Широкополосный монохроматор (варианты) Российский патент 2023 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к области рентгеновской техники и технологии изготовления монохроматоров и может быть использовано для создания систем монохроматизации и монохроматизации излучения в широком диапазоне длин волн, включая рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный и терагерцевый диапазоны спектра. Изобретение может быть наиболее востребовано на источниках синхротронного и терагерцевого излучений, генерирующих потоки фотонов в широком спектральном диапазоне электромагнитных волн.

Современные монохроматоры базируются на применении дифракционных решёток в качестве диспергирующего элемента. В основном это решётки на базе монокристаллов, а также дифракционные плоские и многослойные решётки. Длина волны излучения связана с углом дисперсии кристаллической решётки посредством соотношения Вульфа - Брэгга (Bragg, W. H.; Bragg, W. L. (1913). “The Reflexion of X-rays by Crystals”. Proc. R. Soc. Lond. A. 88 (605): 428-38.):

где θ - угол скольжения, - длина волны, d - период идентичности кристалла в направлении, перпендикулярном слоям, m - порядок дифракции. Чем короче длина волны выбираемого излучения, тем меньше угол дифракции, поэтому для обеспечения заметного углового отклонения коротковолнового (жёсткого рентгеновского - ЖР) излучения используют дифракционные решётки с меньшей длиной периода. Такие дифракционные решётки используют для разложения излучения на спектральные составляющие в рентгеновском диапазоне, когда период идентичности кристалла сравним с длиной волны излучения. При этом излучение проникает в кристалл на глубину до нескольких сотен или даже тысяч периодов идентичности кристалла, испытывая преломление и отражение от кристаллических плоскостей, образованных атомами кристаллической решётки, пока углы отражения не достигают величины угла полного внутреннего отражения в кристалле.

Для многослойных дифракционных решёток проникновение излучения в слоистую структуру кристаллической решётки не столь велико, хотя существует практика учёта разницы в декременте показателя преломления соседних слоёв [L. Névot, P. Croce, Caractérisation des surfaces par réflexion rasante de rayons X. Application à l'étude du polissage de quelques verres silicates, Rev. Phys. Appl. (Paris), 15 3 (1980) 761-779] и его модификации [I.Feranchuk, AA Minkevich, A.Ulyanenkov About non-Gaussian behaviour of the Debye-Waller factor at large scattering vectors, 2003,The European Physical Journal Applied Physics v.24, pp.21 - 26.], и можно в первом приближении пользоваться формулой (1). Поэтому многослойные дифракционные решётки используются для монохроматизации в диапазоне мягкого рентгеновского (МР) и вакуумно-ультрафиолетового (ВУФ) излучения.

Для многослойной дифракционной решётки глубина проникновения излучения в материал не превышает несколько сотен нанометров, поэтому она более проявляет себя как отражающая дифракционная решётка для областей видимого, инфракрасного (ИК) и терагерцевого (ТГЦ) излучения. В вышеуказанных диапазонах спектра также эффективно работают дифракционные решётки, дисперсия которых определяется вариацией коэффициента преломления в материале с длиной волны излучения.

Монохроматор состоит из следующих основных частей и узлов: входная спектральная щель, коллиматор, диспергирующий элемент и выходная спектральная щель, которая выделяет излучение узкого интервала длин волн. Таким образом, монохроматор с диспергирующим элементом, работающим на базе физического явления: преломления, дифракции или отражения падающего излучения, может работать только в определенном диапазоне спектра излучения.

В качестве прототипа для обоих вариантов широкополосного монохроматора выбрано решение, описанное в патенте JP2013088615A, где для оперативной смены длины волны предложено устройство на базе дифракционной решётки в качестве диспергирующего элемента, направляющего излучение фиксированной длины волны на одно зеркало из массива зеркал, установленных после дифракционной решётки по пути распространения излучения. Однако все зеркала работают на одном физическом принципе - зеркальном отражении от поверхности дифракционной решётки, поэтому диапазон функционирования монохроматора лимитируется одним принципом отражения диспергирующих элементов, способных поворачиваться на малый угол в несколько градусов, не обеспечивая широкого спектрального диапазона монохроматизации.

Общим техническим результатом для двух вариантов предлагаемого решения является расширение диапазона монохроматизации излучения путем оперативной смены диспергирующего элемента с упрощенной юстировкой в ходе эксперимента посредством использования зеркально отражённого пучка. Второй вариант технического решения дополнительно обеспечивает фокусировку падающего излучения в широком диапазоне энергии.

Предлагаемый широкополосный монохроматор для обоих вариантов состоит из входной и выходной спектральных щелей, расположенных на оптическом пути луча, и диспергирующего элемента, наклон которого к падающему лучу может контролируемо изменяться с помощью моторизованных подвижек. Расширение диапазона действия монохроматора предполагается за счёт создания на одной базовой подложке составного диспергирующего элемента с селективными отражающими свойствами с учётом спектральных свойств каждого отдельного (далее простого) диспергирующего элемента при отражении, а также моторизованной подвижки с базовой подложкой перпендикулярно направлению падающего пучка излучения, системы наклона базовой подложки относительно падающего пучка излучения, а также входной и выходной спектральных щелей.

Составной диспергирующий элемент включает в себя:

- простые диспергирующие элементы, образованные многослойными зеркалами;

- простые диспергирующие кристаллические элементы на базе монокристаллической или поликристаллической подложки, которой является сама базовая подложка, например, кремния, германия, или сформированные эпитаксиально на базовой подложке;

- зеркально отражающую поверхность, преобразующую падающее излучение в отражённое по законам зеркального отражения.

Количество простых диспергирующих элементов на подложке задаётся суммой диапазонов спектра. При этом один диапазон может быть в свою очередь разбит на несколько поддиапазонов, каждому из которых соответствует свой простой диспергирующий элемент, преобразующий спектр излучения. Например, ВУФ диапазон может быть разбит на поддиапазоны: 10 - 40 Å, 40 - 150 Å, 150 - 600 Å и 600 - 2000 Å, и каждому из поддиапазонов соответствует свой простой диспергирующий элемент, выполненный на базе многослойной дифракционной решётки. Таким образом, количество простых диспергирующих элементов, приходящихся на один диапазон или поддиапазон спектра, может быть более одного.

Поскольку коэффициент отражения диспергирующих элементов больше нуля в широком диапазоне углов отражения и трудно в начале юстировки найти нужный рефлекс, в состав широкополосного монохроматора введена зеркально отражающая поверхность для определений положения падающего и зеркально отражённого пучков излучения в качестве реперов.

Широкополосный монохроматор может быть построен как на базе плоских простых диспергирующих элементов (по первому варианту): многослойных зеркал, дифракционных кристаллических элементов и зеркально отражающей поверхности, так и на базе изогнутых простых диспергирующих элементов (по второму варианту): многослойных зеркал, дифракционных кристаллических элементов и зеркально отражающей поверхности. Широкополосный монохроматор по второму варианту может также фокусировать пучок падающего излучения.

Изобретение по первому варианту поясняется чертежами. На фиг.1 представлено схематичное изображение составного диспергирующего элемента, состоящего из одной плоской зеркально отражающей поверхности (3) и одного простого диспергирующего элемента, изготовленного на базе монокристаллической дифракционной решётки (2), причём они оба созданы на одной плоской базовой подложке (1), и поэтому образуют один угол наклона с направлением распространения падающего излучения; на фиг.2 представлено схематичное изображение составного диспергирующего элемента, состоящего из одной плоской зеркально отражающей поверхности (3), одного простого диспергирующего элемента на базе монокристаллической дифракционной решётки (2) и одного простого диспергирующего элемента на базе многослойной структуры (4), причём все они выполнены на одной плоской базовой подложке (1) и поэтому образуют один угол наклона с направлением распространения падающего излучения; на фиг.3 представлено схематичное изображение плоской базовой подложки с составным диспергирующим покрытием: (2) - простой диспергирующий элемент на базе монокристаллической дифракционной решётки для преобразования излучения в ЖР диапазоне спектра; (3) - зеркально отражающая поверхность; (4) - простой диспергирующий элемент на базе многослойной структуры для преобразования излучения в МР диапазоне спектра; (5) - простой диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки с периодом структуры для преобразования излучения в ВУФ диапазоне спектра; (6) - простой диспергирующий элемент, основанный на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в видимом диапазоне; (7) - простой диспергирующий элемент, основанный на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в ИК диапазоне спектра; (8) - простой диспергирующий элемент, основанный на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в диапазоне ТГЦ излучения, образующие один угол наклона с направлением распространения падающего излучения, причём все они выполнены на одной плоской базовой подложке (1).

Широкополосный монохроматор по второму варианту поясняется фиг.4, на которой представлено схематичное изображение составного изогнутого дисперирующего элемента, состоящего из одной изогнутой зеркально отражающей поверхности (9), одного простого изогнутого диспергирующего элемента на базе кристаллической дифракционной решётки (10) и одного простого изогнутого диспергирующего элемента на базе многослойной структуры (11), выполненных на одной изогнутой базовой подложке (12).

Составной диспергирующий элемент, представленный на фиг.4, содержит по одному простому диспергирующему элементу на один спектральный диапазон. Возможен иной набор простых диспергирующих элементов, которые могут располагаться на изогнутой подложке в произвольной последовательности. Радиус кривизны составного диспергирующего элемента лежит в диапазоне от 10 до 1000 м и может быть выбран из условия обеспечения высокого коэффициента отражения при скользящем падении, т.е. угле порядка одного градуса, и фокусном расстоянии порядка 1 м. Это определяется внешними техническими условиями, например, заданными шириной диапазона свечения источника излучения, диапазоном чувствительности регистрирующего излучение устройства.

Таким образом по первому варианту широкополосный монохроматор на базе составного плоского диспергирующего элемента содержит: размещенные на одной плоской базовой подложке плоскую зеркально отражающую поверхность, простой плоский диспергирующий элемент на базе дифракционной решётки монокристалла для преобразования излучения в ЖР диапазоне спектра, простой плоский диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки для преобразования излучения в МР диапазоне спектра, простой плоский диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки с другим периодом структуры для преобразования излучения в ВУФ диапазоне спектра, простой плоский диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в видимом диапазоне, простой плоский диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в ИК диапазоне спектра, простой плоский диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в диапазоне ТГЦ излучения или комбинацию простых плоских диспергирующих элементов; моторизованную подвижку с базовой подложкой, расположенной перпендикулярно направлению падающего пучка излучения, систему наклона базовой подложки относительно падающего пучка излучения, а также входную и выходную щели. Более детальное описание системы юстировки монохроматора дано в работе Н.И. Чхало, Б.А. Уласевич, С.А. Гарахин, Я.В. Ракшун, И.В. Малышев, В.А. Чернов, В.Н. Полковников, И.П. Долбня, М.Н. Торопов, С.В. Ращенко, Проект двухзеркального монохроматора на диапазон энергий фотонов 8-36 keV для синхротрона, ЖТФ, 2022, том 92, вып. 8, стр.1261-1266.

По второму варианту широкополосный монохроматор на базе составного изогнутого диспергирующего элемента, рассчитанного на рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный и терагерцевый диапазоны спектра энергий, содержит: размещенные на одной изогнутой базовой подложке изогнутую зеркально отражающую поверхность, простой изогнутый диспергирующий элемент на базе дифракционной решётки монокристалла для преобразования излучения в ЖР диапазоне спектра, простой изогнутый диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки для преобразования излучения в МР диапазоне спектра; простой изогнутый диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки с другим периодом структуры для преобразования излучения в ВУФ диапазоне спектра; простой изогнутый диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в видимом диапазоне; простой изогнутый диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в ИК диапазоне спектра; простой изогнутый диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в диапазоне ТГЦ излучения или комбинацию простых изогнутых диспергирующих элементов, моторизованную подвижку с базовой подложкой, расположенной перпендикулярно направлению падающего пучка излучения, систему наклона базовой подложки относительно падающего пучка излучения, а также входную и выходную щели. Более детальное описание системы юстировки монохроматора дано в работе Н.И. Чхало, Б.А. Уласевич, С.А. Гарахин, Я.В. Ракшун, И.В. Малышев, В.А. Чернов, В.Н. Полковников, И.П. Долбня, М.Н. Торопов, С.В. Ращенко, Проект двухзеркального монохроматора на диапазон энергий фотонов 8-36 keV для синхротрона, ЖТФ, 2022, том 92, вып. 8, стр.1261-1266.

Широкополосный монохроматор (далее монохроматор) по обоим вариантам изобретения работает следующим образом. Первоначально монохроматор настраивается на прямой пучок излучения посредством юстировки по зеркально отражающей поверхности. Фиксация отражённого рефлекса на детекторе, расположенном в направлении распространения излучения за монохроматором, означает, что составной диспергирующий элемент с зеркально отражающей поверхностью совмещён с входным пучком. Затем перемещением составного диспергирующего элемента по оси, перпендикулярной падающему пучку, добиваются попадания пучка падающего излучения на желаемый простой диспергирующий элемент, благодаря чему выбирается диапазон спектра. При необходимости осуществляется угловая подстройка диспергирующего элемента с помощью системы юстировки, описанной в работе Н.И. Чхало, Б.А. Уласевич, С.А. Гарахин, Я.В. Ракшун, И.В. Малышев, В.А. Чернов, В.Н. Полковников, И.П. Долбня, М.Н. Торопов, С.В. Ращенко, Проект двухзеркального монохроматора на диапазон энергий фотонов 8-36 keV для синхротрона, ЖТФ, 2022, том 92, вып. 8, стр.1261-1266. Перемещение выходной щели монохроматора с помощью моторизированной подвижки завершает юстировку на пучок. Для смены диапазона излучения составной диспергирующий элемент также перемещается моторизированной подвижкой поперёк пучка падающего излучения так, чтобы пучок падающего излучения попал на желаемый простой диспергирующий элемент, а перемещение выходной щели завершает юстировку на новый диапазон излучения. Система настройки базовой подложки включает в себя узлы наклона в вертикальной плоскости (угол φ) и поворота в горизонтальной плоскости (угол θ), а также подстройку угла скольжения (угол ω) и моторизированные подвижки поперечного лучу вертикального и горизонтального перемещения подложки с диспергирующими элементами.

Пример схематичного изображения широкополосного монохроматора по первому варианту представлен на фиг. 5. На подложку 1, на которую нанесены четыре дифракционные решетки на диапазон 5-30 А, 30-100 А, 100-500 А и 500-2500 А и отражающее зеркало (3), через входную щель (15) падает излучение (13) и отражается излучение (14) с длиной волны, соответствующей диспергирующему элементу, на который была проведена настройка, и проходит через выходную щель (16). Отраженное излучение (14) фиксируется детектором (на фиг.5 не показан).

На фиг.6 показан пример схематичного изображения широкополосного монохроматора с диспергирующем элементом на изогнутой подложке (12) с радиусом кривизны 90 м, на которою нанесены четыре дифракционные решетки на диапазон 5-30 А, 30-100 А, 100-500 А и 500-2500 А и отражающее зеркало (9). Падающее излучение (13) проходит через входную щель (15) и, отражаясь от простого диспергирующего элемента, на который была совершена настройка, проходит через выходную щель (16) сфокусированным пучком (17).

Предложенный широкополосный монохроматор (варианты) позволяет:

1. Расширить спектральный диапазон благодаря использованию нескольких диспергирующих элементов, каждый из которых соответствует определённому спектральному диапазону;

2. Расширить спектральный диапазон благодаря использованию диспергирующих элементов, формирующих отражённый луч на основе различных физических явлений, таких как зеркальное отражение, дифракция и преломление в кристалле, интерференция на поверхностной периодической структуре дифракционной решётки;

3. Оперативно перестраивать длину волны излучения перемещением диспергирующих элементов поперёк пучка излучения (с угловой подстройкой диспергирующего элемента при необходимости);

4. Ограничиться однократной юстировкой диспергирующих элементов относительно пучка, падающего на зеркально отражающую поверхность, благодаря чему оптимизировать временные затраты по сравнению с ситуацией, когда юстировке предшествует поиск нужного рефлекса, отражённого от кристалла;

5. Использовать известную величину энергии падающего пучка на зеркально отражающую поверхность в качестве реперной точки при калибровке мощности, приходящейся в заданные рефлексы при отражении от кристаллической дифракционной решётки;

6. Осуществлять перестройку с низкого углового разрешения на более высокое угловое разрешение для тонкой подстройки длины волны путём использования диспергирующих элементов на основе кристаллической решетки, многослойной решетки, плоской решетки и решетки на основе эффекта преломления с периодом идентичности, а именно для кристаллической решетки 1-5А, для многослойной дифракционной решётки 2-20А, для плоской дифракционной решётки 0,1-10 мкм и для решетки на основе эффекта преломления 0,5-100 мкм;

7. Непосредственно в ходе эксперимента формировать на образце пучок монохроматического и немонохроматического излучений для проведения сравнительных измерений;

8. Второй вариант изобретения дополнительно позволяет фокусировать падающие излучение в широком диапазоне энергий изогнутыми диспергирующими элементами.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается широкополосного монохроматора. Широкополосный монохроматор включает диспергирующий элемент, входную и выходную щели, моторизованную подвижку с базовой подложкой, систему наклона базовой подложки относительно падающего пучка излучения. Диспергирующий элемент является составным и представляет собой размещенные на одной плоской или изогнутой базовой подложке зеркально отражающую поверхность и простые диспергирующие элементы, соответствующие диапазонам спектра от жесткого рентгеновского до терагерцевого или их комбинацию. Технический результат заключается в расширении диапазона монохроматизации излучения и упрощении юстировки в ходе эксперимента. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Широкополосный монохроматор, включающий диспергирующий элемент, входную и выходную щели, моторизованную подвижку с базовой подложкой, систему наклона базовой подложки относительно падающего пучка излучения, отличающийся тем, что диспергирующий элемент является составным и представляет собой размещенные на одной плоской базовой подложке плоскую зеркально отражающую поверхность и простые плоские диспергирующие элементы: диспергирующий элемент на базе дифракционной решётки монокристалла для преобразования излучения в жестком рентгеновском диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки для преобразования излучения в мягком рентгеновском диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки с периодом структуры для преобразования излучения в вакуумно-ультрафиолетовом диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в видимом диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в инфракрасном диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в терагерцевом диапазоне спектра или их комбинацию.

2. Широкополосный монохроматор по п.1, отличающийся тем, что количество простых плоских диспергирующих элементов, приходящихся на один диапазон или поддиапазон спектра, более одного.

3. Широкополосный монохроматор, включающий диспергирующий элемент, входную и выходную щели, моторизованную подвижку с базовой подложкой, систему наклона базовой подложки относительно падающего пучка излучения, отличающийся тем, что диспергирующий элемент является составным и представляет собой размещенные на одной изогнутой базовой подложке с радиусом кривизны от 10 до 1000 м изогнутую зеркально отражающую поверхность и простые изогнутые диспергирующие элементы: диспергирующий элемент на базе дифракционной решётки монокристалла для преобразования излучения в жестком рентгеновском диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки для преобразования излучения в мягком рентгеновском диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе многослойной дифракционной решётки с периодом структуры для преобразования излучения в вакуумно-ультрафиолетовом диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в видимом диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в инфракрасном диапазоне спектра, диспергирующий элемент на базе эффекта отражения или преломления для преобразования излучения в терагерцевом диапазоне спектра или их комбинацию.

4. Широкополосный монохроматор по п.3, отличающийся тем, что количество простых изогнутых диспергирующих элементов, приходящихся на один диапазон или поддиапазон спектра, более одного.