XFEL 光束的核心挑戰(zhàn)是單脈沖損傷：大量光子在 100 飛秒內(nèi)集中到達(dá)，即便銅這類優(yōu)質(zhì)導(dǎo)熱體，也無法在脈沖期間有效散熱。在光束聚焦（直徑通常 < 50 微米）時(shí)，X 射線穿透深度內(nèi)的吸收會(huì)導(dǎo)致多數(shù)材料在超快時(shí)間尺度上汽化。

• 傳統(tǒng)光學(xué)元件的局限

以金制菲涅爾波帶片（FZP）為例，在 LCLS的高強(qiáng)度脈沖下極易損壞，圖二為瑞士PSI聯(lián)合SLAC、ESRF、歐洲XFEL等團(tuán)隊(duì)測試的100 納米最外環(huán)寬度的Au波帶片在 8 keV、1.2 mJ 脈沖能量、60 Hz 條件輻照下的結(jié)果。可以看出1,000次脈沖后波帶片結(jié)構(gòu)退化，10,000次脈沖后完全損毀。盡管單次脈沖傳遞的能量（0.1 eV / 原子）低于熔化閾值（0.4 eV / 原子），但散熱不良導(dǎo)致金再結(jié)晶，最終破壞結(jié)構(gòu)。

圖二、(a)未輻照狀態(tài)；

(b)經(jīng)過1,000次脈沖輻照后；(c)經(jīng)過10,000次脈沖后。

更耐受的材料需滿足低原子序數(shù)、低單原子吸收率，因此碳化硼或金剛石常用于直接暴露于 XFEL 輻射的元件（如狹縫、光束阻擋器、快門、準(zhǔn)直器和衰減器等）。其中，金剛石因高熱導(dǎo)率和低硬 X 射線吸收，成為最優(yōu)選擇。（根據(jù)單脈沖能量和脈沖串中脈沖數(shù)量的不同，X射線脈沖串的平均功率可高達(dá)數(shù)千瓦）

1.金剛石的材料優(yōu)勢

• 極低 X 射線吸收：原子序數(shù) Z=6，密度3.52 g/cm3，8 keV 光子穿透深度 > 100 μm，10 μm 膜厚透射率 > 99%；

• 超高熱導(dǎo)率：理論值 2200 W/mK（銅的 5 倍），熱擴(kuò)散系數(shù) 1.2 cm2/μs，可實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)熱弛豫；

• 強(qiáng)鍵合抗輻射：熔點(diǎn) > 2000℃，高sp3鍵能（7.4 eV/鍵），高沉積能量密度，耐受值 > 3.2 eV / 原子（金僅 0.4 eV / 原子即熔毀）。

  
  

2. 劣勢

金剛石對硬X射線的折射率較低（δ=3.6×10??@8 keV），因此金剛石作為折射光學(xué)元件對深寬比提出了高要求，給加工帶來挑戰(zhàn)。

表一、常見材料金剛石、金、硅的性能對比

且根據(jù)瑞士PSI在LCLS上的測試結(jié)果表明：金剛石器件在LCLS 經(jīng)過10?次脈沖（8 keV、1.2 mJ、70 fs）照射后性能穩(wěn)定，而金元件已徹底損毀。

圖三、XRnanotech金剛石微結(jié)構(gòu)的典型加工路徑示意圖

如上圖三，直觀地展示了金剛石光學(xué)的具體加工路徑如下：

1. 以 500 微米厚硅框架支撐，用化學(xué)氣相沉積（CVD）制備 1-5 mm 直徑、10 μm 厚的多晶金剛石膜；

2. 經(jīng) Piranha 溶液清洗、HF 漂洗和氧等離子體處理，保障表面潔凈與光刻膠附著力；

3. 鍍 15 nm 鉻層（兼具 HSQ 層粘附和抗電荷積聚作用），再經(jīng)氧等離子體處理；

4. 旋涂 450-500      nm 負(fù)性光刻膠 HSQ（<40 nm 結(jié)構(gòu)需用 MIBK 稀釋以減薄涂層）；

5. 用 100 keV 電子束光刻系統(tǒng)曝光光柵圖案（<60 nm 結(jié)構(gòu)用 200 μm 孔徑、2-10 nA 束流，較大結(jié)構(gòu)用 400 μm 孔徑、30-150 nA 束流）；

6. 1:3 氫氧化鈉水溶液顯影 5-6 分鐘，超 50 nm 結(jié)構(gòu)用氮?dú)飧稍铮?lt;50 nm 結(jié)構(gòu)用臨界點(diǎn)干燥防坍塌；

7. Cl?/O?等離子體刻蝕，將 HSQ 圖案轉(zhuǎn)移至鉻層，300℃烘烤 40 分鐘硬化掩模；

8. 氧氣感應(yīng)耦合等離子體刻蝕金剛石，每 1-2 μm 調(diào)整參數(shù)以減小側(cè)壁傾斜；

   
   

基于金剛石對于硬X射線折射率較低這一特性，如下圖四，我可以使用ALD技術(shù)沉積額外的Ir鍍層提高FZP等器件的衍射效率。

圖四、XRnanotech衍射效率增強(qiáng)Ir填充波帶片加工路徑示意圖

圖五、用于 X 射線自由電子激光波前傳感的金剛石微米級(jí)棋盤格/圓柱結(jié)構(gòu)

德國電子同步加速器研究所的P. Vagovic等人利用單二維相位光柵干涉法表征X射線波前，下圖六展示了由單片棋盤型金剛石光柵在探測器平面產(chǎn)生的干涉圖（自成像），將周期為4μm的棋盤光柵置于波導(dǎo)下游約126mm處，實(shí)現(xiàn)了40倍的放大效果。僅憑單幅干涉圖(b, c)就成功重建了振幅和相位分布。采用金剛石相位光柵等合適的相位調(diào)制器，單光柵裝置的光子能量范圍可下探至4 keV。

圖六、(a)在距離8keV X射線波導(dǎo)5米處記錄的幾何放大自成像測量結(jié)果。右下角插圖為圖像中央?yún)^(qū)域的放大視圖。(b)和(c)面板分別展示了采用傅里葉方法在探測器平面解調(diào)出的X射線波前振幅與相位信息。

• 光譜在線監(jiān)測：

自放大自發(fā)輻射 （SASE） 是目前在 X 射線自由電子激光器 （XFEL） 設(shè)施中產(chǎn)生短輻射脈沖的最常用方法。由于其隨機(jī)性，產(chǎn)生的脈沖在強(qiáng)度和光譜組成上都會(huì)波動(dòng)。這些波動(dòng)會(huì)影響在 XFEL 設(shè)施中的實(shí)驗(yàn)。為了減輕對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，開發(fā)一種能夠?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)脈沖提供高分辨率頻譜測量的診斷工具至關(guān)重要。在硬 X 射線能量范圍內(nèi)，很難構(gòu)想出不干涉主實(shí)驗(yàn)光束質(zhì)量的光譜儀。為此瑞士PSI開發(fā)了兩種不同的光譜儀裝置，它們使用由金剛石制成的非侵入式、抗輻射和高透射率納米結(jié)構(gòu)衍射光柵。這些光柵通過衍射掉一小部分主光束 （約1%） 來充當(dāng)分束器，這些主光束將用于監(jiān)控目的。剩余的光束將通過光柵傳輸，可用于主實(shí)驗(yàn)。

圖七、左：金剛石波帶片衍射并將一小部分光束聚焦到相機(jī)上，用于光譜監(jiān)測。右：金剛石光柵僅作為分束器，光束的一小部分被衍射到高分辨率彎曲晶體光譜儀上，然后由相機(jī)記錄光譜。

其中，金剛石波帶片方案在 LCLS XFEL 上以 6 keV 光子能量的全光束記錄了單發(fā)光譜。事實(shí)證明，它在全輻射負(fù)載下具有抗輻射性，并且能夠以1.5 eV 的分辨率記錄單發(fā)光譜。金剛石光柵分束+晶體色散的方案在歐洲XFEL開發(fā)的高分辨率硬X射線單發(fā)光譜儀（HIREX）上實(shí)現(xiàn)了0.15eV@9.3KeV的光譜分辨率。為了進(jìn)一步驗(yàn)證金剛石光柵的性能，在德國DESY的PETRA III同步輻射光源P10線站搭載了圖八所示測試裝置。

圖八、左圖為高分辨率硬X射線單發(fā)光譜儀（HIREX），右圖為金剛石光柵測試裝置（PETRA III的P10光束線）

（1）通過光電二極管測量得到150nm間距光柵在6 keV下1級(jí)衍射效率為0.75%，已滿足后端光譜測試需求，并掃描了光柵 2 mm × 2 mm 區(qū)域，中心效率波動(dòng)<20%，左下邊緣因金剛石膜曲率曲率導(dǎo)致效率驟降。

圖九、(a) 6KeV能量下的一階衍射效率圖。(b) 衍射效率隨光子能量變化的變化關(guān)系。黑線為計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色標(biāo)示為實(shí)測衍射效率。

（2）過光子計(jì)數(shù)相機(jī)成功捕捉到±5級(jí)衍射分布，高階衍射的清晰度與對稱性直接反映光柵結(jié)構(gòu)均勻性。

圖十、(a)為光子計(jì)數(shù)相機(jī)記錄的光柵后5米處的衍射光斑，(b)為光子計(jì)數(shù)相機(jī)圖像中沿光柵衍射級(jí)次方向的強(qiáng)度線剖面圖。

• 超快泵浦探針實(shí)驗(yàn)的延遲線：

為通過在不同的延遲時(shí)間重復(fù)多次測量來獲得樣本被自由電子激光泵浦激發(fā)的完整動(dòng)態(tài)。瑞士PSI 開發(fā)了一種基于金剛石衍射光柵的新型延遲線。

XFEL 脈沖通過金剛石光柵分離出多個(gè)光束，并通過光柵重新組合到樣品上。因此，每個(gè)泵浦脈沖（未衍射光束）之后是一系列具有精確時(shí)間定義延遲的衍射光束。探測光照射到泵浦激發(fā)區(qū)域，而參考光照射在泵浦光/探測光照射區(qū)域下方約100 μm 的位置（樣品上）。

圖十一、用于超快泵浦探針實(shí)驗(yàn)延遲線的光路示意圖

及測得的單次具有時(shí)間分辨的 X 射線衍射圖。

該光路成功實(shí)現(xiàn)了“單泵 - 多探頭”實(shí)驗(yàn)，證明其可以觀察到不可逆的破壞性過程的時(shí)間軌跡。而從技術(shù)上講，主要挑戰(zhàn)在于光柵的制造。分束器光柵必須由金剛石制成，以免被光束破壞。且光柵線必須非常精細(xì)，才能獲得高達(dá) 1 ps 的延遲時(shí)間（周期低至 17 nm 的光柵）。

原子分辨率成像、超快強(qiáng)場物理等實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)面臨信號(hào)弱的問題，需將光束聚焦至納米尺度以提升光子密度。反射鏡/折射透鏡需要大孔徑需求（0.5–1 mm）導(dǎo)致加工精度難以滿足，或存在色差/損耗問題，此前僅能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)聚焦。

XRnanotech 金剛石-銥復(fù)合FZP解決了高能X射線的聚焦瓶頸：

（1）納米焦斑：

在8 keV XFEL光束中實(shí)現(xiàn)了320 nm焦斑（FWHM），為當(dāng)時(shí)硬XFEL最小聚焦光斑。功率密度4×101? W/cm2（70 fs脈沖）,比未聚焦光束高 超過10?倍。

圖十二、銥填充鉆石波帶片的納米聚焦光斑尺寸分析。

焦斑半高全寬為320nm，最大能量為5.53×10^-25 J

（2）聚焦效率躍升：

純金剛石器件僅能將8 keV入射光的2.1%衍射至焦點(diǎn)，而填充銥的FZP器件在相同光子能量下效率可達(dá)13.2%。如圖十三所展示的，1.2μm高的銥填充金剛石FZP（紫色虛線）與1.8μm高的金剛石FZP（紅色虛線）的實(shí)測衍射效率隨光子能量變化對比，具有顯著提升。實(shí)線則為對應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的FZP的理論效率。

圖十三、  金剛石FZP與銥填充金剛石FZP的

衍射效率隨光子能量變化對比

XRnanotech是瑞士知名的Paul Scherrer Institute研究所10多年研發(fā)的結(jié)晶，于2020年成立，旨在將最新的突破性X射線光學(xué)創(chuàng)新引入市場。瑞士XRnanotech 專注于研究納米結(jié)構(gòu)，開發(fā)和制造最具創(chuàng)新性的X射線光學(xué)器件，以實(shí)現(xiàn)最高分辨率、效率、穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)質(zhì)量。產(chǎn)品線包括：菲涅耳波帶片、納米級(jí)光柵、金剛石光學(xué)器件、納米分辨率測試卡、3D分辨率測試卡等。XRnanotech 制造的菲涅耳波帶片分辨率可低至<10nm，憑借獨(dú)特的 Ir-線倍增技術(shù)，可以獲得精確到 5nm 的 X 射線束聚焦，這使得 XRnanotech 成為 X 射線透鏡世界紀(jì)錄保持者。

北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為瑞士XRnanotech公司中國區(qū)的代理，為中國客戶提供所有產(chǎn)品的售前咨詢，銷售及售后服務(wù)。我司始終致力于為廣大科研用戶提供專業(yè)的EUV、X射線產(chǎn)品及解決方案。

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