【摘 要】
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X射线显微技术是探测物质内部结构的重要手段,在块体分析、活体层析成像等方面具有电子显微和光学显微无法比拟的优势。高品质X射线源和高分辨率成像光学组件是提升X射线显微空间分辨率的关键。近年来,随着同步辐射光源和X射线自由电子激光光源的发展,相干性更好、脉冲长度更短、亮度更高的硬X射线得到长足发展。Kinoform透镜具有高增益、高空间分辨率、高透过率的特性,有望实现硬X射线纳米聚焦;然而目前对于光子
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X射线显微技术是探测物质内部结构的重要手段,在块体分析、活体层析成像等方面具有电子显微和光学显微无法比拟的优势。高品质X射线源和高分辨率成像光学组件是提升X射线显微空间分辨率的关键。近年来,随着同步辐射光源和X射线自由电子激光光源的发展,相干性更好、脉冲长度更短、亮度更高的硬X射线得到长足发展。Kinoform透镜具有高增益、高空间分辨率、高透过率的特性,有望实现硬X射线纳米聚焦;然而目前对于光子能量大于30ke V的Kinoform聚焦器件研究较少,相关设计方法和加工工艺尚不成熟。本文面向高能高分辨X射线显微,开展双面型硬X射线Kinoform透镜的相关理论和关键技术研究,研究Kinoform透镜设计与优化方法,探索微纳结构的高深宽比硅刻蚀工艺,研制硬X射线双面型Kinoform透镜原理样品,为纳米级X射线聚焦器件和高分辨X射线显微技术的研究奠定重要的理论和技术基础。本文的主要研究内容如下:(1)介绍了X射线聚焦透镜的研究背景,分析了国内外研究现状;重点介绍X射线折射透镜结构,分析现有Kinoform聚焦器件的特点和不足,提出本文的研究目标以及研究内容。(2)分析了硬X射线器件对材料的要求和不同材料的特点,选择了硅材料作为本文X射线聚焦器件材料;阐述了Kinoform透镜基本结构和聚焦原理;简要介绍了光线追迹理论以及评价透镜聚焦性能的主要参数。(3)基于费马原理,设计了等台阶宽度的双面型Kinoform透镜曲线方程,并设计了光线追迹软件,探究透镜聚焦性能。针对30ke V光子能量的硬X射线,完成了设计焦距为1m的硅基双面型Kinoform线聚焦透镜仿真。利用Zemax软件仿真计算透镜三维结构,研究了双面型Kinoform透镜孔径和台阶宽度对透镜聚焦性能的影响。并考虑降低加工难度,探究了透镜台阶尖端切角尺寸对器件聚焦性能的影响。(4)通过复合双面型Kinoform透镜进一步缩短透镜焦距,并设计正交放置双面型Kinoform透镜实现X射线点聚焦。(5)研究了硅基双面Kinoform透镜加工工艺,制作出了双面型Kinoform器件样品,孔径200μm,台阶宽度5μm,尖端切角500nm,刻蚀深度为91.5μm。
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