6nm～10nm波段软X射线高性能近正入射多层膜反射镜研究

Soft X-ray laser is an important tool to diagnose the high temperature and dense plasmas, One of which potential development is focus in 6nm~10nm region. The advanced multilayer mirrors working at near-normal incident are the key elements in the soft X-ray laser optics and limit the X-ray flux and resolution of the diagnosis instrument. In this project, the investigation, which would be completed, include the small period multilayer growth model and simulation, growth and evolution of interfacial roughness, diffusion and stress, thermal stability and the application condition. After this project, they will be resolved how to accurately calibrate and control the layer thickness, interface defects, stress and use and preserve the multilayer mirrors. Some new techniques developed would be used to fabricate advanced soft X-ray multilayer mirrors with high reflectivity and good profiler for improving the performance of imaging and adjust optics for 6nm~10nm soft X-ray laser. Above all, this project will provide the techniques and elements to improve the experiment lever of diagnosing high temperature and density plasma.

软X射线激光是实现高温稠密等离子体诊断的重要工具之一，6~10nm波段软X射线激光诊断技术与装置是国内外等离子体诊断技术的研究前沿和热点之一，高性能近正入射多层膜反射镜是构建该波段软X射线激光诊断装置的核心元件，是我国软X射线激光诊断技术发展的瓶颈因素之一。本课题面向我国软X射线激光诊断技术与装置向短波发展的需求，围绕该波段近正入射多层膜界面粗糙度大、应力大、稳定性与环境耐受性差等问题，通过界面结构改性、材料掺杂、表面保护层等方法，实现界面缺陷和应力的调控，提升多层膜的反射率，降低多层膜的应力，提高反射镜的面形精度；进一步寻找该波段新型的多层膜材料组合，对其制作实验进行深入研究；通过深入研究应用环境条件对X（X=Ru、La、Mo等）/B4C多层膜结构和组分的作用机理，探索提升多层膜稳定性和环境耐受性的方法，提出该波段多层膜的保存与应用的条件体系，支撑短波长软X射线激光诊断实验的开展。

本项目面向激光等离子体诊断实验的发展趋势，针对6-10nm短波长X射线波段，重点开展了多层膜膜层材料优选、膜层界面微结构及其控制方法研究、内应力产生机制与抑制方法等研究，探索了提升多层膜光谱分辨率的方法，为实现可实用的短波长软X射线多层膜反射镜器件制作提供了技术基础和理论指导。首先，本项目重点研究了掺氮反应溅射工艺对于Pd/Y和Pd/B4C多层膜微结构、界面和应力的作用机制，先后解决了Pd/Y多层膜的界面稳定性和Pd/B4C多层膜的应力控制问题，实现了可实用的Pd/Y和Pd/B4C多层膜样品的制备。其次，本项目探索了真空退火方法对Mo/B4C和W/Si多层膜的应力与热稳定性的作用机制，先后采用了真空退火和低温退火等工艺，实现了具有超多膜层数、很大应力的Mo/B4C和W/Si多层膜的应力控制，实现了可实用器件的制作。再次，提出了Si间隔层的方法，解决了Al基多层膜界面质量和热稳定性差的问题，为开展太阳观测用天文望远镜研制提供了技术支撑，也为采用膜层掺杂和引入界面间隔层方法提升软X射线多层膜性能提供了潜在手段。最后，面向激光等离子体诊断实验对软X射线反射镜的需求，先后制作了大尺寸Ni单层膜反射镜、8.04keV（Cu的K线）多层膜反射镜、4.09keV（Sc的 K线）的多层膜反射镜、Mo/Si和Mo/Y软X射线多层膜反射镜，为相关实验研究提供了器件保障。