Многослойные зеркала на основе бериллия для экстремального ультрафиолетового излучения (λ=11,1...30,4 нм)
Общей тенденцией последних лет в рентгеновской оптике стало применение традиционных методов, таких как микроскопия, литография, наблюдательная астрономия в коротковолновой части УФ диапазона (длина волны от 2 до 100 нм). Этот диапазон интересен тем, что он позволяет получать изображения с нанометровым пространственным разрешением. В указанной спектральной области энергии фотонов совпадают с энергиями ионизации и квантовых переходов атомов, обеспечивая тем самым высочайший контраст изображений, что выводит изучение живых биологических образцов на новый – нанометровый – уровень разрешения. Спектроскопия в экстремальном УФ диапазоне также весьма информативна для изучения термоядерной плазмы, физики Солнца и других космических объектов.
При переходе в рассматриваемый диапазон в десятки раз по сравнению с традиционной оптикой возрастают требования к качеству изготовления оптических элементов и многослойных интерференционных зеркал (МИЗ). Одной из задач исследователей Института физики микроструктур РАН в рамках развиваемых отечественных программ по изучению короны Солнца, является разработка МИЗ нового поколения для экстремального УФ диапазона, которые должны одновременно иметь более высокие коэффициенты отражения и лучшую спектральную селективность. Как правило, это взаимоисключающие требования, и в рамках используемых сейчас наборов материалов для МИЗ указанная проблема не имеет решения. Нам удалось устранить это противоречие следующим образом. Классический подход для выбора материалов МИЗ предусматривает использование чередующихся слоев материалов с большим и малым атомными номерами. Бериллий имеет некоторые преимущества перед другими «легкими» материалами только в очень узком спектральном диапазоне – 11,1...12,4 нм, кроме того он токсичен при технологической обработке, поэтому в рентгеновской оптике этот материал долгое время даже не рассматривался. В 2016 г. по результатам наших расчетов мы впервые обратили внимание на то, что в диапазоне длин волн длиннее 17 нм бериллий обладает уникальным сочетанием оптических констант. С одной стороны, он имеет низкое поглощение, т. е. потери излучения по этому каналу минимизируются, а с другой стороны, его высокая рассеивающая способность сравнима с рядом более тяжелых материалов, что позволяет получить одновременно и высокие коэффициенты, и узкую спектральную полосу отражения. Расчеты подтвердили эти качественные рассуждения.
Для проведения исследований с бериллием в ИФМ РАН была создана специально оборудованная лаборатория, в которой были синтезированы наиболее перспективные МИЗ: бериллий-кремний-алюминий (Be/Si/Al), цирконий-бериллий-кремний-алюминий (Zr/Be/Si/Al) и бериллий-магний (Be/Mg) с защитной верхней пленкой Al. Все полученные нами зеркала показали рекордные коэффициенты отражения и спектральную селективность. Причем, эффекты значительные. В составе многозеркальных систем оборудованных бериллиевыми зеркалами (а телескоп, как правило, содержит 2–3 зеркала) эффективность телескопа может быть увеличена до 300%. Мы очень надеемся, что в обозримом будущем телескопы с нашими многослойными интерференционными зеркалами «увидят» Солнце!
Разработанные нами зеркала представляют большой интерес и для литографии следующего поколения, так как превосходят мировые аналоги, работающие на длине волны 13,5 нм по отражению на 1,5%. Несмотря на кажущуюся малость увеличения коэффициента отражения, на самом деле это большое достижение. Например, в многозеркальной системе литографа такая добавка на одном зеркале приведет к увеличению производительности литографического процесса на 29%! При миллиардных оборотах рынка это даст колоссальный экономический эффект. Работа в указанном направлении продолжается, и есть перспектива, что наши молибден-бериллий-кремниевые зеркала станут основой для литографов нового поколения.
Н. И. Чхало, зав. отделом многослойной рентгеновской оптики ИФМ РАН, д.ф.-м.н.