一種基于光子晶體的寬入射角高反射率X射線反射膜及制備方法與流程

本發明涉及x射線光學系統設計以及膜層設計分析，具體涉及一種基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜及制備方法。

背景技術：

1、在空間x射線探測、x射線脈沖星導航、x射線通信、x射線成像及x射線光譜分析等領域，能否對軟x射線光子進行有效的反射及聚焦成像，決定上述系統的應用效果。對于0.5nm-10nm的軟x射線，由于其特殊的穿透性，其很難在光學表面產生有效的反射。軟x射線在介質表面的反射率是入射波長與掠入射角的復雜函數，對于特定波長的軟x射線，反射率會隨著掠入射角的增加而變小，因此要提高反射率就需要很小的掠入射角，其反射率r與掠入射角θ的表達式可表示如下：

2、在上述掠入射角的技術限制下，導致現有的x射線反射膜以及x射光學系統存在著以下幾個問題：

3、1、如果要實現高的x射線反射率，需要降低掠入射角，這會導致x射線光子需要較長的光學路經，導致目前已經應用的高性能x射線光學系統焦距往往長達數米甚至數十米，體積龐大，難以實現系統的小型化和輕量化。

4、2、在上述應用情況下，x射光子在掠入射的情況下才能有效反射，導致在掠入射角之外大部分光子未能經由x射線子反射收集，信號收集效率比較低。

5、3、目前針對x射線高效率的反射問題，也存在一些解決思路，比較常用的方法是采用x射線多層反射膜的方法，但是該方法只能在較窄的光譜范圍內或者單個x波長點處提升x射線反射性能。無法保證在寬光譜，寬掠入射角的范圍內使系統具有較高的反射率，因此該方法還未擺脫x射線掠入射的技術體制。

技術實現思路

1、為解決背景技術中存在的問題，針對上述問題以及對x射線高效率反射的應用需求，本發明提出了一種基于光子晶體的寬入射角、高反射率的x射線反射膜，以擺脫傳統的x射線掠入射的技術體制對x射線光線的入射角度的限制。

2、一種基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其包括：

3、基底，所述基底由具有高透射率和低熱膨脹系數的材料制成；

4、設置于基底上方的光子晶體層，所述光子晶體層包含若干周期單元，每個周期單元由一層高折射率材料疊加一層低折射率材料組成，重復的序列形成具有特定禁帶的光子帶隙結構，使得在0.5nm至10nm波長范圍內的x射線發生布拉格反射；

5、所述介質材料選自鈮酸鋰、氧化鋯、氮化硅、二氧化硅和銥中的兩種材料。

6、優選的方案中，所述光子晶體層的孔道結構可平行或垂直于基底。

7、優選的方案中，所述基底的材料選自石英、硅和碳化硅中的一種或多種。

8、優選的方案中，所述光子晶體層的晶格常數為2.5nm，晶格常數指相鄰兩個相同介質材料層之間的距離。

9、優選的方案中，周期單元中，填充比為0.4，所述填充比是指高折射率材料在每個周期單元內占的體積比。

10、基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜的制備方法，其包括如下的步驟：

11、s1、選擇具有高透射率和低熱膨脹系數的材料制成的基底材料，并進行清洗、干燥處理；

12、s2、設計光子晶體層的結構參數，包括介質材料的折射率、晶格常數、填充比以及膜層厚度；

13、s3、采用納米壓印或溶膠-凝膠方法在基底上制備光子晶體層；

14、s4、對光子晶體層進行退火處理，以提高其結構穩定性；

15、s5、對制備好的反射膜進行性能分析與測試，包括反射率、入射角范圍指標。優選的方案中，步驟s3采用納米壓印方法，具體過程包括：

16、制備模具:制備帶有所需光子晶體結構圖案的硬模版；

17、軟材料準備:準備含有介質材料的聚合物溶液；

18、壓印:將模具壓入到軟材料中，使其填充模具中的空隙；

19、固化:通過加熱或光照等方式使軟材料固化，形成光子晶體結構；

20、脫模:移除模具，保留光子晶體結構在基底上。

21、優選的方案中，步驟s3采用溶膠-凝膠方法，具體過程包括：

22、溶液制備:將介質材料的前驅體金屬醇鹽溶解在適當的溶劑中；

23、水解和縮合:通過加入水和催化劑來促進前驅體的水解和縮合反應；

24、旋涂:使用旋涂機將溶液均勻地涂覆在基底上；

25、干燥和固化:通過加熱來去除溶劑并固化薄膜；

26、多次沉積:為了得到所需的膜層厚度和結構，可能需要重復旋涂和固化步驟。優選的方案中，步驟s4的具體過程包括：

27、s41、設定溫度:根據使用的材料確定適宜的退火溫度；

28、s42、加熱:將制備好的光子晶體層放置在退火爐中，并加熱到預定溫度；

29、s43、保溫:在設定溫度下保持一定時間，以確保結構穩定性的改善；

30、s44、冷卻:緩慢冷卻至室溫，以避免產生熱應力。

31、優選的方案中，步驟s5的具體過程包括：

32、反射率測量:

33、s51、儀器選擇:選擇適合軟x射線波長范圍的反射率測量設備；

34、s52、數據采集:在不同的入射角和波長下測量反射率；

35、s53、數據分析:分析反射率隨入射角和波長的變化趨勢；

36、入射角范圍測試:

37、s54、設定入射角:設置從較小角度到較大角度的入射角范圍；

38、s55、測量反射率:在不同入射角下測量反射率；

39、s56、評估性能:確定反射率保持較高水平的最寬入射角范圍。

40、本發明所達到的有益效果為：

41、第一、本發明提出了一種基于光子晶體的寬射角高反射率x射線反射膜及制備方法，可有效的擺脫傳統的x射線掠入射的技術體制對x射線光線的入射角度的限制，通過對光子晶體材料優化以及相應晶胞尺寸的分析設計，可在寬入射角度的情況下，有效提升0.5nm-10nm之間的x射線反射率。

42、第二、本發明的x射線反射膜層具備在寬光譜、寬射角的反射內可實現高效率x射線反射的優勢，可進一步降低對x射線反射光學路徑，提高x射線光子的利用率，該膜層的使用可以使x射線光學系統具備輕量化以及高效率的優勢。

43、第三、本發明的x射線反射膜層具備工藝簡單，成本低廉，易于實現規模化生產的優勢，可廣泛的應用在空間x射線探測、x射線脈沖星導航、x射線通信、x射線成像及x射線光譜分析等領域。

技術特征：

1.一種基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于，其包括：

2.根據權利要求1所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于：所述光子晶體層的孔道結構可平行或垂直于基底。

3.根據權利要求1所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于，所述基底的材料選自石英、硅和碳化硅中的一種或多種。

4.根據權利要求1所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于，所述光子晶體層的晶格常數為2.5nm，晶格常數指相鄰兩個相同介質材料層之間的距離。

5.根據權利要求1所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于，周期單元中，填充比為0.4，所述填充比是指高折射率材料在每個周期單元內占的體積比。

6.如權利要求1-5任一所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜的制備方法，其特征在于，其包括如下的步驟：

7.根據權利要求6所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于：步驟s3采用納米壓印方法，具體過程包括：

8.根據權利要求6所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于：步驟s3采用溶膠-凝膠方法，具體過程包括：

9.根據權利要求6所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于：步驟s4的具體過程包括：

10.根據權利要求6所述的基于光子晶體的寬入射角高反射率x射線反射膜，其特征在于：步驟s5的具體過程包括：

技術總結
本發明涉及X射線光學系統設計以及膜層設計分析技術領域，提供一種基于光子晶體的寬入射角高反射率X射線反射膜及制備方法，該反射膜包括由高透射率、低熱膨脹系數材料制成的基底，以及在基底上設置的光子晶體層。光子晶體層由高折射率與低折射率材料交替疊加形成周期單元，具有特定禁帶結構，能在0.5nm至10nm波長范圍內實現布拉格反射。采用納米壓印或溶膠?凝膠法制備，通過退火處理提高結構穩定性。本發明的反射膜在寬入射角范圍內保持高反射率，克服了傳統X射線反射膜的入射角限制，適用于空間X射線探測等領域，具有高效、輕量、低成本及易于規模化生產的優勢。

技術研發人員：王文叢,劉金勝,史鈺峰,韓培德,宋娟,李璟璟,王博,徐延庭,徐振華
受保護的技術使用者：山東航天電子技術研究所
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21