同步輻射用非對稱切割Si晶體光學(xué)元件關(guān)鍵技術(shù)研究

本項(xiàng)目主要針對我國同步輻射用高分辨率以及高熱負(fù)載晶體器件的性能要求，展開所需晶體光學(xué)元件的物性研究與制備工藝探索。在硬X射線能區(qū)，晶體是實(shí)現(xiàn)同步光單色化的重要光學(xué)元件，高晶面指數(shù)大切偏角非對稱切割硅單晶具有分辨本領(lǐng)高、抗輻照能力強(qiáng)以及易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以作為單色裝置應(yīng)用于同步輻射光束線上。通過研究高指數(shù)晶體在非對稱切割模式下的物理性質(zhì)，包括不同能點(diǎn)的衍射效率、搖擺曲線半高寬等物理參數(shù)，對將來的同步輻射應(yīng)用提供技術(shù)支撐。對所需晶體進(jìn)行了超精密加工工藝探索，研究了單晶硅以及石英等晶體的完整加工工藝包括金剛石線切割，雙軸精密研磨，化學(xué)機(jī)械拋光以及厚度減薄等，獲得了不同晶體的超精密加工工藝流程并申請了相關(guān)專利。 系統(tǒng)性的比較了高低指數(shù)晶面的差異以及工藝對元件性能的影響。分別制備了從（111），（220），（311）（400），（422），到（511），（620）、（531）、（975）、（1222）不同晶向樣品。發(fā)現(xiàn)了工藝條件對不同指數(shù)晶面的差異化影響。相同工藝對不同指數(shù)晶面表面粗糙度的影響較小，但是對損傷層的影響較大，加工會導(dǎo)致晶體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生改變。相同研磨工藝條件下高指數(shù)晶面的表面和亞表面損傷更小。從宏觀上而言，其原因在于高指數(shù)晶面具有更大的表面張力，更高的硬度以及彈性模量。微觀上來說是由于高指數(shù)晶面的近鄰原子數(shù)以及表面自由能的不同造成同一塊硅單晶的不同晶面之間出現(xiàn)較大性能差異。著重研究了非對稱切割硅單晶的物理特性，分別制備了切偏角從0°到12°的一系列非對稱晶體樣品，對其X射線衍射特性做了詳細(xì)研究。通過分子動(dòng)力學(xué)從理論上計(jì)算了切偏角對X射線衍射特性的影響。非對稱角越大，衍射曲線半峰寬越小，衍射強(qiáng)度越低。非對稱角的大小直接影響晶體衍射曲線的擬合結(jié)果。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對比給出了相應(yīng)結(jié)果為，晶體實(shí)際表面與晶格表面之間的角度差如果大于0.5°將會導(dǎo)致5%以上的數(shù)據(jù)誤差。搭建了小型的非對稱晶體成像測試平臺，可以搭載兩塊不同晶面指數(shù)的晶體，每一塊晶體元件均可在多維度上進(jìn)行位置和角度的調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)不同入射角衍射組合實(shí)現(xiàn)高分辨單色應(yīng)用，成功進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

針對我國同步輻射用高分辨率以及高熱負(fù)載晶體器件的性能要求，展開所需晶體光學(xué)元件的物性研究與制備工藝探索。在能量大于8KeV的硬X射線能區(qū)，晶體是實(shí)現(xiàn)同步光單色化的重要光學(xué)元件，高晶面指數(shù)大切偏角非對稱切割硅單晶具有分辨本領(lǐng)高、抗輻照能力強(qiáng)以及易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于同步輻射光束線上的單色裝置，同時(shí)由于具有放大和縮小功能也被應(yīng)用于光學(xué)譜儀和KB鏡等成像系統(tǒng)。通過研究高晶面指數(shù)晶體在大切偏角這種非對稱切割模式下的物理性質(zhì)，包括不同能點(diǎn)的衍射效率、搖擺曲線半高寬等物理參數(shù)，確定高能端硬X射線所匹配的晶格指數(shù)，晶體衍射效率與晶格切偏角度的最佳對應(yīng)關(guān)系。對所需晶體進(jìn)行超精密加工工藝探索，試制的晶體將在同步輻射束線上進(jìn)行檢測，為我國的同步輻射用硅晶體光學(xué)器件打下技術(shù)基礎(chǔ)，并希望最終能為我國的同步輻射光源和束線提供所需國產(chǎn)光學(xué)元件。

同步輻射加速器主要用于產(chǎn)生第二代同步輻射光源，利用電子在圓形軌道中的運(yùn)動(dòng)，發(fā)出單色光。

我國的同步輻射加速器建立在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校內(nèi)。 國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室坐落在安徽合肥中國科技大學(xué)西校園中，這是國家計(jì)委批準(zhǔn)建設(shè)的我國第一個(gè)國家級實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室擁有的同步輻射光源是國內(nèi)高校中唯一一臺大科學(xué)裝置和國家級實(shí)驗(yàn)研究平臺。

國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室建有我國第一臺以真空紫外和軟X射線cvnbd為主的專用同步輻射光源。其主體設(shè)備是一臺能量為800MeV、平均流強(qiáng)為100~300mA的電子儲存環(huán)，用一臺能量200MeV的電子直線加速器作注入器。來自儲存環(huán)彎鐵和扭擺磁鐵的同步輻射特征波長分別為2.4nm和0.5nm。

國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室一期工程1984年11月20日破土動(dòng)工，1989年建成出光，1991年12月通過國家驗(yàn)收，總投資8,040萬元人民幣。1999年國家又投資11,800萬元人民幣進(jìn)行國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室二期工程建設(shè)，2004年12月二期工程通過國家驗(yàn)收。

國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)建有X射線光刻、紅外與遠(yuǎn)紅外、高空間分辨X射線成像、X射線衍射與散射、擴(kuò)展X光吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)、燃燒、X射線顯微術(shù)、原子與分子物理、真空紫外分析、表面物理、軟X射線磁性圓二色、光電子能譜、真空紫外光譜、光聲與真空紫外圓二色光譜、光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)量等15條光束線和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)站。國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室是向國內(nèi)外用戶開放的國家級共用實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)有注冊用戶150余家。