Устройство для монохроматизации синхротронного излучения

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНОХРОМАТИЗАЦИИ СИНХРОТРОННОГр ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее источник света, фокусирующие зеркала, неподвижные входную и выходную оптические щели, сменные дифракционные решетки и механизм сканирования спектра путем вращения решеток вокруг оси, проходящей через вершины решеток, отличающееся тем, что, с целью расширения спектральной области работы устройства с заданным пределом разрешения во всем спектральном диапазоне,эффективного подавления высоких порядков , спектра, повьппения информативности измерений, между входной и выходной щелями установлена йо крайней мере одна дополнительная неподвижная оптическая щель и по крайней мере одна Дополнительная сменная дифракционная решетка под углом к основным сменным дифракционным решеткам,причем вершины всех решеток в рабочем состоянии совмещены с общей осью йращения и расположены на одинаковом расстоянии от выходнойщели, а угол между нормалями к основным сменным дифракционным решеткам и к любой дополнительной решетке в два раза меньше чем угол, образованный прямыми , проходящими через центр входной щели, ось вращения решеток и центр соответствующей дополнитеш ной щели. .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (1!) (51)i) G 01 J 3 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

110

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2I) 3613903/18-25 (22) 18.07.83 (46) 15.!2.86. Вюл. У 46 (71) Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им.: А.А.Жданова (72) В.К.Адамчук, С.И.Федосеенко, В.М.Апександров, В.Д.Хомченко, И.В.Пейсахсон.и А.В.Савушкин (53) 535.853(088.8) (56) Синхронное излучение. Свойства и применение. - В сб. статей под ред, К.Кунца. М.: Мир, 1981, с. 136. Depautex D. et.а1. Nuc1. Instr.

and Meth., 152, (1978) 101. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНОХРОМАТНЗАЦИЙ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее источник света, фокусирующие зеркала, неподвижные входную и вы- . ходную оптические щели, сменные дифракционные решетки и механизм ска нирования спектра путем вращения решеток вокруг оси, проходящей .через вершины решеток, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения спектральной области работы устрой" ства с заданньм пределом разрешения во всем спектральном диапазоне,эффективного подавления высоких поря)(ков.спектра, повышения информативности измерений, между входной и выходной щелями установлена по крайней мере одна дополнительная неподвижная оптическая щель и по крайней мере одна дополнительная сменная дифракционная решетка под углом к основным сменным дифракционным решеткам,причем вершины всех решеток в рабочем состоянии совмещены с общей осью вращения и расположены на одинаковом - g, расстоянии от выходной щели, а угол между нормапями к основным сменным дифракционным решеткам и к любой дополнительной решетке в два раза меньше чем угол, образованный пря- Я мыми, проходящими через центр входной щели, ось вращения решеток и центр соответствукицей дополнительной щели. г тральные измерения в очень широкой области спектра. По этим причинам современные устройства для,монохрома" тизации СИ должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать максимальное разрешение и светосилу; диапазон длин волн должен быть мак" симальный направление прямой, соединяющей центры входной щели и решетки, должно оставаться неизменным, положение входной щели должно оставаться неизменным; направление прямой, соединяющей центры выходной щели и решетки, должны оставаться неизменным независимо от длины волны, положение выходной щели должно оставаться неизменным работа (действие). оптической схемы должна обеспечиваться наиболее простым механизмом, число движущихся и регулируемых частей должно быть минимальным. Большинство известных оптических монтировок не

1 удовлетворяет требованиям и с трудом может быть адаптируемо к сверхвакуумным условиям работы с высокой степенью надежности, Наиболее близким по технической сущности является устройство для монохроматизации СИ, включающее источник света, фокуеирующие зеркала, входную и выходную оптические неподвижные щели, сменные дифракционные, решетки и механизм сканирования спектра путем вращения решетки вокруг оси, проходящей через ее вершину. В этом устройстве не осуществляется точная фокусировка лучей во всем рабочем диапазоне длин волн в лучшем

I случае стигматическое изображение источника может быть получено лишь для трех длин вогя . При больших углах падения и дифракции астигматизм .вогнутой дифракционной решетки частично компенсируется асферической (тороидальной или эллиптической) формой заготовки. Дефокусировка минимизируется оптимальной длиной входного и выходного плеч для задарпого интервала. длин волн, Коррекция аберраций более высокого порядка обеспечивается за, счет использования криволинейных штрихов с изменяющимся шагом нарезки.

Недостатками известного устройства являются: резкое ухудшение разрешаемого интервала длин волн bb (или разрешающей способности R=A/8p ) вне интервала длин волн, для которого проведена оптимизация параметров схе1108857

Изобретение относится к области оптического аналитического приборостроения, в частности к созданию монохроматоров для вакуумной ультрафиолетовой области спектра, в том числе, когда в качестве источника света используется излучение релятивистских электронов в магнитном поле (в синхротроне или накопительном кольце), получившее название синх- 10 ронное излучение (СИ). Преимущественная область использования изобретения — это фундаментальные и прикладные исследования по физике, хи,мии, биологии, основанные на излучении взаимодействия электромагнитного излучения с газовой фазой, с твердыми телами и биологическими материалами, в частности атомная и молекулярная спектроскопия высоковоз- 20 бужденных состояний, включая оптическую и фотоэлектронную спектроскопию, изучение энергетической зонной струк- туры поверхностей и твердых тел методом фотоэлектронной спектроскопии

25 с угловым разрешением и т.п.

Известны устройства монохроматизации СИ, состоящие из входных фоку сирующих зеркал, расположенных между источником СИ и монохроматором,содержащим входную оптическую щель, диспергирующий элемент (дифракционную решетку) и выходную оптическую щель выходных фокусирующих зеркал, расположенных эа выходной щелью моно- 35 хроматора.

Известные устройства для монохроматизации СИ имеют ограниченный рабочий интервал длин волн, в котором возможно проведение эксперимента. 40

Поскольку информация об исследуемом объекте, полученная в различных спектральных интервалах, носит качественно новый характер, то ограничение рабочего интервала длин волн при- 45 водит к ограничению информации об объекте исследования. А переход от. одной области спектра (одного устройства для монохроматиэации) к другой (другому устройству для монохромати- 50 зации) занимает значительное время, что резко снижает производительность и точность измерений, и в некоторых случаях приводит к изменению свойств исследуемого объекта. 55

В то же время преимушества и специфические свойства современных специализированных источников СИ дают уникальную возможность проводить спек3 1108857 4 мы, что приводит к сужению спектраль- монохроматизации СИ ной области работы устройства с за- плоскости, на фиг. данным пределом разрешения, и не ризонтальной плоско обеспечивается подавление высоких по- одной дополнительно рядков спектра, вклад которых соста- ческой щели, вляет 507. при переходе в длинновол- Устройство содер новую область рабочего интервала, . (синхротрон или нак

Высокое содержание высших гармоник цо), фокусирующее з спектра приводит практически к поте- ложенное в канале в ре информации об исследуемом объекте,<0 фокусирующие зеркал поскольку выделение их вклада не всег- которых совпадают с да возможно и однозначно можно сде- входное фокусирующе лать. При прочих равных условиях . подвижную входную о уменьшение предела 1 разрешения 3,! дополнительную непо возможно только за счет уменьшения 1 щель 8, сменные диф рабочего интервала длин волн устрой- ки 9, дополнительны ства. При практически требуемом в 10, общую ось 11 вр. настоящее время рабочем пределе раэ- неподвижную выходи решения gg оказывается, что извест- 12, выходное фокуси ное устройство не может обеспечить 20 которое фокусирует монохроматизацию излучения в широкой хроматическое излуч области спектра (от рентгеновской до мый объект 14. Все видимой) с заданным значением 8,! . менты, входящие в с

Целью изобретения являются расши- расположены в сверх рение спектральной области работы 25 объеме. Зеркала 3 и устройства с заданным разрешаемым мещаются вдоль оси интервалом длин волн во всем спек- ной к плоскости рис тральном диапазоне, эффективное Ilo вакуума либо распол давление высоких порядков спектра, рядом друг с другом повышение информативности измерений, шины совпадают с ос

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для монохроматизации СИ, содержащем источник света, фокусирующие зеркала, неподвижные входную и выходную оптические щели, сменные дифракционные решетки и механизм сканирования спектра путем вращения решеток вокруг оси, проходящей через вершину решеток, между входной и выходной щелями установлена по крайней мере одна дополнительная неподвижная оптическая щель и по крайней мере одна дополнительная сменная дифракционная решетка под углом к сменным дифракционным решеткам, причем вершины всех реше ток при их смене совмещены с общей осью вращения и расположены на одинаковом расстоянии от выходной щели,а угол между нормалями к сменным дифракционным решеткам и к любой дополнительной решетке в два раза меньше, чем угол, образованный прямыми,проходящими через центр входной щели. ось вращения решеток и центр соответствующей дополнительной щели.

На фиг, 1 изображена функциональная оптическая схема устройства для в вертикальной

2 — то же, в гости при наличии и входной оптижит источник СИ 1 опительное кольеркало 2, распоывода СИ, входные а 3 и 4, вершины общей осью. 5, е зеркало б,нептическую шель 7, движную входную ракционные решете сменные решетки ащения решеток, yro оптическую щель рующее зеркало 3, выходящее моноение на исследуеоптические эле-. остав устройства, высоковакуумном 4 линейно пере5 (перпендикулярунка)без нарушения, ожены неподвижно так, что их верью 5, но плоскость отражения зеркала 4 в этом случае не совпадает с плоскостью дисперсии системы и составляет с ней некоторый угол. Решетки также выполнены сменными без нарушения вакуума в системе.

Их смена и установка в рабочее положение осуществляется либо путем линейного перемещения вдоль оси 11 (перпендикулярной к плоскости рисунка), либо путем вращательного движения вокруг оси, параллельной оси 11, но не совпадающей с ней.Причем при смене дифракционных решеток их вершины расположены на одинаковом расстоянии от центра щели 12 и проходят через ось вращения 11. Совмещение вершин решеток и наличие одной щбщей выходной щели позволяет зафиксировать направление дифрагированных лучей от различных дифракционных решеток.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника СИ (.синхротрона или накопительного .кольца) I направляется фокусирующим зеркалом

2 на одно из входных фокусирующих зеркал 3 или 4 устройства в зависимости от того, какое из них пересе35

S Г1 088 кает пучок СИ. В том случае, когда в пучок СИ введено зеркало 3, дающее, уменьшенное иэображение источника

СИ на входной щели 7, в рабочее положение устанавливается решетка 9, которая разлагает входящее излучение в спектр и одновременно фокусирует дифрагированный (монохроматический) пучок, распространяющийся в направлении выходной щели, на вы" 1б ходной щели 1 2. Когда в пучок СИ введено зеркало 4, излучение направляется на фокусирующее зеркало 6, дающее уменьшенное изображение ис- точника СИ на дополнительной входной 15 щели 8, в рабочее положение устанавливается дополнительная решетка 10, которая разлагает входящее излучение в спектр .и одновременно фокусирует дифрагированный (монохроматический) 2р пучок, распространяющийся в направлении выходйой щели, на выходной щели 12. Сканирование спектра осуществляется путем вращения рабочей решетки (9 или 10) вокруг оси 11. В 25 обоих случаях выходящий из щели 12 расходящийся монохроматический пучок света фокусируется зеркалом 13 на исследуемом образце 14. Для обеспечения сканирования спектра одним общим механизмом необходимо, что выведение в выходную щель нулевого порядка спектра от различных дифракционных решеток осуществляется при одном и том же положении механизма сканирования. Чтобы выполнить это условие, дополнительные сменные дифракционные решетки установлены под углом по отношению к сменным дифракционным решеткам так, что yrол между нормалями к решеткам в два раза меньше, чем угол, образованный центрами входной щели, осью вращения и центром соответствующей дополнительной щели. В данном устройстве высокоэнергетический (коротковолновый) предел работы определяется углом отклонения между падающим и дифрагированным .лучами, который должен быть тем больше, чем меньше коротковолновая. граница рабочего интервала, и углом падения излучения на зеркала 2, 3 иэ-эа существования критического угла падения для полного внешнего отражения. При заданном угле отклонения рабочий интервал длин волн, в котором разрешаемый интервал длин волн не хуже заданной величины SA, определяется в основном расстояниями

57 Ь (плечами) ат вершины решеток до входных и выходной щели. Отсюда следует, что количество дополнительных входных щелей определяется целиком наиболее коротковолновой и наибольшей длинноволновой границами спектра:,. которые необходимо монохроматизировать, и заданным (требуемым) пределом разрешения 3> . Величины расстояний от вершин решеток до входных и выходной щелей, углы отклонения,параметры решеток определяются из условий минимума дефокусировки, требуемой разрешающей способности и минимума аберраций в заданном спектральном интервале путем самосогласованного расчета аппаратных функций устройства, Успешная реализация устройства обеспечивается применением асферических механически нарезанных решеток с переменным шагом и криволинейной формой штриха или голографических с целью минимизации аберраций. С целью уменьшения вклада более высоких порядков спектра в выходящее из устройства монохроматическое излучение скользящие углы. падения излучения СИ на зеркала 4, 6 выбираются такими, чтобы критический угол падения излучения на зеркала приближенно соответствовал полному внешнему отражению излучения с длиной волны, равной короктоволновой границе рабочей области спектра для дополнительных решеток,10. Дополнительная фильтрация излучения осуще" ствляется при использовании нарезных решеток из-за изменения. эффективности решетки с длиной волны излучения за счет изменения углов блеска решеток и выбора соответствующего материала покрытия.

Описанное устройство по сравнению с известным позволяет проводить физические измерения в более широкой области спектра, при заданном пределе разрешения и большей чистоте (от вклада высших гармоник спектра) монохроматического излучения, с фиксированной точки (площади) поверхности исследуемого образца, За счет этих преимуществ достигается соответственно качественно, новая (за счет расширения области спектра) и более определенная и детальная информация (за счет уменьшения вклада высших гармоник и сохранения hh во всем интервале длин волн),.т.е. повышается информативность измерений., Ф>» ф)

/ 1

/ б

Редактор, С.Титова . Техред Л.Олейник

Корректор И.Шароши

Заказ 6973/2 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.

113035, .Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое: предприятие, r. .Ужгород ул, Проектная,4

7 11

Устройство позволяет использовать только один канал вывода СИ при проведении исследований в такой же области спектра. При этом в результа-. те:фиксированного направления выходящего монохроматического излучения положение изображения источника CH на объекте исследования остается неизменным и не зависит от длины вол-. ны в широкой области спектра, что позволяет получать информацию с заданной точки на образце с хорошей воспроизводимостью, точностью и минимальным временем перехода от одной области спектра к другой. Этообеспечивает повышение производительности и информативности исследований. Кроме. этого, .решетки имеют . один общий простой механизм их вращения при сканировании спектра с од08857 8 ной общей выходной щелью, что упрощает конструкцию, делают ее менее металлаемкой, сокращает количество оптических элементов, средств откач- ки и электроники, уменьшает стоимостьь, По отношению к базовому объекту, наряду с повышением информативности измерений, упрощением и удешевле1ð нием конструкции, экономическая эффективность достигается за счет воэ" можности использования одного канала вывода синхротронного излучения вместо двух при !применения предлагаемого устройства для монохроматизации. Это позволяет экономить на

5 оборудовании каждого канала, призванного обеспечивать проведение экспериментов в указанной области спектра, примерно от 300 до 500 тыс.pyб.