Sleutelen aan multilagen voor röntgenoptiek; Een spiegel met laagjes

Röntgenstraling laat zich door zijn korte golflengte niet zoals gewoon licht door spiegels weerkaatsen. Reflectie treedt alleen op wanneer de hoek van inval kleiner is dan 2ß8, dus bij scherende inval. Bij grotere hoeken wordt minder dan 1 procent van de röntgenstraling gereflecteerd: de rest wordt door de spiegel geabsorbeerd of gaat er (deels) dwars doorheen. Van die eigenschap van röntgenstraling wordt dankbaar gebruik gemaakt in bijvoorbeeld de geneeskunde en de techniek, maar hij maakt de constructie van goede spiegels en lenzen voor röntgenoptiek een stuk ingewikkelder.

Een andere, recente oplossing voor het probleem van de slechte reflectie is het gebruik van multilaag-spiegels, bestaande uit een 'stapeling' van meerdere laagjes van afwisselend zwaar en licht materiaal. Het eerste weerkaatst een beetje straling en het tweede laat de rest door naar het volgende laagje. Alle reflecties tezamen leveren zo een redelijk reflectievermogen: ongeveer 10 procent. De laagjes moeten echter een zodanige dikte hebben, dat de golven die door opeenvolgende oppervlakken worden gereflecteerd telkens één golflengte in fase verschillen: alleen dan zullen ze elkaar versterken.

Rutger Schlatmann, van de faculteit natuur- en sterrenkunde van de Vrije Universiteit Amsterdam, promoveerde vandaag op onderzoek naar het beheersen van de eigenschappen van de oppervlakken van zulke laagjes. Door de zeer kleine golflengte van röntgenstraling (een honderdste van die van zichtbaar licht), worden aan die oppervlakken extreme eisen gesteld. De belangrijkste betreft de ruwheid. Die heeft tot gevolg dat een gedeelte van de straling wordt verstrooid, waardoor de gerichte reflectie afneemt.

'Het verkleinen van deze ruwheid is nog steeds het belangrijkste onderwerp in de meeste artikelen die op dit gebied worden gepubliceerd', aldus Schlatmann. 'Het onderwerp is, in meerdere of mindere mate, van belang voor alle toepassingen van dunne films, zoals bij de fabricage van magneetband, optische coatings en geïntegreerde schakelingen. Met het voortschrijden van de miniaturisering zal het belang van de beheersing van deze ruwheid alleen nog maar toenemen'.

Gewoonlijk wordt een multilaag gemaakt door op een supergladde ondergrond (substraat) afwisselend een laagje van het ene en van het andere materiaal op te dampen. Zonder verdere behandeling zijn de oppervlakken van deze laagjes echter vrij ruw. Gladdere oppervlakken ontstaan door het opdampen van een iets te dikke laag en die vervolgens met behulp van een ionenkanon tot de juiste dikte te 'polijsten'.

Schlatmann heeft een wiskundig model ontwikkeld waarmee kan worden nagegaan hoe het oppervlak van een laagje er op elk moment van zijn groei uitziet. Dit model wordt gebruikt bij het - met de genoemde 'polijsttechniek' - verbeteren van de gladheid van de afzonderlijke laagjes tijdens het opdampen van een multilaag. De voortgang van dit proces wordt gevolgd met behulp van diffuus verstrooide röntgenstraling.

Een multilaag fungeert niet alleen als reflector, maar ook als filter. Dit komt doordat de maximale reflectie - dus de maximale samenwerking van de reflecterende laagjes - alleen optreedt bij een bepaalde combinatie van golflengte en invalshoek. Bij één invalshoek wordt alleen röntgenstraling van één golflengte maximaal gereflecteerd. Bij sommige toepassingen is dit filterend vermogen belangrijker dan het reflecterend vermogen. Schlatmann heeft methoden ontwikkeld om deze golflengte-selectiviteit te vergroten en te verkleinen, ofwel om de bandbreedte van zo'n röntgenfilter te veranderen.

Het vergroten van de bandbreedte is mogelijk door de dikte van de lagen te variëren. Dan werken niet alle gereflecteerde golven meer samen, maar doven omgekeerd andere golven elkaar ook niet meer volledig uit. Zo'n geringere selectiviteit kan wenselijk zijn wanneer er zoveel mogelijk straling moet worden gereflecteerd en het niet uitmaakt welke golflengte die straling heeft. Het exact berekenen van de hiertoe vereiste laagdikten blijkt in de praktijk echter niet mogelijk.

Als noodgreep liet Schlatmann de computer eindeloos veel combinaties van laagdikten uitproberen, waarbij zo nu en dan een verbetering werd gevonden. 'Door steeds met elke verbetering verder te rekenen, kan toch een oplossing worden gevonden', aldus de onderzoeker. 'Voor mijn onderzoek was het relevant dat we één zo'n wanordelijke multilaag ook echt hebben gemaakt, zij het met de nodig moeite. Bij meting leverde deze multilaag de voorspelde reflectieband op'.

Het vergroten van de selectiviteit van een röntgenfilter is mogelijk door het opdampen van laagjes van afwisselend licht materiaal en een combinatie van licht en zwaar materiaal. Het contrast tussen de wel en niet reflecterende laagjes wordt dan kleiner, waardoor er méér reflectie-oppervlakken ontstaan en de selectiviteit toeneemt. Als röntgenfilter werkt deze multilaag dan beter. De hiertoe door Schlatmann ontwikkelde produktiemethode is inmiddels door Philips gepatenteerd.

Schlatmann verrichtte zijn onderzoek op het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam. Op een zusterinstituut, dat voor Plasmafysica in Nieuwegein, worden nu multilaag-spiegels gemaakt voor metingen aan de röntgenstraling van bepaalde elementen in verre sterrenstelsels. Deze spiegels zijn bestemd voor een Deense röntgentelescoop, die onderdeel wordt van een Russische satelliet (XSPECT-GAMMA) die begin 1997 moet worden gelanceerd.

De spiegels bestaan uit 158 laagjes van afwisselend kobalt en koolstof. Zij zijn aangebracht op een natuurlijk kristal, dat zelf ook röntgenstraling weerkaatst, zodat gelijktijdig twee golflengten worden gereflecteerd. De duo-reflectoren worden gemonteerd op één paneel, dat onder een hoek vóór de röntgentelescoop komt te staan. Wordt de stand van dit paneel veranderd, dan wordt straling van een iets andere golflengte gereflecteerd. Zo kan straks het golflengtegebied van 4,4 tot 7,1 nanometer worden afgetast. Volgens het FOM is het voor het eerst dat deze techniek zo wordt toegepast.

    • George Beekman