X射线自由电子激光薄膜光学元件抗损伤性能研究

Presently, China is rapidly developing X-ray free electron laser (XFEL). There are some important scientific questions needed to be answered, which includes how to evaluate the damage-resistance capability of thin-film optics in different energy regions and to develop new-type reflective thin-film optics with good damage-resistance capabilities and relatively large critical angles. For answering these questions, based on the EUV damage instrument built in our laboratory and Shanghai soft X-ray FEL light source, this project is planned to do damage experiments on low Z, high Z and low Z/high Z bilayer materials as a function of the wavelength and incidence angles, etc. The damage mechanisms and the damage-resistance capabilities are hoped to be figured out by comparing the experimental results with the analysis of finite element method. By combining the experimental and theoretical analysis together, an evaluation method will be developed on evaluating the damage-resistance capabilities for different types of thin-film optics in the energy region from EUV to X-ray. It is hoped to make some contributions for designing the structures and evaluating the damage-resistance properties of thin-film optics used in the beamlines of hard X-ray free electron laser facility in China.

目前，我国正在大力发展X射线自由电子激光，如何评估薄膜光学元件在极紫外-X射线不同工作能段的抗损伤性能、探索研究具有更大全反射角和抗损伤能力的新型反射式薄膜光学元件是亟需解决的科学问题。针对这些问题，本项目拟用自行搭建的极紫外辐照损伤装置以及上海软X射线自由电子激光开展损伤研究，分析低Z、高Z原子序数和低Z/高Z双层膜材料辐照损伤与波长和角度等因素的关联性，结合有限元等方法分析薄膜元件的损伤机理和抗损伤能力。通过实验与理论相结合，建立一套极紫外-X射线波段薄膜元件抗损伤性能评估方法，为我国硬X射线自由电子激光光束线用薄膜光学元件的设计和抗损伤性能评估发挥作用。

薄膜反射镜是X射线自由电子激光光源的核心元件之一，研制具有更大全反射角和抗损伤能力的薄膜反射镜对于我国X射线自由电子激光的建设发展具有重要意义。本项目针对X射线薄膜反射镜在极紫外-X射线波段的抗损伤性能和损伤机理开展了实验和理论研究。.在实验研究上，本项目主要分析了不同工艺制备的低Z元素B4C薄膜反射镜、具有更大全反射角的高Z元素Ru金属薄膜反射镜和工作能段更宽的低Z/高Z元素组合的B4C/Ru双层膜反射镜的抗损伤性能和损伤机制。本研究发现1mTorr溅射气压磁控溅射制备的B4C(50nm)/Si-sub反射镜的抗损伤性能最优，极紫外损伤阈值大于2.55J/cm^2；其次为Ru(30nm)/Si-sub金属单层膜反射镜，损伤阈值2.39J/cm^2；双层膜B4C(6nm)/Ru(30nm)/Si-sub的损伤阈值为2.34J/cm^2。此外，本研究表明基板热扩散效应对纳秒辐照损伤具有重要影响。本项目首次发现了Mo/Si多层膜多脉冲损伤的累积效应，其损伤累积因子为0.90，通过损伤形貌的演化规律分析了Mo/Si多层膜多脉冲损伤机理。本项目在国际上首次建立了高时间和空间分辨纳秒极紫外泵浦-飞秒激光探测成像损伤测试系统，研究了B4C/Ru双层膜反射镜极紫外损伤动力学过程，揭示了辐照损伤区自我恢复现象的物理机制。.在极紫外-X射线薄膜反射镜辐照损伤理论研究上，本项目发展了多种模拟分析方法，包括解析理论模型、蒙特卡洛和有限元综合模拟方法和焓值法。利用上述理论方法，本项目分析获得了B4C/Si-sub等薄膜反射镜在X射线掠入射辐照下的抗损伤性能与损伤机制。研究发现X射线掠入射辐照B4C反射镜存在两种损伤机制，在0.4-1.8keV能段，B4C薄膜表面发生熔融损伤；在1.9-25keV能段，B4C-Si基板界面靠近基底表面发生熔融损伤。本研究提出XFEL光束线上使用B4C/Si-sub反射镜应避开Si-K吸收边，以降低XFEL辐照损伤发生的风险。本项目建立的极紫外-X射线薄膜元件抗损伤性能评估方法将为我国XFEL光源建设发挥作用。