СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО И ВУФ ДИАПАЗОНА Российский патент 2016 года по МПК G01J3/18 G01T1/36 H01J31/50 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к компактным спектрометрам со средним спектральным разрешением λ/δλ~200-500, предназначенным для измерения, в том числе, с высоким временным разрешением спектра излучения вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) или мягкого рентгеновского (MP) излучения в диапазоне длин волн 1-100 нм.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Спектроскопия MP и ВУФ диапазона является одним из наиболее эффективных методов диагностики плазмы, применяемым в исследованиях горячей термоядерной плазмы, активной среды рентгеновских лазеров, астрофизической плазмы. Спектроскопия в ВУФ диапазоне актуальна в связи с разработкой литографических источников излучения на основе высокотемпературной плазмы для крупномасштабного производства интегральных схем нового поколения по технологическим нормам 22 нм и менее.

Из [1] известен предназначенный для регистрации спектров ВУФ и MP излучения спектрограф с входной щелью, фильтром из фольги для подавления видимого и ИК излучения, решеткой на пропускание и оптическим детектором на основе цифровой ПЗС камеры с задней подсветкой. Спектрометр характеризуется компактностью, высокими светосилой и спектральным разрешением. Однако чувствительность ПЗС камеры недостаточно высока, что требует охлаждения ПЗС матрицы для подавления тепловых шумов, удорожая устройство и усложняя его эксплуатацию.

Частично этих недостатков лишен известный из [2] спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащий входную щель, дифракционную решетку на пропускание, детектор с микроканальной пластиной (МКП) и люминесцентным экраном и регистратор изображения. Регистратор изображения представляет собой ПЗС камеру, регистрирующую спектральное изображение на люминесцентном экране МКП детектора. Устройство характеризуется компактностью, высокой чувствительностью и высоким спектральным разрешением. Однако решетка на пропускание дорога, кроме этого она подвержена осаждению загрязнений, что со временем может ухудшать структуру решетки и качество регистрируемого спектрального изображения, снижая надежность прибора.

Последнего недостатка лишены спектрометры для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, в которых применяются относительно дешевые стеклянные вогнутые решетки без металлических покрытий со скользящим падением луча. Угол падения φ обычно составляет 80-89°. Сферические решетки более просты по сравнению с тороидальными, позволяющими повысить светосилу и улучшить пространственное разрешение. Из [3] известен компактный спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, выполненный по схеме с "вне Роуландовской" регистрацией спектра, содержащий входную щель, вогнутую дифракционную решетку скользящего падения и регистратор изображения с МКП детектором, включающим в себя микроканальную пластину (МКП), на входной стороне которой формируется спектр излучения, отраженного от вогнутой дифракционной решетки. Регистрация спектра в плоскости, перпендикулярной дифрагированным лучам, позволяет использовать плоскую сборку МКП с люминесцентным экраном и регистратором изображения.

Однако при вне Роуландовской геометрии идеальная фокусировка дифрагированного излучения имеет место только в одной точке - точке пересечения плоскости регистрации с кругом Роуланда, а с удалением от этой точки происходит падение спектральной разрешающей силы из-за дефокусировки. Кроме этого применение плоских МКП детекторов в спектрометрах с вне Роуландовской схемой имеет и другие недостатки. Дело в том, что в спектрометрах требуется согласование пространственного разрешения детектора с аппаратной функцией прибора. Пространственное разрешение сборки МКП с люминесцентным экраном составляет величину порядка 50 мкм. Аппаратная же функция спектрометров скользящего падения с вне Роуландовской геометрией при оптимальном разрешении составляет величину порядка ширины входной щели s~10 мкм. Применение МКП детектора с разрешением ~50 мкм приводит приблизительно к пятикратному ухудшению полного спектрального разрешения по сравнению с аппаратной функцией (разрешение ~10 мкм) и по сравнению с регистрацией ПЗС-матрицами (разрешение ~10 мкм).

Вариантом улучшения спектрального разрешения может быть известное из [4] расположение плоской поверхности МКП детектора по касательной к окружности Роуланда. Однако при этом ограничена спектральная область регистрации, что потребовало в [4] применения нескольких детекторов, значительно усложнив конструкцию прибора. Эффективность МКП детектора обычно ниже 20%. Это происходит, в частности, потому что часть фотонов, достигающих МКП, попадает на участки МКП между каналами. Квантовая эффективность, которая значительно уменьшается при скользящем падении излучения на МКП, частично улучшена в [4] за счет MgF₂-покрытия входной стороны МКП. Однако облако фотоэлектронов, возникающее над поверхностью МКП, особенно при скользящем освещении МКП, увеличивает фоновый шум, ухудшая качество спектра и спектральное разрешение. Уровень шума значительно возрастает, если включение МКП строб-импульсом, определяющим длительность кадра, производится с временной задержкой после начала воздействия излучение на МКП. В этом случае лавинно размножаются фотоэлектроны, произведенные не только в течение строб-импульса, но и поступающие в МКП из электронного облака, образованного над поверхностью МКП до подачи строб-импульса. Это обусловливает низкое отношение сигнал/шум, препятствуя регистрации спектра с высоким временным разрешением.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу изобретения положена задача создания надежного компактного спектрографа для MP и ВУФ диапазона, имеющего высокую чувствительность, низкий уровень шумов, высокое спектральное разрешение и режим регистрации спектра с высоким временным разрешением.

Выполнение поставленной задачи реализуется с помощью предлагаемого устройства, содержащего входную щель, вогнутую дифракционную решетку скользящего падения и регистратор изображения со стробируемым МКП детектором, включающим в себя: МКП, на входной стороне которой формируется спектр излучения, отраженного от вогнутой дифракционной решетки; внешний электрод, установленный напротив входной стороны МКП, люминесцентный экран, установленный напротив выходной стороны МКП; и импульсный генератор, вырабатывающий стробирующие импульсы электрического напряжения между электродом входной стороны МКП и электродом люминесцентного экрана, а также импульсы напряжения между внешним электродом и электродом входной стороны МКП.

Предпочтительно импульс напряжения между внешним электродом и электродом входной стороны МКП действует, по меньшей мере, с начала воздействия излучения на МКП и до окончания стробирующего импульса.

Предпочтительно электрический потенциал внешнего электрода U_ext отрицателен относительно потенциала электрода входной стороны МКП U_in: U_ext-U_in<0.

Предпочтительно величина напряженности электрического поля, прикладываемого к промежутку величиной D между электродом входной стороны МКП и внешним электродом, (U_in-U_ext)/D примерно равна или более отношения величин энергии работы выхода электронов из МКП W~5 эВ и расстояния между каналами МКП d~10^-5 м:

(U_in-U_ext)/D≥W/d~5 10⁵ В/м.

В вариантах изобретения внешний электрод выполнен либо сплошным, либо сетчатым, либо проволочным.

Предпочтительно регистратор изображения представляет собой ПЗС-камеру, оптически сопряженную с люминесцентным экраном стробируемого МКП детектора посредством оптического узла в виде оптико-волоконной шайбы либо передающего объектива и оснащенную программным обеспечением для обработки регистрируемого спектрального изображения.

В предпочтительных вариантах изобретения спектрометр содержит вакуумируемый корпус, в котором размещены входная щель, вогнутая дифракционная решетка скользящего падения, МКП с внешним электродом и люминесцентный экран.

Предпочтительно входная щель и вогнутая дифракционная решетка расположены на окружности Роуланда.

Предпочтительно входная сторона МКП расположена на окружности Роуланда, при этом МКП выполнена упруго изогнутой вдоль окружности Роуланда.

Предпочтительно, что излучение, отраженное от дифракционной решетки, освещает при скользящем падении входную сторону МКП через промежуток между внешним электродом и МКП.

Предпочтительно, что сторона внешнего электрода, обращенная к входной стороне МКП, расположена в области, оптически не связанной с вогнутой дифракционной решеткой.

В вариантах изобретения МКП выполнена секционированной, состоящей из либо двух, либо более электрически изолированных друг от друга полосковых секций, параллельных направлению спектральной дисперсии, к каждой из которых подключен отдельный вывод импульсного генератора, вырабатывающего стробирующие импульсы на каждой секции МКП с временной задержкой относительно друг друга.

В предпочтительном варианте изобретения спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона содержит вакуумируемый корпус, входную щель, вогнутую дифракционную решетку скользящего падения и регистратор изображения со стробируемым МКП детектором, включающим в себя: МКП, на входной стороне которой при скользящем падении формируется спектр излучения, отраженного от вогнутой дифракционной решетки; внешний электрод, установленный напротив входной стороны МКП, люминесцентный экран, установленный напротив выходной стороны МКП; импульсный генератор, вырабатывающий наряду со стробирующим импульсом импульс напряжения между внешним электродом и электродом входной стороны МКП, действующий, по меньшей мере, от начала воздействия излучения на МКП и до окончания стробирующего импульса, обеспечивающий электрическое поле с напряженностью, большей или примерно равной величине W/d-отношения энергии работы выхода электронов из МКП-W и расстояния между каналами МКП-d, направленное от входной стороны МКП к внешнему электроду; при этом излучение, отраженное от вогнутой дифракционной решетки, освещает при скользящем падении входную сторону МКП через промежуток между внешним электродом и МКП, а входная щель, вогнутая дифракционная решетка и входная сторона МКП расположены на окружности Роуланда, причем МКП выполнена упруго изогнутой вдоль окружности Роуланда.

Техническими результатами изобретения являются повышение чувствительности компактного спектрометра для MP и ВУФ диапазона, снижение уровня шума и расширение динамического диапазона измерений, реализация режимов регистрации спектра с высоким временным разрешением, достижение высокого спектрального разрешения во всем регистрируемом спектральном диапазоне при обеспечении надежности прибора и удобства его эксплуатации.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существуют следующие причинно-следственные связи.

Выполнение спектрометра в предложенном виде расширяет функциональные возможности устройства следующим образом.

Использование относительно дешевой стеклянной вогнутой решетки без металлического покрытия со скользящим падением луча удешевляет устройство в целом.

Применение регистратора изображения в сочетании с МКП детектором позволяет увеличить чувствительность спектрометра на 2-3 порядка по сравнению с регистрацией ПЗС матрицами за счет электронного усиления в микроканальной пластине. Для большего усиления МКП может содержать сборку из нескольких МКП.

Установка напротив входной стороны МКП внешнего электрода с подачей импульсов напряжения между ним и электродом входной стороны МКП кардинально решает проблему шумоподавления в системе МКП детектор-регистратор изображения и позволяет реализовать режим регистрации с высоким временным разрешением. Это достигается за счет обеспечения у входной поверхности МКП достаточно сильного электрического поля, препятствующего образованию над поверхностью МКП электронного облака, обусловливающего повышенный уровень шума при регистрации изображения с помощью стробируемого МКП детектора, освещаемого даже при скользящем падении.

Приложение импульса напряжения между внешним электродом и электродом входной стороны МКП, по меньшей мере, с начала воздействия излучения на МКП и до окончания строб-импульса устраняет над поверхностью МКП накопление фотоэлектронов как до, так и во время строб- импульса. Это обеспечивает возможность получения спектрального изображения высокого качества с высоким отношением сигнал/шум и, соответственно, обеспечивает увеличение спектрального разрешения. Также повышается динамический диапазон спектральных измерений, в том числе, в режиме с высоким временным разрешением.

Приложение к внешнему электроду потенциала U_ext, отрицательного относительно потенциала U_in электрода входной стороны МКП, увеличивает эффективность МКП детектора, поскольку обеспечивается возврат фотоэлектронов, эмитируемых с входной стороной МКП, обратно на вход МКП.

При величине напряженности электрического поля, прикладываемого к промежутку величиной D между электродом входной стороны МКП и внешним электродом, (U_in-U_ext)/D примерно равной или большей отношения величин энергии работы выхода электронов из МКП W~5 эВ и расстояния между каналами МКП d~10^-5 м: (U_in-U_ext)/D≥W/d~5 10⁵ В/м, - фотоэлектроны могут отлететь от входной поверхности МКП только на расстояние, примерно равное расстоянию между каналами МКП. Таким образом, с помощью достаточно сильного внешнего электрического поля у поверхности МКП устраняется искажение спектрального изображения приповерхностными фотоэлектронами, способными при отсутствии поля у поверхности МКП мигрировать на достаточно большое расстояние от места их выхода из МКП.

Выполнение внешнего электрода либо сплошным, либо сетчатым, либо проволочным обеспечивает эффективность приложенного внешнего электрического поля за счет обеспечения его достаточной однородности у входной поверхности МКП. При этом характерный размер или шаг сетчатого или проволочного электрода предпочтительно должен быть менее величины D промежутка между внешним электродом и МКП.

Покрытие входной стороны МКП одним из следующих материалов: CsI, Au, MgF₂ повышает чувствительность МКП детектора.

Хорошо отработанное применение в качестве регистратора изображения высокочувствительной ПЗС-камеры, оптически сопряженной с люминесцентным экраном стробируемого МКП детектора посредством либо оптико-волоконной шайбы, либо передающего объектива обеспечивает высокую чувствительность спектрометра, его надежность и удобство эксплуатации. Оснащение программным обеспечением регистратора изображения позволяет осуществлять процедуры калибровки спектральной чувствительности прибора и на их основе получать реальный спектр с высоким разрешением в ВУФ и MP диапазоне с точной привязкой к шкале длин волн, его отображение на выносном дисплее или экране персонального компьютера (ПК), запись и хранение. Одной из функций программного обеспечения может быть синхронизация спектрометра с источником регистрируемого ВУФ или MP излучения.

Использование вакуумируемого корпуса, в котором размещены входная щель, вогнутая дифракционная решетка скользящего падения, МКП с внешним электродом и люминесцентный экран, обеспечивает работоспособность размещаемых в вакуумируемом корпусе узлов, компактность спектрометра и удобство его эксплуатации.

Выполнение в варианте изобретения МКП, состоящей из либо двух, либо более электрически изолированных друг от друга полосковых секций, параллельных направлению спектральной дисперсии, к каждой из которых подключен отдельный вывод импульсного генератора, вырабатывающего стробирующие импульсы на каждой секции МКП с временной задержкой относительно друг друга, позволяет единовременно в течение одного импульса излучения осуществлять покадровую регистрацию спектра с высоким временным разрешением.

При расположении входной щели, вогнутой дифракционной решетки и входной стороны МКП на окружности Роуланда достигается увеличение спектрального разрешения и значительное улучшение согласования пространственного разрешения МКП и реальной спектральной структуры по сравнению с вне Роуландовской регистрацией. При этом в отличие от детекторов с вне роуландовской регистрацией и детекторов, тангенциально расположенных к окружности Роуланда, высокое спектральное разрешение достигается в более широком диапазоне.

Выполнение МКП упруго изогнутой, в частности, за счет закрепления на цилиндрической раме позволяет наиболее простым способом реализовать предложенное размещение входной стороны МКП вдоль окружности Роуланда.

Освещение входной стороны МКП при скользящем падении позволяет пропускать дифрагированный на решетке пучок излучения между внешним электродом и МКП. Величина D промежутка между внешним электродом и МКП при этом может быть достаточно мала, соответственно, величина прикладываемого внешнего электрического поля, пропорциональная D, может быть не очень велика, составляя несколько единиц киловольт, что является необременительным. Кроме этого реализуется возможность размещения стороны внешнего электрода, обращенной к входной стороне МКП, в области, оптически не связанной с вогнутой дифракционной решеткой. Это устраняет появление на внешнем электроде фотоэлектронов, способных искажать регистрируемое спектральное изображение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схематичное изображение спектрометра, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения,

Фиг. 2 - изображение спектра на люминесцентном экране без подачи напряжения на внешний электрод, U_ext=0,

Фиг. 3 - изображение спектра на люминесцентном экране при подаче в соответствии с настоящим изобретением напряжения U_ext=-3000 В на внешний электрод,

Фиг. 4 - Роуландовская схема регистрации, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, вне Роуландовская схема регистрация и сравнение полученных с их помощью спектров ВУФ излучения.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.

Данные чертежи не охватывает и тем более не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с примером осуществления изобретения, иллюстрируемым Фиг. 1, спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона содержит входную щель 1, вогнутую дифракционную решетку 2 скользящего падения и регистратор изображения 3 со стробируемым МКП детектором, включающим в себя МКП 4, на входной стороне 4а которой формируется спектр дифрагированного пучка излучения 5, отраженного от вогнутой дифракционной решетки 2; внешний электрод 6, установленный напротив входной стороны 4а МКП, люминесцентный экран 7, установленный напротив выходной стороны 4b МКП; и импульсный генератор 8.

Импульсный генератор 8 предназначен для подачи стробирующих импульсов высокого напряжения (U_in-U_g) между электродом входной стороны 4а МКП и электродом люминесцентного экрана 7. При подаче строб-импульса с помощью либо омического делителя (Фиг. 1), либо емкостного делителя между входной стороной 4а и выходной стороной 4b МКП автоматически реализуется импульс напряжения (U_in-U_out) обычно величиной 800-1000 В. Эта разность потенциалов обеспечивает размножение электронов в МКП. Разность потенциалов (U_ext-U_g) между выходной стороной 4b МКП и люминесцентным экраном 7 величиной 4000-5000 В обеспечивает перенос электронов от выходной стороны 4b МКП 4 к люминесцентному экрану 7, на котором формируется усиленное изображение спектра дифрагированного пучка излучения 5 в видимом диапазоне. Электроды входной и выходной сторон МКП обычно напылены или ламинированы по их периметру, а электрод люминесцентного экрана 7 обычно включает в себя металлическое, как правило, алюминиевое покрытие люминофора с достаточно высокой прозрачностью.

Для снижения уровня шума при регистрации спектрального изображения импульсный генератор 8 наряду со строб-импульсом вырабатывает также импульсы напряжения (U_ext-U_in) между внешним электродом 6 и электродом входной стороны 4а МКП 4. К внешнему электроду 6 предпочтительно прикладывают электрический потенциал U_ext, отрицательный относительно электрода входной стороны 4а МКП. При такой полярности потенциала, прикладываемого к внешнему электроду, увеличивается эффективность МКП и дополнительно снижается уровень шума.

Для максимального снижения уровня шума величина напряженности электрического поля (U_ext-U_in)/D, прикладываемого к промежутку D между электродом входной стороны 4а МКП и внешним электродом 6 МКП детектора, не меньше отношения величин энергии работы выхода электронов из МКП W и расстояния между каналами МКП d: (U_in-U_ext)/D≥W/d~5 10⁵ В/м. При этом фотоэлектроны, не попавшие в каналы МКП, возвращаясь под действием внешнего электрического поля к входной поверхности 4а МКП, смещаются на расстояния менее d, что минимизирует искажения, которые может вносить МКП детектор при регистрации спектра.

Для повышения эффективности МКП детектора входная сторона 4а МКП имеет покрытие одним из следующих материалов: CsI, Au, MgF₂.

Для обеспечения однородности внешнего электрического поля у входной поверхности 4а МКП внешний электрод 6 выполнен либо сплошным, либо сетчатым, либо проволочным.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения регистратор изображения 3 представляет собой ПЗС-камеру, оптически сопряженную с люминесцентным экраном 7 стробируемого МКП детектора посредством оптического узла 9, представляющего собой либо оптико-волоконную шайбу, либо передающий объектив, посредством которого изображение на люминесцентном экране 7 переносится на ПЗС матрицу. ПЗС-камера 3 оснащена программным обеспечением для обработки регистрируемого спектрального изображения, формируемого на люминесцентном экране 7.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона содержит вакуумируемый корпус 1, в котором размещены входная щель 1, вогнутая дифракционная решетка скользящего падения 2, стробируемый МКП детектор с внешним электродом 6 и люминесцентный экран 7. При этом регистратор изображения 3 и оптический узел 9, посредством которого изображение с люминесцентного экрана 7 переносится на ПЗС матрицу, расположены вне корпуса 10. Для удобства эксплуатации вакуумируемая камера 10 снабжена входным портом 11 для подсоединения к вакуумной камере с ВУФ или MP источником, пучок излучения 12 от которого поступает через входную щель 1 на дифракционную решетку 2. Расположенный вне камеры 10 импульсный генератор 8 подключен к МКП детектору через заземленный корпус 10 и изолированные электрические вводы в нем.

В вариантах изобретения МКП выполнена секционированной (для упрощения на Фиг. 1 не показано), состоящей из либо двух, либо более электрически изолированных друг от друга полосковых секций, параллельных направлению спектральной дисперсии, к каждой из которых подключен отдельный вывод импульсного генератора, вырабатывающего стробирующие импульсы на каждой секции МКП с временной задержкой относительно друг друга.

Для обеспечения максимального спектрального разрешения во всем регистрируемом спектральном диапазоне в предпочтительных вариантах реализации изобретения входная щель 1, вогнутая дифракционная решетка 2 и входная сторона 4а МКП расположены на окружности Роуланда 13. Последнее достигается за счет выполнения МКП 4 упруго изогнутой вдоль окружности Роуланда 13, например, за счет закрепления МКП 4 на цилиндрической раме или специальной детали. При этом дифрагированный пучок излучения 5, отраженного от дифракционной решетки 2, освещает входную сторону МКП 4 при скользящем падении. Освещение предпочтительно осуществляется через промежуток между МКП 3 и внешним электродом 6, сторона которого, обращенная к МКП 3, расположена в области, оптически не связанной с вогнутой дифракционной решеткой 2. Это устраняет появление на внешнем электроде 6 фотоэлектронов, способных искажать регистрируемое спектральное изображение.

При предлагаемом использовании МКП, изогнутой по окружности Роуланда, ширина аппаратной функции на круге Роланда составляет величину s/cosψ, где s - ширина входной щели, ψ - угол дифракции. Увеличение обратной линейной дисперсии в 1/cosψ раз по сравнению с вне Роуландовской схемой позволяет согласовать аппаратную функцию с пространственным разрешением МКП детектора (~50 мкм). Помимо согласования разрешения регистратора изображения, включающего МКП детектор, с оптической частью спектрометра удается реализовать высокое спектральное разрешение во всем регистрируемом спектральном диапазоне благодаря фокусировке на круге Роуланда. Это определяет важные преимущества предложенной схемы спектрометра по сравнению с вне Роуландовской схемой, в которой идеальная фокусировка имеет место только в одной точке - точке пересечения плоскости регистрации с кругом Роуланда, а с удалением от этой точки происходит падение спектральной разрешающей силы из-за дефокусировки. Разрешающая спектральная способность спектрометра, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, позволила увеличить примерно в 5 раз (от 50 до 260) спектральное разрешение λ/δλ, по сравнению с вариантом вне Роуландовской регистрацией.

Регистрацию спектра ВУФ или MP излучения посредством спектрометра, иллюстрируемого Фиг. 1, реализуют следующим образом. Пучок излучения 12 от источника коротковолнового излучения направляют в вакуумируемом корпусе 10 спектрометра через расположенную входную щель 1 под скользящим углом φ к вогнутой дифракционной решетке 2 скользящего падения. Спектр дифрагированного пучка излучения 5, отраженного от вогнутой дифракционной решетки 2, формируют на входной стороне 4а МКП 4 стробируемого МКП детектора с люминесцентным экраном 7, установленным напротив выходной стороны 4b МКП 4. Во время освещения МКП детектора с помощью импульсного генератора 8 обеспечивают импульс напряжения (U_ext-U_in) между внешним электродом 6 и электродом входной стороны 4а МКП. За счет достаточно сильного электрического поля, предпочтительно величиной (U_in-U_ext)/D≥W/d~5 10⁵ В/м, предотвращают накопление и миграцию фотоэлектронов у входной поверхности МКП, устраняя шум и искажения при записи спектра ВУФ или MP излучения и обеспечивая возможность регистрации с высоким временным разрешением. При отрицательной относительно входной стороны 4а МКП полярности внешнего электрода 6: (U_in-U_ext)>0, - увеличивается эффективность МКП и дополнительно снижается уровень шума. Однородность внешнего электрического поля у входной поверхности 4а МКП обеспечивают выполнением внешнего электрода 6 либо сплошным, либо сетчатым, либо проволочным. При записи спектра с выбранной временной задержкой подают строб-импульс на МКП детектор и формируют на люминесцентном экране 7 усиленное видимое изображение спектра. Запись видимого изображения спектра осуществляют регистратором изображения 3, который предпочтительно включает в себя ПЗС-камеру с оптическим узлом 9, переносящим изображение с люминесцентного экрана 7 на ПЗС-матрицу. С помощью программного обеспечения, которым оснащен регистратор изображения 3, производят обработку записанного изображения, построение спектра с привязкой к шкале длин волн, отображение спектра на выносном дисплее или мониторе ПК, его запись и хранение. При регистрации каждого спектра синхронизируют работу спектрометра с включением источника света.

Все это обеспечивает высокую чувствительность спектрометра, его надежность и удобство эксплуатации.

Для обеспечения максимального спектрального разрешения во всем регистрируемом спектральном диапазоне регистрацию спектра производят при расположении входной щели 1, вогнутой дифракционной решетки 2 и входной стороны 4а упруго изогнутой МКП 4 на окружности Роуланда 13. При этом освещают входную сторону МКП 4 при скользящем падении через промежуток между МКП 3 и внешним электродом 6. Для устранения возможности генерации на внешнем электроде 6 фотоэлектронов, способных искажать регистрируемый спектр, сторону внешнего электрода 6, обращенную к МКП 4, располагают в области, оптически не связанной с вогнутой дифракционной решеткой 2.

Для получения зависимости спектра от времени повторяют цикл работы устройства, изменяя временную задержку строб-импульса относительно начала очередного импульса регистрируемого излучения. Для устранения облака фотоэлектронов, накапливающихся к началу строб-импульса над МКП, импульс напряжения между внешним электродом 6 и электродом входной стороны 4а МКП прикладывают, по меньшей мере, с начала воздействия излучения на МКП и до окончания строб-импульса, характерная минимальная длительность которого, определяющая временное разрешение регистрации спектра, ~1 нс.

В вариантах изобретения регистрацию спектра с высоким временным разрешением осуществляют покадрово в течение одного импульса ВУФ и/или MP излучения посредством МКП, состоящей из либо двух, либо более электрически изолированных друг от друга полосковых секций, параллельных направлению спектральной дисперсии, к каждой из которых подключен отдельный вывод импульсного генератора, вырабатывающего строб-импульсы на каждой секции МКП с временной задержкой относительно друг друга.

С помощью программного обеспечения строят спектр с привязкой к шкале длин волн и отображают его на выносном дисплее или мониторе ПК, осуществляют его запись и хранение. При регистрации каждого спектра синхронизируют работу спектрометра с включением источника света.

Сравнение изображения спектра на Фиг. 2, регистрируемого без подачи напряжения на внешний электрод, U_ext=0, с изображением спектра на Фиг. 3, регистрируемого при подаче на внешний электрод напряжения U_ext=-3000 В, иллюстрирует значительное снижение уровня шума и повышение качества регистрируемого изображения спектра при выполнении устройства в соответствии с настоящим изобретением.

С помощью спектрометра, выполненного в соответствии с вариантом настоящего изобретения, были получены спектры плазмы быстрого капиллярного разряда в аргоне. На Фиг. 4 участок спектра 18, полученный в соответствии с настоящим изобретением по Роуландовской схеме регистрации с упруго изогнутой МКП 4, сравнивается с соответствующим участком спектра, полученным с вне Роуландовской регистрацией с МКП 17, установленной в области оптимума фокусировки. В спектре присутствуют линии ионов аргона, а также ионов кислорода и алюминия, поступивших в разряд в результате эрозии материала электродной системы. При этом решетка, угол скольжения и ширина входной щели и длительность строб-импульса, равная 35 нс, были одинаковы в обоих вариантах регистрации, а внешний электрод не использовался. Были сделаны измерения полной ширины линий иона OVI с длинами волн 13 нм и 15 нм на половине максимума интенсивности. Для выполненного в соответствии с настоящим изобретением устройства с упруго изогнутой по окружности Роуланда МКП 4 эти величины составили 0.050 нм и 0.055 нм соответственно. Для вне Роуландовской регистрации с плоской МКП 17 эти величины гораздо больше - 0.26 нм и 0.27 нм. Соответствующие величины λ/δλ составляют 260 и 50, что демонстрирует увеличение спектрального разрешения в 5 раз при выполнении устройства в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить чувствительность компактного спектрометра MP и ВУФ диапазона, снизить уровень шума и расширить динамический диапазон измерений, реализовать режимы регистрации спектра с высоким временным разрешением, увеличить спектральное разрешение во всем регистрируемом спектральном диапазоне, обеспечить надежность прибора и удобство его эксплуатации.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предложенное изобретение предназначено для использования в приборостроении, в частности при создании спектрометров для измерения с высоким временным разрешением спектров излучения в ВУФ и MP диапазоне.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Wilhein, Т., et al. Rev. of Sci. Instrum., 1999. 70 (3), p. 1694; http://dx.doi.org/10.1063/1.1149653.

2. US Patent 8569677, публикация 10.29.2013, МПК H01J 3/14, H01J 5/02.

3. Shevelko A.P. et al. Plasma Physics Reports. 2008. V. 34. №11. pp. 944-954.

4. Schwob J.L., Wouters A.W, Suckewer S., Finkenthal M., Rev.Sci. Instrum., 1987, v. 58, p. 1601.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и касается спектрометра для вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) и мягкого рентгеновского (MP) диапазона. Спектрометр включает в себя входную щель, вогнутую дифракционную решетку скользящего падения, регистратор изображения со стробируемым МКП детектором, люминесцентный экран, внешний электрод и импульсный генератор. МКП детектор включает в себя микроканальную пластину, на входной стороне которой формируется спектр отраженного от вогнутой дифракционной решетки излучения. Внешний электрод установлен напротив входной стороны микроканальной пластины. Люминесцентный экран установлен напротив выходной стороны МКП. Импульсный генератор вырабатывает стробирующие импульсы электрического напряжения между электродом входной стороны МКП и электродом люминесцентного экрана, а также импульсы напряжения между внешним электродом и электродом входной стороны МКП. Технический результат заключается в повышении чувствительности, снижении уровня шума, расширении динамического диапазона измерений и увеличении временного и спектрального разрешения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащий входную щель (1), вогнутую дифракционную решетку скользящего падения (2) и регистратор изображения (3) со стробируемым МКП детектором, включающим в себя:
микроканальную пластину (МКП) (4), на входной стороне которой формируется спектр излучения (5), отраженного от вогнутой дифракционной решетки;
внешний электрод (6), установленный напротив входной стороны (4а) МКП,
люминесцентный экран (7), установленный напротив выходной стороны (4b) МКП;
и импульсный генератор (8), вырабатывающий стробирующие импульсы электрического напряжения между электродом входной стороны (4а) МКП и электродом люминесцентного экрана (7), а также импульсы напряжения между внешним электродом (6) и электродом входной стороны (4а) МКП (4).

2. Устройство по п. 1, в котором импульс напряжения между внешним электродом (6) и электродом входной стороны (4а) МКП (4) действует, по меньшей мере, с начала воздействия излучения на МКП (4) и до окончания стробирующего импульса.

3. Устройство по п. 1, в котором электрический потенциал внешнего электрода (6) U_ext отрицателен относительно потенциала электрода входной стороны (4а) МКП (4) U_in: U_ext-U_in<0.

4. Устройство по п. 1, в котором величина напряженности электрического поля, прикладываемого к промежутку величиной D между электродом входной стороны (4а) МКП и внешним электродом (6), (U_in-U_ext)/D примерно равна или более отношения величин энергии работы выхода электронов из МКП (4) W~5 эВ и расстояния между каналами МКП d~10^-5 м:
(U_in-U_ext)/D≥W/d~5 10⁵ В/м.

5. Устройство по п. 1, в котором внешний электрод (6) выполнен либо сплошным, либо сетчатым, либо проволочным.

6. Устройство по п. 1, в котором входная сторона (4а) МКП имеет покрытие одним из следующих материалов: CsI, Au, MgF₂.

7. Устройство по п. 1, в котором регистратор изображения (3) представляет собой ПЗС-камеру, оптически сопряженную с люминесцентным экраном стробируемого МКП детектора посредством оптического узла (9) в виде оптиковолоконной шайбы либо передающего объектива и оснащенную программным обеспечением для обработки регистрируемого спектрального изображения.

8. Устройство по п. 1, содержащее вакуумируемый корпус (10), в котором размещены входная щель (1), вогнутая дифракционная решетка скользящего падения (2), МКП (4) с внешним электродом (6) и люминесцентный экран (7).

9. Устройство по п. 1, в котором МКП (4) выполнена секционированной, состоящей из либо двух, либо более электрически изолированных друг от друга полосковых секций, параллельных направлению спектральной дисперсии, к каждой из которых подключен отдельный вывод импульсного генератора (8), вырабатывающего стробирующие импульсы на каждой секции МКП (4) с временной задержкой относительно друг друга.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, в котором входная щель (1), вогнутая дифракционная решетка (2) и входная сторона МКП (4а) расположены на окружности Роуланда (13).

11. Устройство по п. 10, в котором МКП (4) выполнена упруго изогнутой вдоль окружности Роуланда (13).

12. Устройство по п. 10, в котором излучение, отраженное от дифракционной решетки (2), освещает при скользящем падении входную сторону (4а) МКП через промежуток между внешним электродом (6) и МКП (4).

13. Устройство по п. 10, в котором сторона внешнего электрода (6), обращенная к входной стороне (4а) МКП, расположена в области, оптически не связанной с вогнутой дифракционной решеткой (2).

14. Спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащий вакуумируемый корпус (10), входную щель (1), вогнутую дифракционную решетку скользящего падения (2) и регистратор изображения (3) со стробируемым МКП детектором, включающим в себя: МКП (4), на входной стороне (4а) которой при скользящем падении формируется спектр излучения (5), отраженного от вогнутой дифракционной решетки; внешний электрод (6), установленный напротив входной стороны (4а) МКП (4), люминесцентный экран (7), установленный напротив выходной стороны (4b) МКП; импульсный генератор (8), вырабатывающий наряду со стробирующим импульсом импульс напряжения между внешним электродом (6) и электродом входной стороны (4а) МКП, действующий, по меньшей мере, от начала воздействия излучения на МКП (4) и до окончания стробирующего импульса, обеспечивающий электрическое поле с напряженностью, большей или примерно равной величине W/d отношения энергии работы выхода электронов из МКП-W и расстояния между каналами МКП-d, направленное от входной стороны (4а) МКП к внешнему электроду (6); при этом излучение (5), отраженное от вогнутой дифракционной решетки (2), освещает при скользящем падении входную сторону (4а) МКП (4) через промежуток между внешним электродом (6) и МКП (4), а входная щель (1), вогнутая дифракционная решетка (2) и входная сторона (4а) МКП расположены на окружности Роуланда (13), причем МКП (4) выполнена упруго изогнутой вдоль окружности Роуланда (13).