Главная » 2014 » Август » 21 » Скачать Рентгеновские дифракционные решетки на основе многослойных структур. Коваленко, Николай Владимирович бесплатно
3:53 AM
Скачать Рентгеновские дифракционные решетки на основе многослойных структур. Коваленко, Николай Владимирович бесплатно
Рентгеновские дифракционные решетки на основе многослойных структур
Диссертация
Автор: Коваленко, Николай Владимирович
Название: Рентгеновские дифракционные решетки на основе многослойных структур
Справка: Коваленко, Николай Владимирович. Рентгеновские дифракционные решетки на основе многослойных структур : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.01 Новосибирск, 2005 156 c. : 61 05-1/1030
Объем: 156 стр.
Информация: Новосибирск, 2005
Содержание:
Введение
Глава 1 Рентгеновские многослойные дифракционные решетки (МДР) (обзор литературы)
11 Типы МДР
12 Требования к структуре и анализ возможных методов изготовления
13 Описание дифракционных свойств МДР
14 Исследования рентгенооптических свойств МДР
15 Применение МДР
Глава 2 Численное моделирование рентгенооптических свойств МДР
21 Сравнение современных методов расчета рентгенооптических свойств МДР
22 Результаты численного моделирования дифракционных свойств МДР;
Глава 3 Изготовление рентгеновских МДР
31 Изготовление многослойных рентгеновских зеркал
32 Метод голографической литографии
321 Стенд для голографической записи дифракционных решеток
322 Формирование маски для ионно-лучевого травления
323 Ионно-лучевое травление МДР
33 Особенности изготовления W/Si, Ni/C, и Ti/Be МДР
Глава 4 Экспериментальное исследование дифракционных характеристик ' МДР
41 Исследование дифракционной эффективности многослойных решеток в жестком рентгеновском диапазоне спектра (7-9 кэВ)
411 Регистрация характеристического спектра рентгеновской трубки с медным анодом в жесткой области (8 кэВ)
42 Исследование дифракционных характеристик многослойных решеток в мягком рентгеновском диапазоне (280 эВ)'' 101,%
Глава 5 Новые типы рентгеновских дифракционных решеток на основе многослойных структур
51 Рентгеновская фазовая многослойная решетка скользящего падения
Глава 6 Применение рентгеновских дифракционных решеток на основе многослойных структур для спектроскопии мягкого рентгеновского диапазона
61 Схема спектрометра MP излучения на основе многослойной фазовой дифракционной решетки скользящего падения для исследования контуров спектральных линий горячей плазмы
Введение:
Проведение научных исследований, основывающихся на измерении рентгеновских спектров и дифрактограмм рентгеновского излучения, позволяет получать важную информацию о строении и состоянии вещества. Количество и качество получаемой информации при этом зависят от величины конечной ошибки, определяемой спектральным разрешением ДА, либо угловым или пространственным разрешением Д0 приборов.
В жестком рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения (энергия фотонов 5-30 кэВ и выше) в качестве рентгенооптических элементов традиционно используются различные совершенные кристаллы (Si, Ge и др.). При дифракции рентгеновского излучения на кристаллических плоскостях, определяемой условием Брэгга, происходит высокоэффективное (60-80%) отражение рентгеновского излучения. При этом из спектра падающего излучения выделяется малая область ДА/А « 10"4, отражаемая в узкий интервал углов - A0/tg(0) и 10"4, что позволяет достигать высокого спектрального и пространственного разрешения.
Мягкий рентгеновский (MP) диапазон спектра электромагнитного излучения (энергия фотонов 0.5 - 5.0 кэВ) обладает рядом особенностей, делающим его крайне сложным для исследований. Особенно остро такая проблема стоит для области энергий MP фотонов 0.5- 2.0 кэВ. Эта область-спектра характеризуется высоким поглощением излучения. Малая длина пробега фотонов во всех веществах (на нижней границе диапазона она находится в пределах 0.01-10 мкм) и необходимость использования высоковакуумных систем, значительно ограничивают возможности рентгеновской оптики для получения высокого спектрального и углового разрешения.
В настоящее время наиболее распространенными диспергирующими элементами, позволяющими достигать достаточно высокого спектрального
3 4 разрешения 10-10 при эффективности 5-20% в области энергий рентгеновского излучения 50-г500 эВ, являются дифракционные решетки скользящего падения. Недостатком таких решёток являются малые скользящие рабочие углы и, как следствие, низкая светосила приборов. Кроме того, эффективность и разрешение решеток скользящего падения быстро падают при энергиях больше 500 эВ. Попытки увеличения спектрального разрешения приводят к резкому возрастанию стоимости оборудования и наталкиваются на физические и технологические ограничения при их создании.
Использование обычных кристаллов, работающих в жестком диапазоне спектра, невозможно из-за малых значений межплоскостных расстояний. При этом, перестает выполняться условие Брэгга для отражения излучения кристаллом. Разрешающая способность и коэффициенты отражения неорганических кристаллов с большими значениями межплоскостных расстояний (таких как берилл, слюда, и т.п.), вследствие высокого поглощения, быстро падают с понижением энергии фотонов, что не дает возможность эффективного их использования при энергиях менее 1.5 кэВ.
Использование органических кристаллов (КАР, NaAP, RbAP и т.п) также крайне ограничено. Эти кристаллы, как правило, имеют несовершенную кристаллическую структуру, плохую радиационную и термическую стойкость, являются нестабильными соединениями, сильно подверженными влиянию внешней среды и имеют свойство разлагаться в вакууме. Максимальное спектральное разрешение в MP диапазоне реальных рентгенооптических схем на основе кристаллов не превышает 103 и, как правило, значительно ниже указанной величины. Кроме того, вследствие низкого интегрального коэффициента отражения кристаллов порядка 10"5 радиан, малая светосила спектральных приборов часто не обеспечивает потребности физического эксперимента при исследовании быстропротекающих процессов в таких областях, как, например, физика высокотемпературной плазмы.
Многослойные молекулярные плёнки, получаемые последовательным нанесением мономолекулярных слоев солей длинноцепочечных карбоновых кислот (стеарат бария, стеарат свинца, лаурат свинца и т.п.) на подложку с малой степенью микрошероховатости поверхности, могут работать вплоть до энергии квантов порядка 100 эВ. Такие структуры имеют коэффициенты отражения до 20% и спектральное разрешение 10 [1]. Плохая радиационная стойкость, механическая прочность, способность испаряться в условиях вакуума и сравнительно низкое спектральное разрешение значительно ограничивают возможности использования многослойных молекулярных пленок.
Многослойные рентгеновские зеркала (МРЗ) перекрывают весь диапазон MP и имеют в этой области коэффициенты отражения излучения от 5 до 70 %. Благодаря сравнительной простоте изготовления, возможности варьирования параметрами структуры и удобству в использовании многослойные зеркала в настоящее время нашли достаточно широкое применение. Тем не менее, МРЗ имеют существенный недостаток - малое (Х/АХ& 20-150), часто недостаточное спектральное разрешение, что ограничивает их использование в спектроскопических целях.
Получение высокого « 103-104) спектрального разрешения при. высокой эффективности отражения в дифракционные порядки (10-40%) в MP диапазоне спектра возможно с применением появившихся сравнительно недавно новых элементов рентгеновской оптики - многослойных дифракционных решеток (МДР). В области энергий рентгеновского излучения меньше 500 эВ МДР, в сравнении с обычными решетками скользящего падения, не дают существенного выигрыша. Но в "трудном" диапазоне, при энергии фотонов от 0.5 до 2-3 кэВ, спектральное разрешение этих решеток в 10-100 раз превосходит разрешение всех известных диспергирующих рентгенооптических элементов, используемых в настоящее время.
Кроме того, многослойные решетки одновременно с высокой эффективностью разлагают в спектр достаточно широкий диапазон относительная энергетическая ширина спектра ДЕ/Е 0.01 - 0.1). Это дает возможность получения достоверной информации при проведении исследований нестационарных процессов с применением традиционных полихроматических рентгеновских методик, таких как XAFS, элементный анализ и т.п.
Таким образом, создание и исследование новых элементов рентгеновской оптики, таких как МДР, дающих возможность достигать высокого разрешения при большой светосиле, позволяет не только расширить спектральный диапазон и выбор объектов исследования, но и реализовать новые подходы в проведении рентгеновских исследований, неосуществимые при использовании традиционных рентгенооптических элементов.
Целью настоящей работы является исследование рентгенооптических свойств МДР. Достижение поставленной цели подразумевает решение широкого спектра задач. Одна часть этих задач состоит в разработке методов изготовления высококачественных МДР. Другая часть имеет отношение к развитию теоретических и экспериментальных методик исследования рентгенооптических свойств различных типов таких решеток и созданию на их основе новых рентгеноспектральных методов и приборов.
1. Рентгеновские многослойные дифракционные решетки (МДР) (обзор литературы)
1.1 Типы МДР
Первое упоминание о МДР можно отнести к 1981 году, когда Шпиллер [2] предложил для увеличения светосилы решеточных спектрометров напылять многослойное покрытие на обычные дифракционные решетки скользящего падения (Рис, I). Реализация данной идеи позволяет достигать не только большой светосилы и за счет увеличения рабочих углов, но и высокого спектрального разрешения в области мягкого и ультрамягкого рентгеновского излучения, за счет больших значений дифракционной эффективности при работе в высоких порядках решетки.
Рис. 1. Многослойная решетка, предложенная Шпиллером [2]. Многослойное зеркало напыляется на готовую рентгеновскую дифракционную решетку скользящего падения.
Результаты первых исследований МДР с многослойным покрытием [3] показали, что при нормальном падении ультрамягкого рентгеновского излучения (энергия фотонов 50 эВ) дифракционной эффективность таких решеток увеличивается в 3 раза. Исследования рентгенооптических свойств подобных решеток в области мягкого рентгеновского излучения (Еф -1.0 кэВ) [4,5] показали перспективу развития оптики многослойных решеток.
Рис. 2. Дифракционная решетка с многослойным покрытием, напыленным на подложку в виде фазовой решетки.
В работах [6,7] были сделаны попытки реализовать рентгеновские фазовые многослойные решетки посредством напыления многослойника на подложку в виде фазовой решетки (Рис.2). У таких решеток будет наблюдаться увеличение дифракционной эффективности по аналогии с фазовыми решетками видимого оптического диапазона.
Рис, 3. Схематическое представление срезанной многослойной решетки. является переменный период штриха. Переменный период формируется за счет равномерного увеличения периода многослойного покрытия, что определяется особенностями напыления зеркал с большим числом слоев. Такая решетка будет фокусировать дифрагированное излучение аналогично Брэгг-Френелевской линзе [10]. Это дает возможность изготавливать очень компактные светосильные рентгеновские спектрометры [8, 11], обладающие большой светосилой и достаточно высоким спектральным разрешением Х/АХ =
Перспективными решетками для мягкого рентгеновского диапазона могут являться т.н. фазовые многослойные решетки скользящего падения предложенные автором [12, 13]. Многослойное зеркало, используемое в таких решетках в качестве подложки, на которой формируются полоски дифракционной решетки, позволяет в широких пределах менять фазу отраженного излучения. Это дает возможность достигать более точного выполнения амплитудно-фазовых соотношений для излучения отраженного от
1000. штрихов решетки и от многослойной подложки. Как следствие, существует возможность получать высокие (10-30%) значения дифракционной эффективности в мягкой области спектра рентгеновского излучения. Более подробно, свойства указанных решеток будут рассмотрены в данной работе в главе, посвященной разработке новых типов рентгеновских дифракционных решеток на основе многослойных структур.
Наиболее прогрессивным подходом к реализации многослойных решеток является изготовление решеток путем травления многослойных рентгеновских зеркал, это т.н. травленные МДР [14-17]. Схематическое представление такой решетки показано на рисунке 4. В общем случае это структура подобна
Падающее рентгеновское излучение
Излучение, дифрагирующее и "+Г порядок решетки б)
Рис. 4. Схематическое представление дифракции рентгеновского излучения наполностыо протравленной МДР. а)- случай дифракции излучения в "+1" порядок МДР (отражение от "косых " плоскостей (I;})), б)- дифракция в "-1" порядок (отражение от плоскостей (1;1)).
Падающее рентгенииское излучение
Излучение, дифрагирующее в "-I" порядок решетки плоской дифракционной решетки с периодом D. Отражающие штрихи шириной L формируются с помощью современных методов микролитографии из высококачественного многослойного рентгеновского зеркала, имеющего период d. Рентгеновское излучение, падающее на решетку под углом 9,п, дифрагирует в порядки решетки под углом 0ОШ= Bjnzfc
Следует отметить, что в области энергий рентгеновского излучения менее 500 эВ (Х> 25 нм), МДР не дают существенного выигрыша перед решетками скользящего падения, традиционно используемых в этой области спектра. Травленные МДР в указанной области имеют довольно низкую дифракционную эффективность, вследствие высокого поглощения излучения в материале многослойного покрытия [18-21]. Увеличение дифракционной эффективности в данной области спектра можно добиться путем формирования структуры "фазовой" решетки [7, 18, 22]. При травлении многослойного покрытия на определенную глубину- h формируется решетка, структура которой схематически показана на рисунке 5. а Г* k ?у
1 —>
Рис. 5. Схематическое представление протравленной не на всю толщину многослойного зеркала ("фазовой ") МДР.
Свойства такой решетки будут определяться одновременным выполнением помимо вышеперечисленных дифракционных условий для полностью протравленной МДР дополнительного условия отражения от многослойного зеркала, находящегося на расстоянии - h от поверхности. В мягком рентгеновском диапазоне спектра, при больших рабочих углах, отражение излучения происходит в пределах одного штриха. В этом случае, свойства не полностью протравленной МДР аналогичны обычной фазовой решетке оптического диапазона. У такой решетки эффективность дифракционных порядков зависит от высоты штриха, и, при определенной высоте - h происходит аддитивное сложение частей излучения, отражаемых от протравленных штрихов (1) и от непротравленной части (2) (Рис. 5). Теоретические и экспериментальные исследования свойств таких решеток представлены в данной работе.
