CN113345619A - 一维x射线折射闪耀波带片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一维X射线折射闪耀波带片，包括从下至上依次堆叠的数层波带片基板；任一层波带片基板包括支撑基底，波带片偶数(或奇数)环带由设置在支撑基底上的微纳棱柱构成，相应的奇数(或偶数)环带为矩形栅条结构。通过上述方案，本发明具有高衍射效率、高信噪比等优点，在X射线光学技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一维X射线折射闪耀波带片
技术领域
本发明涉及X射线光学技术领域，尤其是一维X射线折射闪耀波带片。
背景技术
众所周知，硬X射线(光子能量10keV-100keV)具有极强的穿透能力，其是诊断高温高密度等离子体状态的有效手段，也是进行多种物质结构解析的重要探针。理论上，X射线可以被反射和折射。由于硬X射线在任何材料中的折射率实部都接近(略小于1)，因此，只有采用凹透镜才能聚焦X射线，但是对于普通的凹透镜来说，由于焦距过长没有任何实用价值。而在正入射的情况下，反射强度系数在X射线波段非常小，这意味着传统的反射镜也不适合用在硬X射线波段。通常采用如布拉格衍射、菲涅尔衍射、掠反射以及复合折射的方法实现X射线的色散与聚焦功能。
X射线菲涅尔波带片是一种重要的色散元件，具有轻量化、集成化、光谱范围宽、衍射效率高、系统对准方便等优点,得到广泛的应用。但是，现有技术中的X射线光栅主要工作在软X射线能段,在硬X射线能段，色散聚焦非常困难。发展高分辨、高信噪比硬X射线菲涅尔波带片，是当前X射线光学和微纳加工领域的研究热点。
国内外在X射线菲涅尔波带片和纳米器件的制备上做了许多的工作，菲涅尔波带片器件也展现了其轻量化、集成化的优势。但在硬X射线能段应用仍然存在着一系列瓶颈问题：随着X射线能点的提升，需要提高波带片波带片环带结构的高宽比，以避免严重的直穿光，但过大的高宽比结构非常不稳定，给应用操作带来极大的困难；其次传统菲涅尔波带片一个明显的缺陷就是0级占据了衍射能量的很大一部分，导致1级谱强度较低，信噪比不高。
因此，急需要提出一种高衍射效率、高信噪比的一维X射线折射闪耀波带片。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种一维X射线折射闪耀波带片，本发明采用的技术方案如下：
一维X射线折射闪耀波带片，包括从下至上依次堆叠的数层波带片基板；任一层波带片基板包括支撑基底，以及设置在支撑基底上的波带片环带；所述波带片环带由矩形栅条结构和微纳棱柱组成；以居中的波带片环带为原点，沿波带片环带排布延伸方向上，任一列的微纳棱柱的数量Ml满足：
Figure BDA0003117538060000021
δ＝1-n
其中，m表示衍射级次；l表示环带数，其为奇数或偶数；f表征该波带片的一级衍射焦距；λ表示闪耀的X射线波长；n表示微纳棱柱在波长λ下的折射率实部；Ml表示第l波带片环带内包含的棱柱数目；α1和α2表示微纳棱柱与波带片环带排布方向垂直的边的底角。
进一步地，所述波带片基板为透射波带片；所述波带片环带的排布方向与入射的X射线的光轴方向垂直；所述微纳棱柱的截面法线与光轴方向垂直。
优选地，所述微纳棱柱的水平截面为三角形或梯形。
进一步地，所述矩形栅条沿其排布延伸方向的纵向界面呈长方形或正方形。
进一步地，任一列的微纳棱柱从X射线入射一侧依次布设在支撑基底上。
进一步地，，任一波带片环带(微纳棱柱或矩形栅条)与光轴距离的满足：
Figure BDA0003117538060000022
其中，λ表示闪耀的X射线波长；f表征该波带片的一级衍射焦距。
进一步地，任一列微纳棱柱的水平截面高度满足：
Figure BDA0003117538060000023
优选地，所述微纳棱柱的水平截面为三角形；所述三角形的下底边与波带片环带的排布方向垂直。
优选地，所述微纳棱柱的水平截面为梯形，且梯形的上底边和下底边与波带片环带的排布方向垂直。
优选地，所述支撑基底和微纳棱柱采用硅、铬、氮化硅、镁、铝、锗、塑料、SU-8光刻胶其中之一的材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙地采用微纳棱柱和矩形栅条交叉排布，；其结构较为简单；
(2)本发明在硬X射线波段能够通过周期微纳结构对X射线的复合折射效应使得波带片各个环带单缝衍射的主极大方向发生偏转，调节相关参数，可以使特定波长的单缝主极大方向与波带片某个高级衍射方向相同，实现闪耀的效果，从而提升波带片衍射效率和信噪比；
综上所述，本发明具有高衍射效率、高信噪比等优点，在X射线光学技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的三角形棱柱基元中的折射示意图。
图3为本发明中多层堆叠X射线折射闪耀波带片结构示意图。
图4为本发明中多层堆叠X射线折射闪耀波带片的衍射示意图。
图5为本发明中X射线折射闪耀波带片的衍射特性计算机仿真结果。
图6为本发明中X射线折射闪耀波带片光轴上的衍射强度分布图。
图7为本发明中X射线折射闪耀波带片的加工制作流程示意图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1、支撑基底；2、矩形栅条；3、微纳棱柱；10、X射线屏蔽体；11、一维聚焦焦线。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1至图7所示，本实施例提供了一维X射线折射闪耀波带片。需要说明的是，本实施例中所述的“第一”、“第二”等序号用语仅用于区分同类部件，不能理解成对保护范围的特定限定。另外，本实施例中所述“底部”、“顶部”、“四周边缘”、“中央”等方位性用语是基于附图来说明的。
本实施例的一维X射线折射闪耀波带片包括：支撑基底；位于所述基底上的多个形状和尺寸相同的微纳棱柱结构；其中，所述多个棱柱呈周期性排列；所述棱柱截面为三角形；所述棱柱的三角形截面的某一条边与波带片环带方向ξ垂直；所述折射闪耀波带片的第l环带宽度为Δrl＝rl-rl-1。
本实施例的棱柱截面的具体结构可以是等腰三角形，也可以是非等腰的三角形，也可以是等腰梯形，也可以是非等腰的梯形；本实施例所述各个环带内的棱柱截面在环带方向的宽度，可以小于波带片环带宽度Δrl,也可以等于波带片周期宽度Δrl；本实施例不限定棱柱截面在垂直波带片环带方向的宽度。
本实施例中可选地，所述棱柱截面为等腰三角形,第l周期等腰三角形的高为
Figure BDA0003117538060000041
棱柱高度为D。图1所示，在支撑基底上包含有周期排列的截面为等腰三角形的棱柱阵列。其中，棱柱三角形截面与波带片环带方向垂直的边上的两个底角α1、α2，n＝1-δ为棱镜材料的实部，见图2。棱柱中某条X射线在棱柱/空气界面折射后由于δ很小，X射线单次折射的偏折角度很小。因此单个棱柱/空气界面的角度偏转可简化得到：Δθ1，2≈δ/tanα1，2，那么在通过Ml个棱镜后，总体角度偏转为
ΔθMl≈Mlδ(1/tanα1+1/tanα2)。
波带片第l环带距离光轴高度
Figure BDA0003117538060000051
其m级衍射角约为
Figure BDA0003117538060000052
通过设置各个周期内的微纳棱柱结构参数，使得φml＝ΔθMl，即发生了m级闪耀，利用高阶闪耀，可以有效提升硬X射线衍射效率。
本实施例中的折射闪耀波带片有效环带范围为2～600,材料为硅，偶数环带内包含周期棱柱结构，棱柱截面为等边三角形，奇数环带为全硅矩形栅条结构，第1环前端使用重金属材料(如铅、钨)制成的X射线屏蔽体阻挡直穿X射线，见图4。入射X射线波长为0.0413nm(30keV),波长为0.0413nm的X射线在硅材料中的折射率实部δ＝5.37×10-7，一级衍射焦距46m,第一环宽度r1≈43.59μm，第600环宽度为r600≈890nm，波带片环带方向宽度为2mm,垂直环带方向宽度设置为0.1mm。设置闪耀级次为23级，23级焦距仅为2m。当第l环带内包含棱柱数为
Figure BDA0003117538060000053
l＝2,4,……600时，各个环带内X射线经过多个微纳基元的偏折角与各个环带到波带片23级焦点的偏折角相同，即实现了23级闪耀。
图5所示，本实施例的一维X射线折射闪耀波带片0.0413nm波长的23级焦点光斑的计算机仿真结果，图中x代表衍射平面与一维波带片环带方向的ξ轴平行的方向，y代表衍射平面与波带片平面的η轴平行的方向；图6为本发明提供的一维X射线折射闪耀光栅的在0.0413nm波长的X射线照射下光轴方向的衍射强度分布图。其中，横轴代表衍射级次，纵轴为归一化衍射强度。从图中可以直观的看出本发明实施例提供的一维X射线折射闪耀波带片的衍射效果与所预期的一致，在光轴上23级衍射强度显著高于其他衍射级次，衍射效率达到17％。因此本发明实施例提供的一维X射线折射闪耀波带片可以作为硬X射线聚焦和色散元件使用，有效提升空间分辨和信噪比。
本实施例公开一种一维X射线折射闪耀波带片加工制作方法，需要说明的是，制作方法为本领域公知技术，并不限于下述方法。且下述基底材质、厚度等参数仅为示例说明，对本发明不做限定。
参考图7所示，具体步骤如下：
(1)根据所需闪耀的X射线求得X射线折射闪耀波带片的周期参数，得到待加工的波带片图形；
(2)在双面抛光的待加工的波带片基板上镀一层20nm金膜，在金膜上涂制一层70nm-100nm光刻胶；
(3)根据波带片图形并利用电子束光刻和光刻胶显影，得到波带片光刻胶图形；
(4)采用离子束刻蚀将波带片光刻胶图形转移到金膜上，并去除残留的光刻胶，得到折射闪耀波带片的金纳米结构；
(5)采用金属催化化学腐蚀法，以折射闪耀波带片的金纳米结构作为局部阴极，并浸没在4.5mol/L含氟化氢和0.15mol/L双氧水的混合溶液中，利用垂直方向的腐蚀，得到波带片基板；
(6)采用堆叠数层波带片基板获得X射线折射闪耀波带片。
上述制作过程可以看出，本发明提供的一维X射线折射闪耀波带片的制作均采用现有技术工艺，制作方法简单，可以到达纳米级尺度。因此可以广泛应用于X射线波段。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，包括从下至上依次堆叠的数层波带片基板；任一层波带片基板包括支撑基底(1)，以及设置在支撑基底(1)上的波带片环带；所述波带片环带由矩形栅条结构(2)和微纳棱柱(3)组成；以居中的矩形栅条(2)为原点，沿微纳棱柱(2)排布延伸方向上，第l环带内的微纳棱柱(3)的数量Ml满足：
Figure FDA0003117538050000011
δ＝1-n
其中，m表示衍射级次；l表示环带数，其为偶数或奇数；f表征该波带片的一级衍射焦距；λ表示闪耀的X射线波长；n表示微纳棱柱在波长λ下的折射率实部；Ml表示第l波带片环带内包含的棱柱数目；α1和α2表示微纳棱柱(3)与波带片环带(2)排布方向垂直的边的底角。
2.根据权利要求1所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，所述波带片基板为透射波带片；所述矩形栅条(2)的排布方向与入射的X射线的光轴方向垂直；所述微纳棱柱(3)的截面法线与光轴方向垂直。
3.根据权利要求1或2所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，所述微纳棱柱(3)的水平截面为三角形或梯形。
4.根据权利要求1或2所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，所述矩形栅条(2)沿其排布延伸方向的纵向界面呈长方形或正方形。
5.根据权利要求1或2所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，任一列的微纳棱柱(3)从X射线入射一侧依次布设在支撑基底(1)上。
6.根据权利要求1所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，所述微纳棱柱或矩形栅条与光轴距离满足：
Figure FDA0003117538050000012
其中，λ表示闪耀的X射线波长；f表征该波带片的一级衍射焦距。
7.根据权利要求6所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，任一列微纳棱柱(3)的水平截面高度满足：
Figure FDA0003117538050000021
8.根据权利要求3所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，所述微纳棱柱(3)的水平截面为三角形；所述三角形的下底边与矩形栅条(2)的排布方向垂直。
9.根据权利要求3所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，所述微纳棱柱(3)的水平截面为梯形，且梯形的上底边和下底边与矩形栅条(2)的排布方向垂直。
10.根据权利要求1所述的一维X射线折射闪耀波带片，其特征在于，所述支撑基底(1)和微纳棱柱(3)采用硅、铬、氮化硅、镁、铝、锗、塑料、SU-8光刻胶其中之一的材料。
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