中子多层膜极化镜设计、制作与表征方法研究

极化中子是开展磁性材料和超导材料精细结构研究的重要工具，多层膜极化镜是构成中子极化装置的核心元件，是目前国际上中子光学研究的热点之一。近年来，由于多层膜极化镜的极化率和反射率不断提升，形成了多种新型中子极化装置，提高了实验水平。我国正在开展新中子源建设，将建设多条具有极化能力的中子束线。由于国内多层膜极化镜研究尚属空白，导致我国在中子极化装置研究方面严重缺乏自主创新能力，因此开展相关研究对开发新的中子极化装置、创新极化中子实验方法、提升中子源有效利用率具有重要的科学意义和应用价值。本项目开展中子多层膜极化镜设计、制作和表征方法研究，重点解决极化镜优化设计、含强铁磁材料膜层的多层膜生长机理及表界面粗糙度和内应力控制、极化镜物理和光学特性表征等关键问题，填补国内相关研究空白，为我国实现极化中子装置的自主开发、提升中子束线改造和研发能力、确保中子源的高效和可持续运转提供必要的技术支撑和元件储备。

本项目围绕我国正在开展的新中子源对具有极化能力的中子束线的要求，开展了中子多层膜极化镜的设计、制备与表征方法的研究。建立了磁化条件下中子多层膜极化镜常用膜层材料对冷中子的光学常数库；实现了多层膜极化镜反射率和极化率的模拟计算； 开展了金属/非金属多层膜应力控制方法研究，提出并验证了通过优化金属和非金属膜层厚度比的方法来控制多层膜应力的方案；深入研究了中子极化镜用Fe/Si多层膜的界面微结构和应力产生机制。. 首先，深入研究了中子多层膜极化镜用Fe/Si多层膜的界面形成机制，解释了Fe/Si多层膜界面层厚度不对称性的产生机理，研究结果表明，Fe/Si多层膜界面处Fe层与Si层的混合是比较明显的，Fe/Si多层膜界面对称性随着Fe层厚度的增加由非对称性变为对称性最后再变为非对称性结构。当Fe膜层的厚度小于2.65nm时，Si-on-Fe界面层厚度大于Fe-on-Si的界面层厚度，Fe/Si多层膜为非对称性结构，当纯Fe层厚度达到2.65nm时，Si-on-Fe界面层厚度与Fe-on-Si界面层厚度相等，Fe/Si多层膜为对称性结构，当纯Fe层厚度大于2.65nm时，Si-on-Fe层厚度小于Fe-on-Si层的厚度，Fe/Si多层膜界面为非对称性结构。Fe膜层的结晶状态及磁控溅射中Fe与Si原子沉积能量的不同是影响Fe-on-Si与Si-on-Fe界面对称性改变的主要原因。. 其次，在金属/非金属多层膜应力研究的基础上，深入研究了Fe/Si多层膜的应力产生机理。探索了多层膜界面微结构对应力特性的作用机制，明确了多层膜应力随膜层厚度的变化趋势。研究结果表明，Fe单层膜为张应力，且随厚度增加呈现幂指数下降；Si单层膜为压应力，且随厚度增加，几乎不变。对于Fe/Si多层膜，当Fe层厚度不变，随着Si层厚度的增加，Fe/Si多层膜总应力为压应力且与Si层厚度的增加呈线性关系减小；当Si层厚度不变时，随着Fe层厚度的增加，Fe/Si多层膜总应力为压应力且与Fe层厚度的增加呈线性关系减小。通过对界面应力随Fe、Si层厚度变化的理论分析，证明Fe/Si多层膜界面应力是影响多层膜应力变化的主要因素。