Pt、Ir和Os。

以下描述根据本发明的实施例的X射线波导系统。根据实施例的X射线波导系统至少包括X射线源和X射线波导。X射线源发射具有大于等于1pm且小于等于100nm的波长的一般X射线波段中的电磁波作为X射线。从X射线源发射的X射线可以是具有单一波长或一定宽度的波长的X射线。从X射线源发射的X射线进入X射线波导。根据实施例的X射线波导系统中的X射线波导可被设置为上述的X射线波导。

例子1

图9示出根据本发明的例子1的X射线波导的断面，该断面与基板表面垂直并包含引导方向。在例子1的X射线波导的结构中，上下方向被定义，以使得基板部分被设置在最下面的位置。在图9中，X射线引导方向由点线908表示。与点线908的长度对应的波导的长度为约3mm。附图标记901表示由石英制成的基板。通过抛光成在图9中的yz面内具有曲率半径为2m的圆筒形状的弯曲表面，形成石英基板901的表面。通过溅射依次在石英基板901上形成由W制成并具有20nm的厚度的下包层903、作为构成芯部的周期性结构的多层膜902和由W制成并具有20nm的厚度的上包层904。多层膜902构成交替层叠具有12nm的厚度的碳（C）层906和具有4nm的厚度的氧化铝（Al₂O₃）层907的周期性结构。周期性结构具有50的周期数和与芯部和包层之间的界面垂直的方向上的16nm的周期。另外，芯部的最上面的部分和最下面的部分分别由具有较小的折射率实部的Al₂O₃膜形成。对于具有8keV的光子能量的X射线，芯部与包层之间的界面处的全反射临界角为约0.51°，构成多层膜中的单位结构的氧化铝与碳之间的界面处的全反射临界角为约0.19°，而可归因于多层膜的周期性的布拉格角为约0.35°。因此，满足式（5）和（6），并且周期性谐振波导模式变为例子1的X射线波导中的主导性的波导模式。由于例子1的X射线波导以2m的曲率半径在yz面中弯曲，因此波导中的周期性谐振波导模式的X射线在沿由点线908表示的引导方向弯曲的同时被引导通过波导。这里，芯部沿与芯部和包层垂直的方向具有约804nm的宽度。对于具有8keV的光子能量的X射线，包层的折射率实部具有约0.999952992的值，并且多层膜的物质中的具有较小的折射率实部的氧化铝的折射率实部具有约0.9999872224544的值。因此，满足式（1），并且可以在将X射线限制于芯部内的同时在周期性谐振波导模式中引导它。当波导的X射线入射端面上的引导方向由直线909表示并且波导的X射线出射端面上的引导方向由直线910表示时，在直线909和910之间形成的角度为0.08°。因此，周期性谐振波导模式的引导方向通过例子1的X射线波导改变0.08°。例如，当X射线913在X射线入射端面上关于引导方向以约0.35°的布拉格角进入时，从出射端面出射的X射线形成分别关于出射端面上的引导方向以约0.35°衍射的远场区域中的出射X射线911和912。通过选择出射X射线中的一个911，入射X射线的方向可改变约0.78°。此外，由于使用在例子1的X射线波导中形成的周期性谐振波导模式，因此作为具有非常小的发散角度和空间均匀相位的传播X射线提供出射的X射线。

例子2

图10示出根据本发明的例子2的X射线波导的断面，该断面与基板表面垂直并包含引导方向。在具有通过抛光成以约1m的曲率半径弯曲的圆筒表面而形成的表面的石英基板1001上，通过溅射依次形成由钨（W）制成并具有约20nm的厚度的下包层1003、构成芯部的多层膜1002和由钨（W）制成并具有约20nm的厚度的上包层1004。在穿过上述的断面中穿过芯部的中心的点线1008表示X射线引导方向，并且点线1008的长度被定义为波导的长度。在例子2中，波导的长度为约10.5mm。多层膜1002是通过层叠分别包含具有约3nm的厚度的氧化铝（Al₂O₃）层1007和具有约12nm的厚度的碳化硼（B₄C）层1006的单位结构1005的100个层形成的构成芯部的周期性结构。周期性结构具有约15nm的周期和100的周期数。另外，多层膜的最上面的层和最下面的层分别由氧化铝层形成。对于具有10keV的光子能量的X射线，芯部与包层之间的界面处的全反射临界角为约0.43°，构成多层膜中的单位结构的氧化铝与碳之间的界面处的全反射临界角为约0.18°，并且可归因于多层膜的布拉格角θ_B（°）为约0.3°。因此，例子2的X射线波导满足式（5）和（6），并且它可形成周期性谐振波导模式以在该模式中引导X射线。此外，例子2的X射线波导的长度为约10.5mm并且满足式（10）。如图10所示，通过使X射线关于表示波导的入射端附近的引导方向的直线1009以布拉格角进入波导，入射的X射线1013以高的效率与周期性谐振波导模式耦合，由此，周期性谐振波导模式中的X射线在被引导通过波导之后从波导的出射端出射。从出射端表面出射的X射线形成沿分别关于直线1010形成布拉格角的两个方向衍射的出射X射线1011和1012，直线1010代表波导的出射端附近的引导方向。由于例子2的X射线波导被构造为满足式（10），因此入射X射线1013和出射X射线1012在同一轴上传播。这是有利的，原因是在X射线光学系统中光轴不改变。

例子3

在根据本发明的例子3的X射线波导中，在例子1中描述的X射线波导的芯部被具有片层结构的介孔结构材料替代。在由钨制成并在石英基板上形成的包层上形成构成例子3的X射线波导的芯部的具有片层结构的介孔结构材料。在介孔结构材料中，具有约7.7nm的厚度的有机物质（即具有较大的折射率实部的物质）的层和具有约3.3nm的厚度的硅胶（即具有较小的折射率实部的物质）的层被交替层叠，使得沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向提供折射率的一维周期性分布。具有片层结构的介孔结构材料具有约11nm的周期和48的周期数。波导的长度为约4mm。通过使用前体溶液浸渍涂敷，形成根据例子3的具有片层结构的介孔结构材料，该前体溶液是通过将无机氧化物的前体添加到充当集合体形式的模子的表面活性剂的溶液中制备的。这里，通过使用嵌块聚合物作为表面活性剂、使用四乙氧基硅烷作为无机氧化物的前体并使用乙醇作为溶剂，添加用于无机氧化物的前体的水解的水和盐酸并搅拌混合物，来制备前体溶液。混合比（摩尔比）被设为四乙氧基硅烷为1、嵌块聚合物为0.0264、水为8、盐酸为0.01，而乙醇为40。使用聚乙二醇（20）-聚丙二醇（70）-聚乙二醇（20）的三嵌块共聚物作为嵌块聚合物（括号中的数表示各嵌块的重复数）。通过在引入的溶液的溶剂的蒸发中出现的自组织过程形成具有片层结构的介孔结构材料。对于具有8keV的光子能量的X射线，构成具有片层结构的介孔结构材料中的单位结构的有机物质与硅胶之间的界面处的全反射临界角为约0.13°，芯部与包层之间的界面处的全反射临界角为约0.53°，而可归因于具有片层结构的介孔结构材料的布拉格角为约0.44°。因此，例子3的X射线波导的结构满足式（5）和（6）。因此，可以形成周期性谐振波导模式，并且可通过例子3的X射线波导引导并弯曲周期性谐振波导模式中的X射线。引导方向在波导的X射线入射端与X射线出射端之间改变约0.115°。

例子4

在根据本发明的例子4的X射线波导中，构成在例子3中描述的X射线波导的芯部的具有片层结构的介孔结构材料被介孔性材料替代。波导的长度为约3mm。构成例子4的X射线波导的芯部的介孔性材料是在硅胶中存在大量的具有均匀的直径的孔隙的介孔硅胶材料。介孔硅胶材料在与引导方向垂直的断面中具有二维结构。但是，沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向交替层叠包含大量的空气部分的层和包含大量的硅胶部分的层，并且介孔性材料具有使得平均折射率沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向周期性变化的折射率分布。因此，介孔性材料沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向提供一维周期性结构。一维周期性结构具有约10nm的周期和50的周期数。特别地，通过形成介孔膜之后的脱模处理使得介孔硅胶中的孔隙变空的介孔性材料可减少X射线的传播损失。通过在在例子3中描述的用于制备前体溶液的方法中将混合比（摩尔比）设为四乙氧基硅烷为1、嵌块聚合物为0.0096、水为8、盐酸为0.01且乙醇为40，获得介孔硅胶的前体溶液。通过在由钨制成的下包层上施加前体溶液、将施加的前体溶液干燥化和陈化、将其浸渍到溶剂中并抽取去除用作模子的嵌块聚合物的步骤，来制备介孔膜。因此，例子4的X射线波导的芯部由在与脱模步骤同时地去除孔隙中的有机物质之后获得的介孔硅胶制成。由于与具有片层结构的介孔结构材料不同，周期性结构不是膜层叠结构，因此在与芯部和包层之间的界面垂直的方向上的介孔硅胶的单位结构中，不明确定义全反射临界角。这种情况也满足式（5）。对于具有10keV的光子能量的X射线，芯部与包层之间的界面处的全反射临界角为约0.43°，而可归因于由介孔硅胶制成的介孔结构材料（即对应于与芯部和包层之间的界面垂直的方向上的折射率实部的平均值的周期性）的布拉格角为约0.36°。因此，进一步满足式（6）。作为结果，可通过例子4的X射线波导引导并弯曲周期性谐振波导模式中的X射线。引导方向在波导的X射线入射端与X射线出射端之间改变约0.09°。

例子5

图11示出例子5的X射线波导。例子5的X射线波导具有在平坦基板表面内弯曲引导方向的特征。X射线波导的芯部由在例子4中描述的介孔硅胶材料制成。在例子5的X射线波导的结构中，定义上下方向，使得基板部分被设置在最下面的位置上。通过电子束光刻和干蚀刻，在平坦硅（Si）基板1101中形成具有约1μm的宽度和约1μm的深度并且在图11中的zx面中以2m的曲率半径弯曲的沟槽1107。然后，通过溅射在沟槽1107中形成由钨制成并具有约20nm的厚度的第一包层1102。然后通过浸渍涂敷在第一包层1102上涂敷介孔硅胶材料的前体溶液。作为结果，在溶剂的蒸发期间通过自组织在第一包层1102上形成介孔结构材料。在通过抛光去除在沟槽1107以外的区域中形成的介孔性材料之后，通过溅射进一步在介孔结构材料的表面上形成由钨制成并具有20nm的厚度的第二包层1104。因此，形成包含在图11中的xy面中被包层包围的芯部1103的X射线波导。如图12中的点线1201所示，引导方向沿与基板表面平行的方向（即在zx面内）以2m的曲率半径弯曲。因此，满足式（1）。上述的结果基于在基板1101中形成的沟槽1107具有弯曲形状的事实。介孔性材料具有使得在硅胶1106中周期性排列沿引导方向延伸的空孔1105并且平均折射率实部沿图11中的x方向具有周期性分布的周期性结构。沿x方向，周期性结构具有约12nm的周期和80的周期数。与例子4同样，由于与具有片层结构的介孔结构材料不同，周期性结构不是膜层叠结构，因此全反射临界角在与芯部和包层之间的界面垂直的方向上的介孔硅胶的单位结构中不被明确定义。这种情况也满足式（5）。对于具有8keV的光子能量的X射线，作为与yz面平行的界面的第一包层1102与芯部1103之间的界面处的zx面中的全反射临界角为约0.53°，而可归因于x方向上的周期性结构的周期性的布拉格角为约0.38°。因此，例子5的X射线波导使得周期性谐振波导模式中的X射线能够在与基板平行的平面中弯曲。由于例子5中的介孔硅胶材料在与引导方向垂直的平面中具有二维周期性，因此周期性谐振波导模式被形成为与二维周期性谐振并在与引导方向垂直的平面中具有均匀的相位的波导模式。波导的长度为约4mm，并且波导的X射线出射端附近的引导方向最终从波导的X射线入射端附近的引导方向改变约0.12°。

根据上述的本发明的实施例，可以获得分别在芯部的宽的断面上具有均匀相位的单一波导模式并包含弯曲部分的X射线波导。此外，根据本发明的实施例的X射线波导可分别作为用于例如用于操作从同步加速器输出的X射线的X射线光学系统和用于例如X射线成像技术和X射线曝光技术的X射线光学系统中的部件，用于X射线光学技术领域。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这种变更方式、等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种X射线波导，包括被配置为引导X射线从其穿过的芯部和被配置为将X射线限制于芯部内的包层，

其中，芯部具有沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向周期性地排列分别具有不同的折射率实部的多种物质的周期性结构，

芯部与包层之间的界面处的X射线的全反射临界角比可归因于芯部的周期性结构的X射线的布拉格角大，

构成芯部的周期性结构的多种物质之间的界面处的全反射临界角比布拉格角小，

芯部包含弯曲部分，并且满足下式：

$\frac{s}{\ln \left(\frac{n_{\mathrm{high}}}{n_{\mathrm{low}}}\right)}<R$

这里，s是与X射线引导方向垂直并与弯曲部分的定义曲率半径的方向平行的方向上的芯部的宽度，n_low是芯部的物质之中的具有最小的折射率实部的物质的折射率实部，n_high是芯部的物质之中的具有最大的折射率实部的物质的折射率实部，并且R是弯曲部分的曲率半径。

2.根据权利要求1的X射线波导，其中，在布拉格角是单位为弧度的θ_B的情况下，弯曲部分中的波导在其中心的长度为2Rθ_B。

3.根据权利要求1的X射线波导，其中，芯部是周期性地层叠分别具有不同的折射率实部的物质的多层膜。

4.根据权利要求1的X射线波导，其中，芯部是介孔结构材料。

5.根据权利要求1的X射线波导，其中，芯部由介孔性材料制成。

6.一种X射线波导系统，包括X射线源和X射线波导，

该X射线源向X射线波导发射X射线，

X射线波导包括被配置为引导X射线从其穿过的芯部和被配置为将X射线限制于芯部内的包层，

其中，芯部具有沿与芯部和包层之间的界面垂直的方向周期性地排列分别具有不同的折射率实部的多种物质的周期性结构，

芯部与包层之间的界面处的X射线的全反射临界角比可归因于芯部的周期性结构的X射线的布拉格角大，

构成芯部的周期性结构的多种物质之间的界面处的全反射临界角比布拉格角小，

芯部包含弯曲部分，并且满足下式：

$\frac{s}{\ln \left(\frac{n_{\mathrm{high}}}{n_{\mathrm{low}}}\right)}<R$

这里，s是与X射线引导方向垂直并与弯曲部分的定义曲率半径的方向平行的方向上的芯部的宽度，n_low是芯部的物质之中的具有最小的折射率实部的物质的折射率实部，n_high是芯部的物质之中的具有最大的折射率实部的物质的折射率实部，并且R是弯曲部分的曲率半径。

7.根据权利要求6的X射线波导系统，其中，在布拉格角是单位为弧度的θ_B的情况下，弯曲部分中的波导在其中心的长度为2Rθ_B。

8.根据权利要求6的X射线波导系统，其中，芯部是周期性地层叠分别具有不同的折射率实部的物质的多层膜。

9.根据权利要求6的X射线波导系统，其中，芯部是介孔结构材料。

10.根据权利要求6的X射线波导系统，其中，芯部由介孔性材料制成。

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