镜子里的X射线

撰稿 | Eva（中科大，博士生）

X射线反射镜作为将同步辐射光束反射到目标的重要光学仪器之一，广泛应用于大型同步辐射设施中，为生命科学、材料科学、地球科学、环境科学等领域的许多研究成果做出了贡献。

图1：英国“钻石”同步辐射光源（简称：钻石光源）

拓展：钻石光源是英国的国家同步辐射加速器。它就像一个巨大的显微镜，利用电子的力量产生明亮的光，这台机器将电子加速到接近光速，从而发出比太阳亮 100 亿倍的光。这些明亮的光束然后被引导到称为“光束线站”的实验室。在这里，科学家们可以用它来研究从化石到喷气发动机再到病毒和疫苗的任何事物。

X射线是一种波长非常短的电磁辐射形式，范围在0.01纳米到10纳米之间，根据波长与能量的关系，波长越短的携带的能量越大，这就使得X射线具有穿透物质能力。

因此，X射线反射镜不同于我们熟悉的反射可见光的反射镜，为了实现X射线不会穿透反射镜而是从反射镜表面发生反射，X射线相对反射镜的入射角度必须是掠入射（补充说明：指X射线以很小的角度入射到一个平面，一般指1度以下）。如果X射线反射镜表面存在高度误差，将不可避免的破坏波前并降低聚焦性能。

因此，X射线反射镜对高度误差要求极其严格。对于最苛刻的X射线应用（如极端能量分辨率或纳米聚焦）所需的高度误差通常低于1纳米。因此X射线反射镜的制造和检测计量都存在巨大的挑战。

鉴于此，英国钻石光源的研究人员提出了一种激光散斑角测量（SAM）技术，该技术基于散斑成像的新型纳米计量技术，结合先进的跟踪算法，X射线镜的制造误差的测量精度可达20纳弧度（均方根），此前的技术获得的极限是50纳弧度（均方根），在精度上获得极大的提升可以为下一代X射线反射镜的开发发展了新的可能性。

该成果以“Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement”为题发表在 Light: Science & Applications。

研究人员使用了一种众所周知的技术——散斑成像（名词解释>）。

基于散斑的计量仪器 SAM 是一种紧凑、低成本的仪器，容易与大多数其他现有的X射线镜计量仪器集成。重要的是，它允许以纳米级精度对二维强曲面镜进行准确测量，这是大多数现有计量仪器所缺乏的一项功能，并且该技术弥补了X射线在其能力方面所面临的差距。

图2：散斑角测量装置的整体示意图

“如果你不能测量它，你就不能改进它”这句话在超抛光X射线反射镜的制造和表征中尤其正确。

图3：Hongchang Wang（左）指导博士生Simone Moriconi(右)进行SAM装置调试

随着现有X射线镜测试技术的改进，整个计量学界都取得了重大进展，而研究人员提出的这项技术方案可以为X射线镜制造商和用户提供更高的检测质量。

应用SAM技术的X射线反射镜将广泛应用于同步辐射加速器、X射线自由电子激光器和天文X射线望远镜等大型国家物理设施。同时，该技术不仅限于同步加速器X射线反射镜，还可以应用于其他领域的自由曲面光学和高质量反射镜，例如极紫外光刻和激光点火。后续，研究人员计划进一步提升设备的稳定性、坚固性、以及数据采集和处理能力。

论文信息：

Wang, H., Moriconi, S. & Sawhney, K. Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement. Light Sci Appl 10, 195 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00632-4

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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