X射线多束衍射莫尔图案的研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Study of X-ray Multibeam Diffraction Moiré Patterns

　　X射线干涉机制与多束莫尔图案形成规律研究。摘要：实验探究四晶和五晶干涉仪中多束X射线形成的莫尔图案机制，研究三束波干涉对图案对比度的影响及莫尔图案叠加效应，揭示晶体相对旋转与波前历史对干涉图样的影响规律。

　　

Hrayr Margaryan|Armine Mnatsakanyan|Inga Babaya|Robert Mirzoyan|Henrik Drmeyan

亚美尼亚共和国国家科学院应用物理问题研究所，Hr. Nersessian街25号，埃里温，0014

摘要

本研究通过实验探讨了X射线多束衍射莫尔条纹的形成机制。我们制造并测试了一种特殊的四晶体干涉仪，并利用该干涉仪获得了莫尔条纹图案。实验结果展示了莫尔条纹形成与参与产生的波的数量及其先前状态之间的关系。本研究特别关注了涉及三个波的X射线衍射莫尔条纹现象（而非传统三晶体（双束）干涉仪中的两个波）。同时，还研究了一种特殊情况：两个波发生干涉，但只有其中一个波形成了莫尔条纹。为了研究含有莫尔条纹的波之间的叠加效应，我们制造了一种特殊的五晶体干涉仪。实验表明，由含有莫尔条纹的波叠加而成的新莫尔条纹在周期和可见性上与原始条纹有所不同。当这些波通过第五个晶体时，由于衍射作用，会出现莫尔条纹的叠加现象。研究发现，在三个波共同作用的情况下，莫尔条纹的对比度会显著降低，在某些情况下，波的错位可以相互抵消。

引言

利用X射线干涉技术来确定晶体晶格参数和基本物理常数，以及研究单晶中的结构缺陷，是X射线研究领域中广泛采用的方法之一1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13。已知有多种X射线干涉方法可用于研究晶体缺陷14, 15, 16，这些缺陷通常通过干涉仪中至少有一个晶体的原子平面取向或层间距离的相对差异所产生的莫尔条纹来检测。

X射线干涉仪还能够用于研究外部因素对干涉波穿过晶体部分所引起的结构缺陷17, 18, 19, 20。已经开发出了多种干涉仪配置21, 22, 23，并从中获得了不同的干涉图案并进行了解析。基于X射线干涉的动力学理论，人们已经理论上确定了X射线干涉图案的强度分布。

然而，实验获得的干涉图案的解释并不总是直观或严谨的。实际上，由于影响强度分布的因素众多，且这些因素的综合作用往往难以准确把握（即使单个因素的作用已知），因此不同干涉图案的解释变得复杂。结果，并非所有干涉图案都能被正确解释，有时某个因素的影响会被误归因于另一个因素。

本研究探讨了所有干涉波的数量和性质对干涉图案的影响。之前的研究仅限于入射到分析晶体表面的重叠波数量不超过两个的情况25, 26, 27。

显然，增加重叠波的数量能够丰富干涉图案的信息含量。在这方面，多晶体（四晶体和五晶体）干涉仪对结构扰动更为敏感，因为这类干涉仪产生的干涉图案是由多个沿不同路径传播的波叠加而成的。因此，这些干涉仪得到的干涉图案信息更为丰富，但同时也更难以明确解释。因此，研究干涉波的数量及其与波的先前状态之间的关系至关重要，这有助于准确解析X射线干涉图案（确定变形区域的位置）。本研究的主要目标正是利用四晶体干涉仪来研究由两个或三个波叠加而成的莫尔条纹图案。

实验研究

作为干涉波数量和性质函数的莫尔条纹研究

为了研究莫尔条纹形成与参与产生这些条纹的波的数量和状态之间的关系，我们构建了一个四块结构的干涉仪（图1a），该干涉仪由无位错的硅单晶制成，各块之间的间距相同，均为z = 0.55毫米。在获取干涉图案时，使用了CuKα₁射线（X射线能量范围为10 keV至15 keV）。

结论

根据实验结果，可以得出以下结论：1.

通过比较8?D_2a、8?D_3a、9?D_2a和9?D_3a与1?D_2a、1?D_3a图案，可以看出图像上部的旋转莫尔条纹是由干涉仪中第二个晶体的反射平面相对旋转引起的。

通过比较第三个晶体后的图像（图10b）与第四个晶体后的图像（图10c），可以发现所有莫尔条纹

作者贡献声明

Hrayr Margaryan：资源调配、实验研究、资金申请、数据分析。Inga Babayan：数据验证、实验研究、数据分析。Armine Mnatsakanyan：资源调配、实验研究、数据分析。Henrik Drmeyan：论文撰写与审稿、方法设计、实验研究、数据管理、概念构思。Robert Mirzoyan：项目监督、实验研究、数据分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。