1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
环境扫描电子显微镜（ESEM）能够在低真空环境模式下对含水、含油以及生物等样品进行高分辨率观测。由于电子束通道与样品室间存在着极大的真空压差，采用真空差分结构会导致出现物镜的工作距离增加、偏转范围缩小、电子束和气体碰撞概率增加等问题，最终影响成像分辨率和效率。针对这些问题，本文从电子光学理论出发，综合考虑了ESEM中物镜结构和真空差分结构，将两者结合在一起进行优化设计，提出了一种具有可变真空结构的物镜设计方法，并搭建了实验平台，开展了物镜磁场测试、真空压差测试和分辨率测试。测试结果表明，在目前实验条件和133 Pa的低真空环境模式下，工作距离为15 mm时，20 μm×20 μm的扫描场对应的成像分辨率优于50 nm。
电子光学 物镜 可变真空结构 压差光阑 节流管
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
3 兰州大学物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000
X射线多层膜是X射线光学领域的重要反射元件，可利用X射线的布拉格反射实现特定波段X射线的高效反射。多层膜的反射率与膜层材料和膜层结构密切关系，根据多层膜的工作原理，对于高能波段的X射线，为获得较大掠射角下的高反射率，通常需要多层膜具有更小的周期厚度和更大的周期数，因此高精度薄膜生长技术是X射线多层膜元件制备的必要条件。本文研究了基于原子层沉积技术的X射线多层膜的制备，首先利用Fresnel系数递推法计算出HfO2/Al2O3、Ir/Al2O3、Ru/Al2O3、W/Al2O3四种材料组合的多层膜的反射率，讨论了材料组合、周期厚度、周期数、占空比等参数对多层膜反射率的影响。在此基础上，选取并制备了周期厚度为4 nm、周期数为60、占空比为0.5的HfO2/Al2O3 X射线多层膜。X射线（0.154 nm）反射率的分析结果显示，该多层膜的周期厚度为3.86 nm，反射率约43%，多层膜截面的透射电子显微镜（TEM）图显示膜层间界面清晰。该结果验证了原子层沉积法制备小周期厚度X射线多层膜元件的可行性。
原子层沉积 X射线 多层膜 反射率
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
目前，国产大功率端窗X射线管存在束流和功率小于设计值的问题。从热电子发射理论和空间电荷受限发射理论出发，对大功率端窗X射线管的束流进行优化研究。在理论仿真中，计算两种理论模型下的电子束轨迹、束流大小和靶面焦斑。计算分析表明，现有问题主要是灯丝附近的电势分布不合理造成的。基于这一分析，对现有结构提出两种优化方案：一种不改变现有结构仅通过改变灯丝电势来克服灯丝附近的空间电荷效应；另一种通过改变灯丝位置来使灯丝附近的加速电压分布更加合理。基于这两种优化方案，再次进行仿真计算，计算结果显示，两种方案可以有效提高现有大功率X射线管的束流。最后设计了验证性实验，测得了该结构在额定最大灯丝电流下的温度限制束流大小，并验证了仿真计算的准确性，同时也验证了提出的两种优化方案的可行性。
X射线源 空间电荷限制 热电子发射 性能优化 光学学报
2023, 43(22): 2234001
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院电工研究所，北京 100190
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国科学院上海高等研究院上海同步辐射光源，上海 201800
针对X射线波带片对大高宽比的应用需求，采用原子层沉积法在光滑的金属丝表面生长膜厚可高精度控制的多层膜环带结构，再利用聚焦离子束切片技术获得大高宽比的多层膜X射线波带片。采用复振幅叠加法设计了以Al2O3/HfO2分别为明环和暗环材料的X射线波带片，实验上利用原子层沉积在直径为72 μm的金丝表面交替沉积了10.11 μm的Al2O3/HfO2多层膜，环带数为356，总直径为92.22 μm，最外环宽度为25 nm。通过聚焦离子束切割得到高为1.08 μm、高宽比达43∶1的X射线多层膜菲涅耳波带片。该波带片应用于上海光源（BL08U1A）软X射线成像线站时，在1.2 keV X射线下实现聚焦成像功能，展现出利用该技术制备多层膜X射线波带片的潜力。
X射线菲涅耳波带片 原子层沉积 聚焦离子束 大高宽比 多层膜 光学学报
2023, 43(11): 1134001
1 中国科学院电工研究所，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
棒阳极X射线源能够深入到被检物内部进行无损检测，是具有小孔腔特征的金属管壁零部件的可靠性检测的首选方法。具有良好电子光学设计的聚焦系统是棒阳极X射线源获得高分辨率检测的关键之一。首先，从电子光学理论出发，结合棒阳极X射线源的结构特点建立了聚焦系统模型。然后，优化了聚焦系统模型的电子光学参数。最后，搭建了样机，并进行了分辨率测试实验。仿真与实验结果均表明，在50~130 kV加速电压下，样机的分辨率优于50 μm。
X射线光学 棒阳极 长工作距离 电子光学 光学学报
2022, 42(22): 2234001
光学 精密工程
2022, 30(18): 2232
1 中国科学院 电工研究所，北京0090
2 中国科学院大学，北京100049
曝光工艺中经离心涂敷后抗蚀剂胶层的均匀性对曝光线宽有很大的影响。为了得到高速旋转下抗蚀剂胶体在凹面衬底上所形成膜层厚度的均匀性，在凹面衬底上建立了非牛顿流体微元经离心旋转的流体动力学模型。根据对应的边界条件、非牛顿流体的本构方程和连续性方程，推导并得到了流体性质、曲面面形、旋转速度和时间等因素与最终厚度的关系式。使用流变仪对950 K PMMA C 2%抗蚀剂的流体性质进行标定，在凹面衬底上以旋转速度为单一变量进行离心涂胶实验，使用光谱椭圆偏振仪测量离心后随矢量半径变化的胶体厚度，并与理论推导进行对比。实验结果表明：旋转速度在2 000 r/min时，理论厚度为267 nm，实验所测厚度为230 nm，偏差比率为13.86%；旋转速度在3 000 r/min时，理论厚度为178 nm，实验所测厚度为172 nm，偏差比率为3.37%。考虑到涂胶后，前烘工艺会进一步减小胶层厚度，偏差在正常范围内。本文建立的数学模型具有较好的预见性，可以对胶体经旋转离心后的均匀性提供理论指导。
电子束曝光 离心涂胶 非牛顿流体 胶层厚度 曲面 electron beam lithography spin-coating non-Newtonian fluid layer thickness curved surfaces
1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
3 北京航天易联科技发展有限公司, 北京 100176
可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)是近年来发展十分迅速的光谱检测技术, 相较于其他光谱检测技术, 它具有高灵敏度、 高分辨率、 实时监测、 便携性好、 小型化等优点, 在工业环保、 医疗检测、 气象监测等领域得到了广泛的应用。 TDLAS波长调制法中谐波信号易受气压影响, 经研究发现气压的影响是调制深度对谐波信号的影响, 基于TDLAS技术谐波法的原理, 研究了各次谐波与调制深度的关系, 通过计算四次谐波与二次谐波中心幅值比, 利用调制深度函数推算当前气压环境的调制深度, 调整调制频率幅度, 使得调制深度接近各次谐波最佳调制深度值, 使谐波信号信噪比最佳, 提高检测精度。 实验通过国瑞智GRZ5031湿度发生器产生固定为1 000 ppm的水汽, 调节气阀控制密封箱内不同的气压环境, 采用TDLAS水汽检测系统获得了10.2~177.9 kPa气压条件下的二次谐波和四次谐波信号, 并进行了仿真与实验分析。 仿真结果显示: 四次谐波与二次谐波中心幅值比的理论值和仿真值最大相对误差为-1.44%, 调制深度的理论值与仿真值最大相对误差为1.78%, 说明了仿真下的调制深度函数曲线与理论一致。 实验结果显示: 根据调制深度函数推算调制深度值, 当m=2.226 7时, 实测的二次谐波中心频率幅值达到最大值, 当m=4.061 0时, 实测的四次谐波中心频率幅值达到最大值, 与理论结果一致; 在30.2 kPa<p<177.9 kPa时, 调制深度与气压乘积mp值相对误差较小, 最大相对误差不超过±3.2%, 说明了此气压条件下的mp值波动不大, 通过调制深度函数推算的调制深度值与实际值近似, 验证了调制深度函数理论的准确性。
气压 调制深度 高次谐波 TDLAS Pressure Modulation depth High harmonic TDLAS 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3676
MgB2作为迄今为止超导转变温度最高的合金超导体, 由于其具有结构简单、 相干长度长、 晶界间不存在弱连接、 上临界场很高、 电-声散射时间短等特点, MgB2超导薄膜在电子学领域有着广阔的的应用前景。 拉曼光谱是研究电-声子相互作用和超导能带的一种有效方法, 且已广泛用于分析MgB2材料的电子、 声子特征以及超导体能带结构, 研究表明, 样品质量、 晶粒尺寸以及测试条件对MgB2拉曼峰的峰位和峰形影响很大, 其中拉曼光谱随温度的变化也是一个研究重点, 但目前关于MgB2变温拉曼光谱的研究, 测试的温度范围相对较小, 局限在83 K到室温区域或是转变温度附近。 研究了大范围温度区间内MgB2薄膜的拉曼光谱变化, 采用混合物理化学沉积法在(0001)SiC衬底上制备了MgB2多晶薄膜, 薄膜的晶粒尺寸约为300 nm, 超导转变温度为39.3 K, 对其在10~293 K之间的拉曼光谱进行了测试, 测量的波数范围为20~1 200 cm-1。 变温拉曼光谱的测试结果显示, 在高频620 cm-1附近以及低频80和110 cm-1附近存在MgB2的拉曼峰。 经分析, 低频区域出现的两个拉曼峰的频率与超导能隙宽度相对应, 表明MgB2的双能隙特性。 考虑到MgB2中四种声子模式的拉曼活性, 高频620 cm-1附近的拉曼峰应是由E2g振动模所贡献的, 且随着测试温度的降低, 该拉曼峰的峰位未发生明显的偏移, 但半高宽显著变小, 从293 K时的380.7 cm-1减小到10 K时的155 .7 cm-1, 分析表明E2g声子与电子系统的非线性耦合所引起的非简谐效应可能是拉曼峰半高宽线性变小的主要原因。
薄膜 变温 拉曼光谱 MgB2 Film Different temperature Raman spectra MgB2 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3451
1 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
2 中国科学院大学微电子学院, 北京 101407
3 中国科学院电工研究所, 北京 100080
4 北京市微电子制备仪器设备工程技术研究中心, 北京 100029
5 北京交通大学理学院, 北京 100044
菲涅耳波带片(FZP)能实现光源聚焦,是硬X射线显微成像最重要的组成元件之一。分辨率与衍射效率是FZP最重要的两个参数,但在实际设计与制备中,两者往往难以同时兼顾。因此,提出了一种基于严格耦合波理论的硬X射线FZP设计方法。该方法在指定分辨率的基础上优化衍射效率,给出了硬X射线FZP组成材料、环带宽度、外径、厚度以及厚度控制精度等参数的优化值。同时考虑到材料色散的影响,给出了最优衍射效率随光源能量变化的分布情况,为显微成像中的光源选择提供了参考。
成像系统 菲涅耳波带片 分辨率 衍射效率 严格耦合波 硬X射线 光学学报
2021, 41(11): 1111002
