周傳月 劉峰 韓煥鵬 吳磊 （中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220）

1 介紹

晶體是勞厄透鏡允許的基本結(jié)構(gòu)。作為新興技術(shù)，勞厄透鏡使星載望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了在100 kV到1.5 MV能量范圍內(nèi)比現(xiàn)有的產(chǎn)品敏感10～100倍。但是由于受宇宙射線、輻射帶、地球背景蒙蔽反照率與太陽(yáng)耀斑等激烈復(fù)雜的太空環(huán)境的影響，軟伽馬射線望遠(yuǎn)鏡并沒(méi)有在這一領(lǐng)域的探測(cè)器上得到充分應(yīng)用。但為了不斷提高對(duì)排放高能光子的天體的認(rèn)識(shí)，需要有更加敏感的望遠(yuǎn)鏡。按照現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡的形式，更敏感意味著數(shù)量與規(guī)模更大以達(dá)到收集更多信號(hào)的目的。很明顯想要使用現(xiàn)有的軟伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡達(dá)到一個(gè)10～100倍的靈敏度飛躍是不可能的。

本文闡述尼古拉巴里和朱利安魯塞爾博士的團(tuán)隊(duì)對(duì)更適合制作勞爾透鏡的材料的實(shí)驗(yàn)研究。

2 勞厄透鏡的原則

按照布拉格衍射，勞厄透鏡通過(guò)大量的按照同心環(huán)排列的晶體將來(lái)自無(wú)限遠(yuǎn)處同一光源的光線集中。最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)是每個(gè)環(huán)均由相同的晶體組成，他們的對(duì)稱軸確定了鏡頭的視線。

布拉格定律指晶體通過(guò)衍射平面間的距離將光線方向和衍射平面的夾角與衍射能量E聯(lián)系起來(lái)。

米勒指數(shù)用h、k、l界定衍射平面的設(shè)定（另一個(gè)符號(hào)使用h、k、l中素?cái)?shù)和n的衍射秩序）、普朗克常數(shù)h和真空中光速c。

達(dá)爾文寬度指出，完美的晶體只能衍射幾伏特的能量帶寬。勞厄透鏡則要求能夠衍射很寬的能量帶寬。有兩種晶體可以達(dá)到這一要求：鑲嵌晶體和有彎曲衍射平面的晶體（CDP晶體）。下面將闡述尼古拉巴里團(tuán)隊(duì)對(duì)各種晶體做出的評(píng)估研究。

3 合適晶體的符合條件

首先需要找到符合條件晶體的范圍。由于大分子的存在將減少晶體的衍射強(qiáng)度，所以尼古拉巴里博士沒(méi)有考慮兩種以上元素組成的晶體，而在純材料中進(jìn)行選擇。

適合勞厄透鏡的材料首先必須符合苛刻的溫度環(huán)境和壓力條件，在空氣中沒(méi)有強(qiáng)烈的反應(yīng)（自燃、深度氧化反應(yīng)），也不存在放射性或有毒的結(jié)晶狀態(tài)。其次，必須能夠高效地衍射射線，這主要依賴于晶格，其中最有效的晶體是鉆石，面心立方格或體心立方格。圖1顯示了單晶在晶態(tài)時(shí)的電子密度。半填方代表元素符合以上條件，但是熔點(diǎn)在2 273 K以上的晶體稀有而昂貴，圓圈代表化學(xué)填充。

因此選擇研究100多種化學(xué)元素中的18種，即：鋁、硅、釩、鉻、鎳、銅、鍺、鉬、銠、鈀、銀、鋇、鉭、鎢、銥、鉑、金、鉛。其中幾種韌性大，例如銅、銀、金、鉛。晶體必須能夠接受一個(gè)準(zhǔn)確的方向，使火箭在發(fā)射過(guò)程中不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)烈震動(dòng)而改變。由于這方面原因，軟材料就不適合了，因?yàn)橥稽c(diǎn)點(diǎn)改變就足以改變晶體的射線衍射特性。

4 幾種材料的分析

根據(jù)上面的理由，尼古拉巴里團(tuán)隊(duì)集中對(duì)下面3種材料進(jìn)行研究：銅鑲嵌晶體、Si1-xGex以及金晶體。

銅晶體由ILL單色組制作，這個(gè)團(tuán)體在生長(zhǎng)高質(zhì)量銅晶體方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。有序度與均勻性是銅鑲嵌晶體的主要指標(biāo)。尼古拉巴里團(tuán)隊(duì)對(duì)一些銅有序度低于1弧分的晶體進(jìn)行了測(cè)定，得到如下3個(gè)例子（所有被測(cè)樣品未作表面切處理）。

第一個(gè)樣品是834.δ4（55×20 mm橫截面積，3 mm厚度）。使用299 kV反射光束測(cè)量了25點(diǎn)。平均值在圖2（a）中顯示?？梢钥闯?，達(dá)爾文模型（連續(xù)線）擬合數(shù)據(jù)相當(dāng)不錯(cuò)。但是，搖擺曲線在基部微放大，很可能是由于削減所引起的缺陷。其平均衍射效率為46%，對(duì)應(yīng)于良好的反射率為34%。這個(gè)樣品是符合勞厄透鏡條件很好的例子。

第二個(gè)樣品，834.δ3（55×20 mm 橫截面積，9 mm 厚），使用589 kV反射測(cè)量25點(diǎn)。從數(shù)據(jù)中提取的平均參數(shù)顯示在圖2（b）中。盡管在傳輸幾何中產(chǎn)生了計(jì)數(shù)振蕩，但可以發(fā)現(xiàn)，達(dá)爾文模型非常適合這類搖擺曲線很狹窄的銅晶體。該樣品的有序度平均值是14±6弧秒，這是截至目前銅晶體中測(cè)量的最小值。

最后一個(gè)銅樣品，銅834.31（19.2×21 mm，10.3 mm厚），使用816 kV進(jìn)行照射。圖2（c）對(duì)應(yīng)所有點(diǎn)的平均值。

圖2（a）搖擺曲線記錄銅晶體834.δ4，使用299 kV與111反射。晶體為3 mm厚。有序度在這一點(diǎn)為29弧秒，衍射效率達(dá)到47%，考慮到傳輸系數(shù)為0.75，反射率為35%。圖2（b）搖擺曲線記錄銅晶體834.δ3，使用589 kV與111反射。晶體厚度為9 mm，這使得傳輸系數(shù)為0.55。有序度在這一點(diǎn)為14弧秒。衍射效率達(dá)到50%，反射率為27.5%。圖2（c）為銅晶體834.31的搖擺曲線在10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值，使用220反射和816 kV。圖2（d）為3個(gè)銅晶體834.31（10點(diǎn)平均值）、834.δ3、834.δ4的峰值衍射效率測(cè)量，利用動(dòng)力學(xué)理論，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與達(dá)爾文模型相符。圖2（e）為搖擺曲線記錄黃金樣品Au_1的111反射，使用588 kV。考慮到通過(guò)2 mm厚度31%吸收反射，有序度估計(jì)值為16弧秒。連續(xù)線表示符合達(dá)爾文的模型。圖2（f）模仿使用有序度為30弧秒、晶粒厚40 μm、厚度2 mm的金晶體（111反射）達(dá)爾文模型的搖擺曲線。

銅鑲嵌晶體對(duì)有序度與均勻性的要求比較高，對(duì)一些有序度低于1弧分的銅晶體進(jìn)行測(cè)定得到以下結(jié)果：能量在300～600 kV之間的晶體具有最佳效果。但是在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中注意到切割對(duì)晶體樣品的最終屬性是有嚴(yán)重影響的。它會(huì)產(chǎn)生超過(guò)要求的1 mm深度或更多的無(wú)法被酸腐蝕去除的深度缺陷。

Si1-xGex合金沿X晶軸進(jìn)行生長(zhǎng)（梯度結(jié)晶）。Ge濃度的增加會(huì)使硅晶格變形，導(dǎo)致衍射的球面曲率發(fā)生變化垂直于生長(zhǎng)軸。晶體沿111方向生長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)（111）平面的球面曲率。由于Ge濃度仍然很低，晶體的曲率近似正比于Ge濃度梯度：

其中，▽CGe是Ge濃度梯度每厘米原子百分比表示，RC是區(qū)域球半徑曲率（m），ε是一個(gè)常數(shù)。Ω是濃度梯度依賴于鑲嵌體，是時(shí)間梯度。

我們研究的最終目標(biāo)是要發(fā)展具有穩(wěn)定濃度梯度的Ge晶體，它可以優(yōu)化能量在300 keV下RC寬度為30弧秒的曲率?，F(xiàn)在的研究表明這一目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。

在對(duì)高效率晶體的高能衍射的研究背景下，對(duì)于表面拋光的金晶體，從4個(gè)不同能量（299 keV、399 keV、494 keV、588 keV）下被測(cè)定。對(duì)于每個(gè)能量有5個(gè)測(cè)量點(diǎn)（形成了一個(gè)加其中心點(diǎn)對(duì)角線為5 mm的正方形）使用111反射做探測(cè)，結(jié)果被歸于表1中。圖2（e、f）顯示在588 keV的電子束照射下的搖擺曲線。

金晶體晶體的測(cè)試結(jié)果是肯定的：該晶體在16弧秒588 keV到30弧秒300 keV范圍內(nèi)均勻性和有序度高，并有良好的衍射效率。

5 結(jié)論與觀點(diǎn)

Si1-xGex的生產(chǎn)有令人滿意的結(jié)果：穩(wěn)定斜率的生產(chǎn)容許提取在300 keV能量下具有30弧秒帶寬的同種性質(zhì)的晶片。Cu晶體的研究還表明，我們對(duì)晶片有序度低于15弧秒，依據(jù)理論預(yù)測(cè)的反射率低的要求可以達(dá)到。

對(duì)于金樣品的研究使研究者有了新的認(rèn)識(shí)，這個(gè)2 mm厚的樣品在600 keV附近有良好的反射率。Ag和Rh晶體樣品也將被測(cè)量，希望可以擴(kuò)大我們的可用材料范圍以及用于有效透鏡的設(shè)計(jì)。

最重要的是高效率的晶體研究找到了更多的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。特別是對(duì)于雙組分晶體，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)在其他領(lǐng)域得到充分的利用。高純?cè)厥趾币娗野嘿F，但卻是建立能量高于600 keV的有效透鏡的必需品。此外，有衍射彎曲平面的晶體可以顯著增加勞厄透鏡的整體性能。在這一領(lǐng)域，大部分是未開發(fā)的，到目前為止，在高能量單色光研究中的應(yīng)用，也將進(jìn)一步加快啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展進(jìn)程。■