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研究生： 劉玉茹
Yu-Ju Liu
論文名稱： 微米X光共振腔之晶格常數變化研究
Study on the lattice-parameter variation of X-ray resonators
指導教授： 張石麟
Shin-Lin Chang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 56
中文關鍵詞： X光共振腔 、晶格常數變化
外文關鍵詞： x-ray resonator
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    • 本論文主要研究分成兩部份，第一部分為微米X光共振腔的晶格常數變化研究。X光共振腔的兩片矽晶體平板(crystal plates)，經過蝕刻過程，其晶格常數可能已與原先完美矽晶片時有所差異。利用高解析度單光器(High-Resolution Monochromator)以及X光在矽晶體中產生多光繞射的概念，以正向入射(布拉格角接近90度)的方法，使其中的(12 4 0)背向反射光在共振腔中來回反射，達到共振干涉的現象，進而得知共振腔的矽晶體平板之晶格常數

    另一部份為同調性的複合式X光折射透鏡(Compound Refractive Lens , CRL)研究。設計能匯聚高能量X光的折射透鏡且融入多片的X光共振腔理念，預期能得到水平方向被壓縮的光；又此CRL的設計，考慮了24光繞射的情況，因此本論文將理論計算入射光在行經CRL的過程中，光點被壓縮的情況，以了解其物理機制。

    This thesis work is divided into two parts :

    The first part is a study on the lattice-parameter variation of the crystals used for X-ray resonators. An X-ray resonator that was prepared from a four-inch Si (001) crystal wafer by using the microelectronic lithography is composed of two crystal plates as reflecting mirrors. Multiple reflections take place within the crystal gap and generate forward-transmitted and back-reflected beams. The coherent interaction among the transmitted and the reflected beams inside the crystal plates and within the gap leads to cavity resonance. During the crystal etching processes, the lattice-parameter might be different from that of the original perfect crystal. By employing high-resolution backscattering from (12 4 0), we have measured the lattice-parameter variation of the silicon crystals in the range from 0.42 p.p.m. to 2 p.p.m.

    The second part is the study on possible focusing effects in a coherent x-ray compound refractive lenses, CRL. In order to see the possibility of improving x-ray beam conditioners for producing a coherent and extremely parallel x-ray source for advanced high-resolution experiments, the multi-plate crystal cavities consisting of compound refractive lenses are employed. We have also simulated the situation that the incident beam is compressed during the process of passing through the CRL to understand its physics mechanism.

    1 導論 1 2 原理 3 2.1 X光共振腔(X-Ray Fabry-Perót Resonator) . . . . . . 3 2.1.1 X光共振腔的簡介與同調條件 . . . . . . . . 3 2.1.2 能量掃描的共振干涉條紋 . . . . . . . . . . 5 2.2 X光繞射理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1 X光動力繞射理論( Dynamical Theory of X-ray Diffraction ) . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2 複繞射與24光繞射 . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 晶格常數變化 . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4 同調性的複合式X光折射透鏡(Compound Refractive Lens , CRL ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 實驗前的準備與步驟 18 3.1 樣品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1 樣品的製作 . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.2 測量樣品的晶體切面誤差(Miscut) . . . . . . . 20 3.2 八環繞射儀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3 高解析度單光器(High-Resolution Monochromator ,HRM) 25 3.4 SPring-8台灣光束線BL12XU . . . . . . . . . . 28 4 實驗步驟 30 4.1 初步的晶體校準 . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2 初調能量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.3 安裝高解析度單光器 . . . . . . . . . . . . . . 33 4.4 重新校準晶體位置 . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.5 微調能量至精確共振能量14.4388 keV . . . . . . . 34 5 實驗結果與分析 38 5.1 共振腔的晶格常數變化分析 . . . . . . . . . . . 38 5.2 同調性的複合式X光CRL設計 . . . . . . . . . . 43 5.3 測量光點大小的方法 . . . . . . . . . . . . . . 46 5.4 CRL的檢討與分析 . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.4.1 檢驗是否滿足繞射條件 . . . . . . . . . . 48 5.4.2 理論計算穿透光強度 . . . . . . . . . . . . 50 6 結論 53 6.1 晶格常數變化的結論 . . . . . . . . . . . . . . 53 6.2 CRL的結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 圖目錄 2.1 光在X光共振腔的晶體平板內部行進的情形 . . . . . . 4 2.2 穿透光強度與相位關係圖(取自參考文獻[4]) . . . . . . 4 2.3 穿透率T對能量掃描圖形(2-beam case) . . . . . . . . 6 2.4 反射率R對能量掃描圖形(2-beam case) . . . . . . . . 6 2.5 布拉格繞射在實空間與倒晶格空間中的幾何關係 . . . . 10 2.6 三光繞射在實空間與Ewald sphere上的幾何關係 . . . . 11 2.7 (12 4 0)背向反射24光的極座標圖形(polar plot) (取自參考 文獻[10]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.8 CRL 的立體示意圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1 樣品上的共振腔與CRL . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2 共振腔的幾何圖形與方向 . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3 CRL的幾何圖形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.4 實驗樣品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.5 蝕刻示意圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6 晶體切面誤差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.7 八環繞射儀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.8 八環繞射儀的轉軸分布 . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.9 高解析度單光器的結構圖(取自參考文獻[17]) . . . . . . 25 3.10 DuMond diagram(取自參考文獻[17]) . . . . . . . . . . 26 3.11 高解析度單光器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.12 同步輻射光的波長範圍(取自參考文獻[19]) . . . . . . . 28 3.13 實驗站的流程圖(取自參考文獻[5,6]) . . . . . . . . . . 29 4.1 複繞射峰定碼時的ψ掃描 . . . . . . . . . . . . . 31 4.2 螢光板上的影像(取自參考文獻[20]) . . . . . . . . . . 32 4.3 確認光打在適當位置的ψz掃描 . . . . . . . . . . . 34 4.4 能量未達精確能量的ψ掃描 . . . . . . . . . . . . 35 4.5 能量略高於精確共振能量E0 . . . . . . . . . . . . . . 35 4.6 能量略低於精確共振能量E0 . . . . . . . . . . . . . . 36 4.7 能量恰為精確共振能量E0 . . . . . . . . . . . . . . . 36 5.1 確認共振腔高度的ψz掃描 . . . . . . . . . . . . . 38 5.2 各ψz值對應的光位置 . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.3 各ψz值的能量掃描必較 . . . . . . . . . . . . . . 40 5.4 晶格常數變化與共振腔高度的關係 . . . . . . . . . . 41 5.5 繞射儀後方82 cm處的β掃描 . . . . . . . . . . . . 46 5.6 繞射儀後方82 cm處的2θ掃描 . . . . . . . . . . . 46 5.7 繞射儀後方82 cm處的2θ掃描一次微分與fitting結果 47 5.8 入射光的強度分佈 . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.9 考慮吸收之穿透光強度分佈 . . . . . . . . . . . . . 51 5.10 入射光在CRL的路徑示意圖 . . . . . . . . . . . . 52 5.11 考慮繞射之穿透光強度分佈 . . . . . . . . . . . . . 52 表格目錄 1 各ψz值對應的共振腔高度 . . . . . . . . . . . . . . 38 2 各ψz值對應的精確共振能量 . . . . . . . . . . . . . 41 3 CRL的理論計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4 直射光的水平與鉛直光點大小 . . . . . . . . . . . . 47 5 入射光偏折角度與達爾文寬度(Darwin width)的比較 . . . 48

    參考文獻

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