ВНЕРОУЛАНДОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО И ВУФ ДИАПАЗОНА Российский патент 2016 года по МПК G01J3/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к компактным спектрометрам со средним спектральным разрешением λ/δλ~200-400, 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 фольга 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 люминесценгным 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 стеклянные вогнутые решетки, покрытые золотом или вольфрамом, 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 спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащий вогнутую дифракционную решетку (ВДР) скользящего падения, входную щель, расположенную на окружности Роуланда, и регистратор изображения с МКП-детектором, включающим в себя освещаемую при скользящем падении микроканальную пластину (МКП), входная поверхность которой и, соответственно, плоскость регистрации расположены по касательной к окружности Роуланда. Спектрометр выполнен по схеме, близкой к Роуландовской, отличие состоит только в том, что поверхность регистрации плоская, а не изогнутая по окружности Роуланда. При этом из-за ограниченной спектральной области регистрации в [4] потребовалось применение нескольких детекторов, что значительно усложняет конструкцию прибора. Кроме этого, по сравнению с освещением МКП при нормальном падении, у МКП-детекторов, освещаемых при скользящем падении, квантовая эффективность значительно уменьшается, а уровень шумов резко повышается. Это, в частности, ограничивает возможности регистрации спектра с высоким временным разрешением. Кроме этого, обычно используемые кольцевые оправы МКП-детектора препятствуют освещению МКП при скользящем падении, требуя усложнения конструкции устройства.

Этих недостатков лишен известный из [4] компактный спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, выполненный по схеме с "внероуландовской" регистрацией спектра. Спектрометр содержит входную щель, расположенную на окружности Роуланда, вогнутую дифракционную решетку скользящего падения и регистратор изображения, входная поверхность которого пересекает окружность Роуланда под углом, близким к нормальному. При этом регистрация спектра осуществляется в плоскости, перпендикулярной дифрагированным лучам, что определяет удобство и простоту использования спектрометра с различными типами детекторов. Несомненным достоинством спектрометра является то, что регистрация спектра в плоскости, перпендикулярной дифрагированным лучам позволяет использовать в регистраторе изображения стандартный плоский МКП-детектор. При этом спектрометр характеризуется высокой чувствительностью и возможностью регистрации спектра с высоким временным разрешением, а также компактностью, простотой и надежностью.

Однако в геометрии внероуландовского спектрометра [4] с входной щелью, расположенной на окружности Роуланда и входной поверхностью регистратора изображения, пересекающей окружность Роуланда, 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.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу изобретения положена задача усовершенствования компактного внероуландовского спектрометра за счет оптимизации в нем взаимного расположения плоскости регистрации и поверхности фокусировки спектральных линий.

Техническим результатом изобретения является расширение рабочей области спектра и увеличение в ней спектрального разрешения при обеспечении надежности прибора и удобства его эксплуатации, в том числе в режимах регистрации спектров с высоким временным разрешением.

Выполнение поставленной задачи реализуется с помощью предлагаемого устройства, содержащего входную щель, вогнутую дифракционную решетку (ВДР) скользящего падения и регистратор изображения, на входной поверхности которого формируется спектр излучения, отраженного от вогнутой дифракционной решетки, характеризующийся тем, что входная щель расположена внутри окружности Роуланда, и входная поверхность регистратора изображения пересекает двойную окружность Роуланда.

Предпочтительно расстояние от входной щели до центра ВДР, выбрано так, чтобы поверхность фокусировки спектральных линий, соответствующая положению входной щели, смещенной с окружности Роуланда, имела минимум 8 удаленности от центра выгнутой дифракционной решетки в диапазоне углов дифракции, соответствующих первому порядку дифракции длин волн рабочей области спектра λ₁÷λ₂.

Предпочтительно для граничных длин волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра соответствующие расстояния R₁ и R₂ от центра ВДР 3 до точек фокусировки спектральных линий на λ₁ и λ₂ примерно одинаковы: R₁≈R₂≈(R₁+R₂)/2.

Предпочтительно входная поверхность регистратора изображения дважды пересекает соответствующую поверхность фокусировки спектральных линий вблизи минимума ее удаленности от центра ВДР.

Предпочтительно входная поверхность регистратора изображения расположена примерно посередине между минимумом поверхности фокусировки спектральных линий и точками фокусировки спектральных линий, соответствующих граничным длинам волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра: R≈((R₁+R₂)/2+R_m)/2, где R и R_m расстояния от центра ВДР до соответственно поверхности регистратора изображения и минимума поверхности фокусировки спекгральных линий.

Предпочтительно входная поверхность регистратора изображения либо параллельна касательной к соответствующей поверхности фокусировки спектральных линий в минимуме ее удаленности от центра ВДР, либо расположена под малым углом к касательной, не превышающим 15 градусов.

Предпочтительно регистратор изображения включает в себя стробируемый МКП-детектор с МКП на входной поверхности которой формируется спектр излучения; установленный напротив выходной стороны МКП люминесцентный экран, на котором формируется преобразованное в видимый диапазон регистрируемое спектральное изображение; и импульсный генератор, вырабатывающий стробирующие импульсы.

В другом аспекте изобретение относится к внероуландовскому спектрометру для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащим входную щель, ВДР скользящею падения, регистратор изображения с МКП-детектором, включающим в себя: МКП на входной поверхности которой формируется спектр излучения; люминесцентный экран, установленный напротив выходной поверхности МКП; и импульсный генератор, вырабатывающий стробирующие импульсы, характеризующийся тем, что входная щель расположена внутри окружности Роуланда, а входная поверхность МКП дважды пересекает поверхность фокусировки спектральных линий, соответствующую положению входной щели, смещенной с окружности Роуланда, вблизи расположенного на двойной окружности Роуланда минимума удаленности указанной поверхности от центра ВДР.

Предпочтительно регистратор изображения включает в себя ПЗС-камеру, оптически сопряженную с люминесцентным экраном МКП-детектора и оснащенную программным обеспечением для обработки регистрируемого спектрального изображения и визуализации спектра.

Предпочтительно, что угол падения на входную поверхность МКП находится в диапазоне от 0 до 15 градусов.

Предпочтительно, что спектрометр содержит вакуумируемый корпус, в котором размещены входная щель, вогнутая дифракционная решетка скользящего падения и входная поверхность МКП.

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

В вариантах изобретения входная поверхность МКП имеет покрытие одним из следующих материалов: CsI, Au, MgF₂.

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

Положению входной щели, смещенной внутрь окружности Роуланда соответствует незамкнутая поверхность фокусировки спектральных линий, расположенная снаружи окружности Роуланда и имеющая минимум удаленности от центра вогнутой дифракционной решетки, лежащий на двойной окружности Роуланда [5]. В сравнении с внероуландовской схемой без смещения щели, в схеме со смещением щели внутрь окружности Роуланда имеются следующие преимущества.

Размещение входной поверхности регистратора изображения или поверхности регистрации предложенным образом позволяет достичь оптимального расположения плоскости регистрации относительно поверхности фокусировки спектральных линий. Кроме этого, спектральные линии фокусируются на примерно в два раза большем расстоянии от дифракционной решетки, что приводит к увеличению линейной дисперсии. Все это приводит к увеличению спектрального разрешения спектрометра.

Расположение входной стороны регистратора изображения либо параллельно касательной к поверхности фокусировки спектральных линий в минимуме ее удаленности от центра вогнутой дифракционной решетки, либо под малым углом к касательной, не превышающим 15 градусов, обладает рядом преимуществ, к которым относятся упрощение устройства и повышение чувствительности спектрометра.

Освещаемая, а значит и рабочая область вогнутой дифракционной решетки становится меньше, за счет приближения входной щели к дифракционной решетке, что позволяет использовать решетки меньших размеров, упрощая устройство.

При использовании МКП детектора возросшая линейная дисперсия позволяет улучшить согласование пространственного разрешения МКП и реальной спектральной структуры, что также приводит к увеличению спектрального разрешения.

Когда поверхность регистратора изображения дважды пересекает поверхность фокусировки спектральных линий вблизи минимума ее удаленности от центра вогнутой дифракционной решетки, расширяется спектральный диапазон, в котором обеспечивается лучшая фокусировка спектральных линий, что расширяет рабочую область спектра.

Применение регистратора изображения 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.

Хорошо отработанное применение в регистраторе изображения высокочувствительной ПЗС-камеры, оптически сопряженной с люминесцентным экраном (пробируемого 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, ею 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.

Регистрация спектра в плоскости, освещаемой при падении, близком к нормальному, при угле падения в диапазоне от 0 до 15 градусов позволяет использовать плоскую сборку МКП с люминесцентным экраном и ПЗС-камерой, что упрощает устройство. Кроме этого, в указанном диапазоне углов падения обеспечивается, как известно, например из [6], близкая к максимальной квантовая эффективность МКП детектора.

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 течении одного импульса излучения осуществлять покадровую регистрацию спектра с высоким временным разрешением.

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

Вышеупомянутые и другие объекты, аспекты, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Существо изобретений поясняется прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 - внероуландовская схема регистрации со смещением щели в соответствии с изобретением,

Фиг. 2 - схематичное изображение спектрометра с МКП-детектором,

Фиг. 3 - фотография МКП-детектора компании «РнД-ИСАН» с четырехсекционной МКП,

Фиг. 4 - сравнение спектров, полученных по внероуландовским схемам без смещения щели и в соответствии с настоящим изобретением со смещением щели,

Фиг. 5 - экспериментальные зависимости разрешающей способности спектрометра по внероуландовским схемам без смещения щели и в соответствии с настоящим изобретением со смещением щели.

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, внероуландовский спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержит входную щель 1, формирующую пучок излучения 2, освещающий ВДР 3 скользящего падения, и регистратор изображения, на входной поверхности 4 которого, представляющей собой поверхность регистрации, формируется спектр дифрагированного излучения 5, отраженного от ВДР 3. Входная щель 1 расположена внутри окружности Роуланда 6. Каждому положению входной щели 1, смещенной по направлению скользящего падения внутрь окружности Роуланда 6, соответствует своя или соответствующая поверхность фокусировки спектральных линий 7, имеющая минимум 8 удаленности от центра вогнутой дифракционной решетки 2, лежащий на расстоянии R_m от него на двойной окружности Роуланда 9.

В соответствии с изобретением входная поверхность 4 регистратора изображения пересекает двойную окружность Роуланда 9, что является необходимым условием оптимального расположения входной поверхности 4 регистратора изображения относительно поверхности фокусировки спектральных линий 7.

В предпочтительном варианте изобретения расстояние от входной щели 1 до центра ВДР 3, выбрано так, чтобы соответствующая поверхность фокусировки 7 имела минимум 8 удаленности от центра ВДР 3 в диапазоне углов дифракции, соответствующих первому порядку дифракции длин волн рабочей области спектра λ₁÷λ₂, а расстояния R₁ и R₂ от центра ВДР 3 до поверхности фокусировки для граничных длин волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра были примерно одинаковы: R₁≈R₂≈(R₁+R₂)/2. Это иллюстрируется Фиг. 1, где точки фокусировки пучков 5а и 5b дифрагированного излучения с граничными длинами волн λ₁ и λ₁ рабочей области спектра примерно одинаково удалены от центра ВДР 3 и расположены на соответствующей поверхности фокусировки 7 спектральных линий по обе стороны от ее минимума 8, а в самом минимуме 8 находится точка фокусировки пучка 5с с длиной волны из центра рабочей области спектра.

С целью фокусировки спектра на поверхности регистрации в максимально широком диапазоне длин волн, входная поверхность 4 регистратора изображения дважды пересекает соответствующую поверхность 7 фокусировки спектральных линий. При этом для обеспечения среднего спектрального разрешения λ/δλ~200-400 во всем рабочем диапазоне длин волн входная поверхность 4 регистратора изображения дважды пересекает поверхность 7 фокусировки спектральных линий, вблизи минимума 8 ее удаленности от центра ВДР 3. В рабочей области спектра с граничными длинами волн λ1 и λ2 максимальное удаление входной поверхности 4 регистратора изображения от поверхности 7 фокусировки спектральных линий не должно превышать глубины резкости. Это является условием фокусировки спектральных линий во всем регистрируемом спектральном диапазоне. Как показал анализ реализованного варианта схемы спектрометра с ВДР, имеющей 600 штр./мм, радиус кривизны 1000 мм, рабочую область 6 мм, установленной под углом скольжения 40, глубина резкости составляет величину около 1 см, что достаточно для регистрации диапазона λ1÷λ2 от 100 до 300 Å. В этом варианте спектрометра расстояние от центра ВДР 3 до минимума 8 поверхности фокусировки R_m=0,311 м.

На Фиг. 1 показан предпочтительный вариант изобретения, при котором входная поверхность регистратора изображения расположена примерно посередине между минимумом удаленности поверхности фокусировки спектральных линий от центра ВДР и точками фокусировки спектральных линий, соответствующих граничным длинам волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра: R≈((R₁+R₂)/2+R_m)/2.

В минимумах 8 касательная к поверхности 7 фокусировки перпендикулярна направлению на центр ВДР 3. Установка входной поверхности 4 регистратора изображения параллельно указанной касательной позволяет осуществлять регистрацию спектра в плоскости, перпендикулярной дифрагированным лучам, что обладает рядом преимуществ, к одним из которых относится возможность и удобство высокоэффективного применения в регистраторе изображения высокочувствительного МКП-детектора стандартной конструкции. В соответствии с этим в варианте изобретения, иллюстрируемом Фиг. 1, входная поверхность 4 регистратора изображения параллельна касательной к поверхности 7 фокусировки спектральных линий в минимуме 8 ее удаленности от центра ВДР 3. В других вариантах изобретения для оптимизации положения поверхности регистрации относительно поверхности фокусировки спектральных линий входная поверхность регистратора изображения расположена под малым углом к указанной касательной, не превышающим 15 градусов.

Для сравнения на Фиг. 1 стрелками 10 и 11 указаны места установки соответственно входной щели и входной поверхности регистратора изображения для известной, например, из [4] внероуландовской схемы спектрометра скользящего падения без смещения щели.

В регистраторе изображения могут использоваться различные типы двухмерных детекторов, к которым относятся ПЗС-матрицы, фотопленка и др.

В предпочтительном варианте реализации изобретения, иллюстрируемом Фиг. 2, для обеспечения максимально высокой чувствительности и возможности регистрации спектра с высоким временным разрешением регистратор изображения включает в себя стробируемый МКП-детектор с МКП 12, на входной поверхности которой, являющейся входной поверхностью 4 регистратора изображения, формируется спектр излучения. МКП-детектор также включает в себя установленный напротив выходной поверхности МКП люминесцентный экран 13, на котором формируется преобразованное в видимый диапазон регистрируемое спектральное изображение; и импульсный генератор 14, предназначенный для подачи стробирующих или отпирающих импульсов высокого напряжения между электродом входной поверхности 4 МКП 12 и электродом люминесцентного экрана 13. Электроды входной и выходной сторон МКП 12 обычно напылены или ламинированы по их периметру, а электрод люминесцентного экрана 13 обычно включает в себя металлическое, как правило, алюминиевое покрытие люминофора с достаточно высокой прозрачностью. В соответствии с изобретением входная щель 1 расположена внутри окружности Роуланда 6, а входная поверхность 4 МКП 12 дважды пересекает поверхность 7 фокусировки спектральных линий, соответствующую положению входной щели 1, смещенной с окружности Роуланда 6, вблизи расположенного на двойной окружности Роуланда 9 минимума 8 удаленности указанной поверхности 7 от центра ВДР 3.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения регистратор изображения 3 включает в себя ПЗС-камеру 15, оптически сопряженную с люминесцентным экраном 13 МКП-детектора и оснащенную программным обеспечением для обработки регистрируемого спектрального изображения и визуализации спектра. ПЗС-камера оптически сопряжена с люминесцентным экраном 13 (пробируемого МКП-детектора посредством оптического узла, представляющего собой либо передающий объектив, входящий в состав ПЗС камеры 15, либо оптико-волоконную шайбу, посредством которого изображение на люминесцентном экране 13 переносится на ПЗС матрицу.

Для удобства эксплуатации внероуландовский спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона содержит корпус 16, вакуумируемый для обеспечения работоспособности спектрометра, в котором размещены входная щель 1, вогнутая дифракционная решетка 3 скользящего падения и входная поверхность 4 МКП 12. Вакуумируемый корпус 16 предпочтительно снабжен входным портом для подсоединения к вакуумной камере с ВУФ или MP источником, излучение от которого поступает через входную щель 1 на вогнутую дифракционную решетку 3.

Для обеспечения максимальной квантовой эффективности МКП угол падения на входную поверхность 4 МКП 12 находится в диапазоне от 0 до 15 градусов.

При нормальной регистрации спектра достигается удобство герметичного крепления к корпусу 16 МКП-камеры 18, представляющей собой герметичную сборку МКП 12 с люминесцентным экраном 13 и окном 17. Окно 17 необходимо для оптического сопряжения расположенной снаружи корпуса 16 ПЗС-камеры 15 с люминесцентным экраном 13. Оно выполнено в виде шайбы из оптически прозрачного материала, такого как стекло или кварц, либо в виде оптиковолоконной шайбы. МКП-камера 18 также снабжена по меньшей мере одним герметичным электрическим вводом 19 для подачи строб-импульса.

В вариантах реализации изобретения МКП 12 выполнена секционированной, состоящей из двух, либо более электрически изолированных друг от друга секций, к каждой из которых подключен отдельный вывод импульсного генератора, вырабатывающего стробирующие импульсы на каждой секции МКП с временной задержкой относительно друг друга; при этом границы между секциями МКП параллельны направлению спектральной дисперсии. Данные варианты реализации изобретения иллюстрируются Фиг. 3, на которой представлена фотография МКП-детектора компании «РнД-ИСАН», содержащего МКП-камеру 20 с четырехсекционной МКП и четырехканальный импульсный генератор 21. Данный вариант МКП-детектора предназначен для получения 4-х спектров в различные моменты времени.

Для повышения эффективности МКП детектора входная поверхность 4 МКП 12 имеет покрытие одним из следующих материалов: CsI, Au, MgF₂.

Регистрацию спектра ВУФ или MP излучения посредством спектрометра, иллюстрируемого Фиг. 2, реализуют следующим образом. Пучок излучения 2 от источника коротковолнового излучения, сформированный расположенной в вакуумируемом корпусе 16 входной щелью 1, смещенной с окружности Роуланда 6, направляют под скользящим углом к вогнутой дифракционной решетке 3 скользящего падения. Спектр дифрагированного пучка излучения 5, отраженного от вогнутой дифракционной решетки 2, формируется на входной поверхности 4 МКП 12 стробируемого МКП-детектора с люминесцентным экраном 13, установленным напротив выходной поверхности МКП 12. При этом входная поверхность 4 МКП 12 оптимально расположена относительно поверхности 7 фокусировки спектральных линий, соответствующей положению входной щели 1, смещенной с окружности Роуланда 6, дважды пересекая ее вблизи расположенного на двойной окружности Роуланда 9 минимума 8 удаленности указанной поверхности 7 от центра ВДР 3. С помощью импульсного генератора 14 с выбранной временной задержкой относительно начала импульса излучения подают строб-импульс на МКП-детектор и формируют на люминесцентном экране 13 усиленное видимое изображение спектра. Запись видимого изображения спектра осуществляют регистратором изображения 3, который предпочтительно включает в себя ПЗС-камеру, оптически сопряженную с люминесцентным экранном 13, например, посредством передающего объектива, переносящим изображение с люминесцентного экрана 13 на ПЗС-матрицу. С помощью программного обеспечения, которым оснащен регистратор изображения, 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.

Для упрощения конструкции устройства и обеспечения его высокой чувствительности МКП-детектора освещают входную сторону МКП при угле падения, находящемся в диапазоне от 0 до 15 градусов.

Для повышения чувствительности МКП-детектора используют МКП, входная поверхность которой имеет покрытие одним из следующих материалов: CsI, Au, MgF₂.

Для получения зависимости спектра от времени повторяют цикл работы устройства, изменяя временную задержку строб-импульса относительно начала очередного импульса регистрируемого излучения.

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

Как проиллюстрировано на Фиг. 1 для расширения рабочей области спектра и повышения в ней спектрального разрешения расстояние от входной щели 1 до центра ВДР 3, выбирают так, чтобы:

- поверхность 7 фокусировки спектральных линий, соответствующая положению входной щели 1, смещенной с окружности Роуланда 6, имела минимум 8 удаленности от центра выгнутой дифракционной решетки 3 в диапазоне углов дифракции, соответствующих первому порядку дифракции длин волн рабочей области спектра λ₁÷λ₂;

- для граничных длин волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра соответствующие расстояния R₁ и R₂ от центра ВДР 3 до точек фокусировки спектральных линий на *λ₁ и λ₂ были примерно одинаковы: R₁≈R₂≈(R₁+R₂)/2,

- входная поверхность 4 регистратора изображения была расположена примерно посередине между минимумом 8 поверхности 7 фокусировки спектральных линий и точками фокусировки спектральных линий, соответствующих граничным длинам волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра: R≈((R₁+R₂)/2+R_m)/2.

С помощью спектрометра, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения, иллюстрируемым Фиг. 2, были получены спектры плазмы быстрого капиллярного разряда в аргоне. Используемая в спектрометре ВДР имела радиус кривизны 1 м и плотность штрихов 600 штрихов на мм. Расстояние от входной щели до центра ВДР подбиралось таким образом, чтобы соответствующая поверхность фокусировки имела минимум в диапазоне углов, соответствующих первому порядку дифракции длин волн 100-300 А при угле скользящего падения излучения 4°.

На Фиг. 4 спектр 22, полученный в соответствии с настоящим изобретением по внероуландовской схеме со смещением входной щели, сравнивается со спектром 23, полученным по внероуландовской схеме [4], для которой положения входной щели и поверхности регистрации схематично показаны на Фиг. 1 соответственно стрелками 10 и 11. На Фиг. 4 более подробно рассмотрены две области спектра: 150-190 Å и 370-420 Å.

Область 150-190 Å - это область наилучшей фокусировки спектра во внероуландовской схеме без смещения щели. Видно, что даже в этой области разрешение прибора в соответствии с настоящим изобретением выше, в основном благодаря большей линейной дисперсии.

Основное преимущество предложенной схемы спектрометра демонстрирует длинноволновый диапазон 370-420 Å. В этой области предложенная схема имеет большее разрешение за счет лучшей фокусировки спектральных линий. В предложенной внероуландовской схеме со смещением щели схеме спектральные линии резкие, в то время как во внероуландовской схеме спектральные линии расфокусированы.

В обоих спектрах 22, 23 разрешающая способность спектрометров оценивалась по полной ширине на уровне половинной амплитуды нескольких выбранных одиночно стоящих спектральных линий. График, демонстрирующий измеренные разрешающие способности 24, 25 соответственно для обеих схем со смещением щели и без смещения щели представлены на Фиг. 5. Данные Фиг. 5 демонстрируют увеличение спектрального разрешения в 1,4-3 раза в зависимости от длины волны при выполнении устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет расширить рабочую область спектра и увеличить в ней спектральное разрешение при обеспечении надежности прибора и удобства его эксплуатации, в том числе в режимах регистрации спектров с высоким временным разрешением.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

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

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, H01J5/02.

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

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

5. W. Baily Philosophical Magazine, series 5, vol. 15, p. 183 (1883).

6. M. Hirata, N. Yamaguchi, T. Cho, E. Takahashi, T. Kondoh, S. Miyoshi, S. Aoki, H. Maezawa and A. Yagishita. Review of Scientific Instruments 61, 2566 (1990).

Использование: для спектрометрии вакуумного ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку (ВДР) скользящего падения и регистратор изображения, на входной поверхности которого формируется спектр, входная щель расположена внутри окружности Роуланда, а входная поверхность регистратора изображения дважды пересекает поверхность фокусировки спектральных линий, соответствующую положению входной щели, смещенной с окружности Роуланда, вблизи расположенного на двойной окружности Роуланда минимума удаленности указанной поверхности от центра ВДР. В предпочтительном варианте изобретения регистратор изображения содержит МКП-детектор с люминесцентным экраном, оптически сопряженным с ПЗС камерой. Технический результат: расширение рабочей области спектра и увеличение в ней спектрального разрешения при обеспечении надежности прибора и удобства его эксплуатации, в том числе в режимах регистрации спектров с высоким временным разрешением. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Внероуландовский спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащий входную щель (1), вогнутую дифракционную решетку (ВДР) скользящего падения и регистратор изображения, на входной поверхности (1) которого формируется спектр излучения, отраженного от ВДР (3), характеризующийся тем, что
входная щель (1) расположена внутри окружности Роуланда (6), и
входная поверхность (4) регистратора изображения пересекает двойную окружность Роуланда (9).

2. Устройство по п. 1, в котором расстояние от входной щели 1 до центра ВДР (3) выбрано так, чтобы поверхность (7) фокусировки спектральных линий, соответствующая положению входной щели, смещенной с окружности Роуланда, имела минимум (8) удаленности от центра ВДР (3) в диапазоне углов дифракции, соответствующих первому порядку дифракции длин волн рабочей области спектра λ₁÷λ₂.

3. Устройство по п. 1, в котором для граничных длин волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра соответствующие расстояния R₁ и R₂ от центра ВДР (3) до точек фокусировки спектральных линий на λ₁ и λ₂ примерно одинаковы: R₁≈R₂≈(R₁+R₂)/2.

4. Устройство по п. 1, в котором входная поверхность (4) регистратора изображения дважды пересекает соответствующую поверхность (7) фокусировки спектральных линий вблизи минимума ее удаленности от центра ВДР (3).

5. Устройство по п. 1, в котором входная поверхность (4) регистратора изображения расположена примерно посередине между минимумом поверхности (7) фокусировки спектральных линий и точками фокусировки спектральных линий, соответствующих граничным длинам волн λ₁ и λ₂ рабочей области спектра: R≈((R₁+R₂)/2+R_m)/2, где R и R_m - расстояния от центра ВДР (3) до соответственно входной поверхности (4) регистратора изображения и минимума (8) поверхности (7) фокусировки спектральных линий.

6. Устройство по п. 1, в котором входная поверхность (4) регистратора изображения либо параллельна касательной к соответствующей поверхности (7) фокусировки спектральных линий в минимуме (8) ее удаленности от центра ВДР (3), либо расположена под малым углом к касательной, не превышающим 15 градусов.

7. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором регистратор изображения включает в себя:
- стробируемый МКП-детектор с микроканальной пластиной (МКП) (12), на входной поверхности (4) которой формируется спектр излучения;
- установленный напротив выходной поверхности МКП (12) люминесцентный экран (13), на котором формируется преобразованное в видимый диапазон регистрируемое спектральное изображение;
- импульсный генератор (14), вырабатывающий стробирующие импульсы.

8. Внероуландовский спектрометр для мягкого рентгеновского и ВУФ диапазона, содержащий входную щель (1), вогнутую дифракционную решетку (3) скользящего падения, регистратор изображения с МКП-детектором, включающим в себя: МКП (12) на входной поверхности (4) которой формируется спектр излучения; люминесцентный экран (13), установленный напротив выходной поверхности МКП; и импульсный генератор (14), вырабатывающий стробирующие импульсы, характеризующийся тем, что
входная щель (1) расположена внутри окружности Роуланда (6), а
входная поверхность (4) МКП (12) дважды пересекает поверхность (7) фокусировки спектральных линий, соответствующую положению входной щели (1), смещенной с окружности Роуланда (6), вблизи расположенного на двойной окружности Роуланда (9) минимума (8) удаленности указанной поверхности (7) от центра ВДР (3).

9. Устройство по п. 8, в котором регистратор изображения включает в себя ПЗС-камеру (15), оптически сопряженную с люминесцентным экраном (13) МКП-детектора и оснащенную программным обеспечением для обработки регистрируемого спектрального изображения и визуализации спектра.

10. Устройство по п. 8, характеризующееся тем, что угол падения на входную поверхность (4) МКП (12) находится в диапазоне от 0 до 15 градусов.

11. Устройство по п. 8, содержащее вакуумируемый корпус (16), в котором размещены входная щель (1), вогнутая дифракционная решетка (3) скользящего падения и входная поверхность (4) МКП (12).

12. Устройство по п. 8, в котором МКП выполнена секционированной, состоящей из двух либо более электрически изолированных друг от друга секций, к каждой из которых подключен отдельный вывод импульсного генератора, вырабатывающего стробирующие импульсы на каждой секции МКП с временной задержкой относительно друг друга; при этом границы между секциями МКП параллельны направлению спектральной дисперсии.

13. Устройство по п. 8, в котором входная поверхность МКП имеет покрытие одним из следующих материалов: CsI, Au, MgF₂.