能量连续可调的宽带同步辐射软X射线多层膜偏振器研究

One can obtain the important information of material (Particularly for magnetic and biology material) by measuring the change of intensity and polarization state of the synchrotron radiation polarization light interaction with material. For example, K absorption edges of C, N, O elements lie in 100-600 eV energy range, which is essential important to biology material, and the L edges are in 600-900eV for Fe, Co, Ni magnetic material. These researches create some experimental methods, such as, soft X-ray magnetic circular dichroism, element resolution Faraday effect, Kerr effect measurements, which improves the powerful tools for the fields of biology, medicine, information, material science, etc. So, polarization measurement becomes the research hot spot in world synchrotron radiation facilities. Polarimeter has been setup in Beijing synchrotron radiation facility for extreme ultraviolet and soft X-ray range. A new plan has been proposed in Shanghai synchrotron radiation for higher energy range. In order to improve measurement efficiency, polarization elements are required. In the project, a broadband polarizer continuously tunable in 100-1000eV energy range will be developed by using lateral gradient period multilayer. The design, fabrication and measurement of this gradient multilayer polarizer will be investigated. This work will provide the technology support for synchrotron radiation polarization measruement facility and its applications.

利用同步辐射软X射线偏振光，通过测量材料（尤其是磁性和生物材料）对光强和偏振状态的变化可以获得材料的重要信息。如：100-600eV能段有C、N、O的K吸收边；600-900eV能段有铁、钴、镍等磁性材料的L吸收边。这一工作的深入和发展开创了一些新的同步辐射实验方法，如：软X射线磁圆二色测量、软X射线元素分辨法拉第效应和克尔效应测量等，为生物、医学、信息、材料、物理与化学等学科提供了强有力的工具。因此，偏振测量成为越来越多同步辐射光源的研究热点。北京同步辐射已建立了极紫外与软X射线偏振测量装置，上海光源也正在预研更高能段的偏振装置。为提高测量效率，急需研制宽带偏振光学元件。本项目采用横向梯度周期多层膜方法，实现100-1000eV工作能量连续可调的宽带偏振元件，研究梯度多层膜偏振元件设计、制作和检测方法，为我国同步辐射偏振测量装置及其应用研究提供技术支撑。

偏振特性是同步辐射光源的优异特性之一，利用同步辐射软X射线偏振光，通过测量材料（尤其是磁性和生物材料）对光强和偏振状态的变化可以获得材料的重要信息，在物理、材料、信息、生物科学及计量科学等领域应用广泛。软X射线能段覆盖3d过渡族金属大量M吸收边吸收边，100-600eV能段有C、N、O的K吸收边；600-900eV 能段有铁、钴、镍等磁性材料的L吸收边。本项目根据我国同步辐射光源的应用需求，针对100-1000eV北京同步辐射3W1B光束线测试所需的宽带偏振光学元件，研究工作能量波段可调的横向梯度周期多层膜。本项目设计了不同工作能量范围的Mo/Si、Mo/Y、Mo/B4C、Cr/C、Cr/Sc,、W/B4C，WSi2/Si等膜系结构，研究多层膜的应力性能，改善制备工艺，优化成膜质量，使用直流磁控溅射技术借助掩膜板和掠靶调速相结合的方法，控制膜层厚度横向梯度变化，制备了Mo/Si，Mo/Y，Mo/B4C，Cr/C，Cr/Ti，W/Si，W/B4C，WSi2/Si等一系列横向梯度多层膜，并使用掠入射X射线反射（GIXRR）对多层膜的周期厚度以及成膜质量进行了表征。分别在北京同步辐射光源以及合肥国家同步辐射实验室对Mo/Si、Mo/Y、Mo/B4C等梯度多层膜进行了光学性能测试；在英国的Diamond光源对Mo/Si，W/B4C，WSi2/Si等梯度多层膜进行了偏振性能测试，能量响应范围50eV-1000eV，覆盖极紫外和软X射线能段。测试结果表明，梯度多层膜的最小梯度达到了0.01nm/mm，梯度范围为0.1-0.01nm/mm，平均偏振度99.5%。另外，本项目进一步拓展研究了二维梯度多层膜的设计与制备工艺，为未来梯度多层膜在同步辐射测试、等离子体诊断研究中应用提供了技术支持。