一种X射线双能量周期多层膜及其设计方法

本发明属于x射线领域、多层膜反射，涉及一种双能量周期性多层膜，尤其涉及一种x射线双能量周期多层膜及其设计方法。

背景技术：

1、多层膜和晶体是硬x射线领域常用的单色元件。相对于晶体，多层膜d值大，选择通过的光束能量带宽更大，因而总积分通量更高。另外多层膜还可以镀制在各种非球面，使其兼具聚焦、准直等功能。基于上述特点，多层膜器件在世界上各大光源的各个光束线站都有应用。多层膜类似于一种“人造晶体”，由一高一低(a/b)两种材料交替组成。其采用的是布拉格衍射理论，一般采用磁控溅射的方式在基底上镀膜，根据不同的需求可以镀制周期性单色多层膜与非周期性多层膜。

2、在同步辐射和常规x射线的实验方法学中，目前用到的单色多层膜反射器件有单通道和多通道多层膜反射镜。多通道多层膜是在基底上，按照水平方向镀制不同的单色多层膜，以工作在不同的波段范围内，根据不同的实验需求分时切换使用不同的通道。

3、在同步辐射和常规x射线的实验方法学中使用到的多层膜反射器件有单通道和多通道两种。由于材料吸收边的影响，单通道多层膜仅能工作在有限的波段范围内，往往只能满足固定波段的实验需求。而多通道多层膜有足够多的通道，能够工作在较宽的波段范围。但是对于不同波段，不同的通道是分时切换使用的，每切换一个通道需要根据入射光能量重新调节整个光路的聚焦与准直，步骤繁琐、时间成本高、实验效率低，并且无论单通道还是多通道多层膜，实质上都是用单色光进行实验。而采用单色光在具体实验中往往存在标定实验步骤繁琐、无法同时兼顾探测器角度范围与角分辨率、无法同时获得样品不同深度层次的信息等缺点。

技术实现思路

1、受限于当前接收端能量分辨探测器的发展，相当大一部分硬x射线方法学实验是围绕多层膜光学元件筛选出来的单色光开展的；针对传统单色光实验标定实验繁琐、实验效率低、无法兼顾接收端角度范围和角分辨率的问题，本发明的目的在于提供一种x射线双能量周期多层膜及其设计方法。本发明在一个基底上镀制两组不同周期的多层膜，使得出射光同时包含两种特定的能量。

2、本发明的技术方案为：

3、一种x射线双能量周期多层膜设计方法，其步骤包括：

4、1)对于包括波长λ1的较低能量x射线和波长λ2的较高能量x射线的入射光，确定制备低能膜和高能膜的材料；其中，所述高能膜设置在所述低能膜之上，所述低能膜、高层膜分别为由两种不同原子序数的材料交替镀膜所得的多层膜；所述低能膜中相同材料的膜层厚度相同，相邻两膜层为一个周期，周期厚度d1为所述低能膜中较高原子序数材料的膜层厚度与所述低能膜中较低原子序数材料的膜层厚度之和；所述高能膜中相同材料的膜层厚度相同，相邻两膜层为一个周期，周期厚度d2为所述高能膜中较高原子序数材料的膜层厚度与所述高能膜中较低原子序数材料的膜层厚度之和；

5、2)根据所述入射光中较低能量x射线的波长λ1、较高能量x射线的波长λ2和折射修正的布拉格公式确定所述低能膜与所述入射光之间的入射角θ以及周期厚度d1、d2；

6、3)根据镀膜精度、镀膜能力，选取膜层厚度误差δ、膜层界面粗糙度σ；

7、4)将波长λ1、波长λ2、入射角θ、周期厚度d1、周期厚度d2、膜层厚度误差δ和膜层界面粗糙度σ优化所述低能膜的厚度比γ1、所述高能膜的厚度比γ2以及所述高能膜的周期数为n2、所述低能膜的周期数为n1；其中，厚度比

8、厚度比

9、进一步的，优化过程中，使用线性吸收系数计算入射光中较高能量x射线穿透所述低能膜时，所述低能膜对较高能量x射线的吸收值ρ；然后根据计算出的吸收值ρ优化所述低能膜的相关参数。

10、进一步的，利用公式ρ＝1-e-ul计算吸收值ρ；其中，μ为线性吸收系数，l为衰减长度。

11、进一步的，首先根据镀膜工艺以及折射修正的布拉格方程确定周期厚度d2；然后根据所述入射光中较高能量x射线的波长λ2、周期厚度d2和折射修正的布拉格公式确定所述低能膜与所述入射光之间的入射角θ；然后根据入射光中较低能量x射线的波长λ1、入射角θ和折射修正的布拉格公式确定所述周期厚度d1。

12、进一步的，步骤4)中，将波长λ1、波长λ2、入射角θ、周期厚度d1、周期厚度d2、膜层厚度误差δ和膜层界面粗糙度σ代入imd软件中，模拟x射线双能量周期多层膜的反射率曲线；根据工程需求、经济效益优化相关参数值。

13、进一步的，所述低能膜、高能膜采用相同的两种不同原子序数的材料。

14、进一步的，所述低能膜、高能膜中较高原子序数材料为ru、pd、w、co或cr；所述低能膜、高能膜中较低原子序数材料为si、c或b4c。

15、一种双能量周期多层膜，其特征在于，包括低能膜和高能膜，所述高能膜上设置所述低能膜；

16、所述低能膜包括由两种不同原子序数的材料交替镀膜所得的多层膜；所述低能膜中相同材料的膜层厚度相同，相邻两膜层为一个周期，周期厚度d1为所述低能膜中较高原子序数材料的膜层厚度与所述低能膜中较低原子序数材料的膜层厚度之和；

17、所述高能膜包括由两种不同原子序数的材料交替镀膜所得的多层膜；所述高能膜中相同材料的膜层厚度相同，相邻两膜层为一个周期，周期厚度d2为所述高能膜中较高原子序数材料的膜层厚度与所述高能膜中较低原子序数材料的膜层厚度之和；

18、其中，入射光包括波长为λ1的较低能量x射线和波长为λ2的较高能量x射线；根据所述入射光中较低能量x射线的波长λ1、较高能量x射线的波长λ2和折射修正的布拉格公式确定所述低能膜与所述入射光之间的入射角θ以及周期厚度d1、d2；

19、所述低能膜用于对入射光中较低能量x射线进行反射；所述高能膜用于对入射光中穿透所述低能膜的较高能量x射线进行反射。

20、本发明的优点如下：

21、1、与传统多通道多层膜反射镜相比，本发明一组多层膜即可筛选出两种不同能量的光并且同时进行实验，无需分时使用。

22、2、与传统多通道多层膜反射镜相比，经过本发明多层膜出射的光同时包含两种能量，故只需要一套聚焦准直系统，无需重复调节光路。

技术特征：

1.一种x射线双能量周期多层膜设计方法，其步骤包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化过程中，使用线性吸收系数计算入射光中较高能量x射线穿透所述低能膜时，所述低能膜对较高能量x射线的吸收值ρ；然后根据计算出的吸收值ρ优化所述低能膜的相关参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用公式ρ＝1-e-ul计算吸收值ρ；其中，μ为线性吸收系数，l为衰减长度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，首先根据镀膜工艺以及折射修正的布拉格方程确定周期厚度d2；然后根据所述入射光中较高能量x射线的波长λ2、周期厚度d2和折射修正的布拉格公式确定所述低能膜与所述入射光之间的入射角θ；然后根据入射光中较低能量x射线的波长λ1、入射角θ和折射修正的布拉格公式确定所述周期厚度d1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，将波长λ1、波长λ2、入射角θ、周期厚度d1、周期厚度d2、膜层厚度误差δ和膜层界面粗糙度σ代入imd软件中，模拟x射线双能量周期多层膜的反射率曲线；根据工程需求、经济效益优化相关参数值。

6.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述低能膜、高能膜采用相同的两种不同原子序数的材料。

7.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述低能膜、高能膜中较高原子序数材料为ru、pd、w、co或cr；所述低能膜、高能膜中较低原子序数材料为si、c或b4c。

8.一种双能量周期多层膜，其特征在于，包括低能膜和高能膜，所述高能膜上设置所述低能膜；

9.根据权利要求8所述的双能量周期多层膜，其特征在于，所述低能膜的厚度比γ1大于所述高能膜的厚度比γ2；其中，

10.根据权利要求8所述的双能量周期多层膜，其特征在于，所述低能膜、高能膜采用相同的两种不同原子序数的材料；所述低能膜、高能膜中较高原子序数材料为ru、pd、w、co或cr；所述低能膜、高能膜中较低原子序数材料为si、c或b4c。

技术总结本发明公开了一种X射线双能量周期多层膜及其设计方法。本发明双能量周期多层膜，其特征在于，包括低能膜和高能膜，所述高能膜上设置所述低能膜；所述低能膜包括由两种不同原子序数的材料交替镀膜所得的多层膜；低能膜、高能膜中相同材料的膜层厚度相同，相邻两膜层为一个周期；入射光包括波长为λ<subgt;1</subgt;的较低能量X射线和波长为λ<subgt;2</subgt;的较高能量X射线；根据波长λ<subgt;1</subgt;、λ<subgt;2</subgt;和布拉格公式确定入射角θ以及低能膜的周期厚度d<subgt;1</subgt;、高能膜的周期厚度d<subgt;2</subgt;；低能膜用于对入射光中较低能量X射线进行反射；高能膜用于对入射光中穿透所述低能膜的较高能量X射线进行反射。本发明使得出射光同时包含两种特定的能量，大大提高了实验效率。技术研发人员：刘鹏,干钰琪受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/1