Устройство для монохроматизации синхротронного излучения Советский патент 1986 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к области оптического аналитического приборостроения, в частности к созданию монохроматоров для вакуумной ультрафиолетовой области спектра, в том числе, когда в качестве источника света используется излучение релятивистских электронов в магнитном поле (в синхротроне или накопительном кольце), получившее название синхронное излучение (СИ), Преимущественная область использования изобретения - это фундаментальные и прикладные исследования по физике, хи|Мии, биологии, основанные на излуче;НИИ взаимодействия электромагнитного излучения с газовой фазой, с твердьми телами и биологическими материалами, в частности атомная и молекулярная спектроскопия высоковозбужденных состояний, включая оптичес кую и-фотоэлектронную спектроскопию, изучениеэнергетической зонной струк туры поверхностей и твердых тел методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением и т.п. Известны устройства монохроматизащи СИ, состоящие из входных фоку сир тощих зеркал, расположенных между источником СИ и монохроматором,срдержащим входную оптическую щель, диспергирующий элемент (дифракционную решетку) и выходную оптическую щель выходньк фокусирующих зеркал, расположенных за выходной щелью моно хроматора. Известные устройства для монохроматизации СИ имеют ограниченный рабочий интервал длин волн, в котором возможно проведение эксперимента. Поскольку информация об исследуемом объекте, полученная в различных спектральных интервалах, носит качественно новый характер, то ограничение рабочего интервала длин волн при водит к ограничению информации об объекте исследования. А переход от одной области спектра (одного устрой ства для монохроматизации) к другой (другому устройству для монохроматизации) занимает значительное время, что резко снижает производительность и точность измерений, и в некоторых случаях приводит к изменению свойств исследуемого объекта.. В то же время преимущества и специфические свойства современных специализированных источников. СИ дают уникальную возможность проводить спе тральные измерения в очень широкой области спектра. По этим причинам современные устройства для,монохроматизации СИ должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать максимальное разрещение и светосилу; диапазон длин волн должен бцть максимальный; направление прямой, соединяющей центры входной щели и решетки, должно оставаться неизменным; положение входной щели должно оставаться неизменным направление прямой, соединяющей центры выходной щели и решетки, должны оставаться неизменньм независимо от длины волны, положе-. ние выходной щели должно оставаться , неизменным; работа (действие) оптической схемы должна обеспечиваться наиболее простым механизмом, число движущихся и регулируемых частей должно быть минимальным. Большинство известных оптических монтировок не удовлетворяет требованиям и с трудом может быть адаптируемо к сверз4вакуумным условиям работы с высокой степенью надежности. Наиболее близким по технической сущности является устройство для монохроматизации СИ, включающее источник света, фокусирующие зеркала, входную и вьпсодную оптические неподвижные щели,-сменные дифракционные, решетки и механизм сканирования спектра путем вращения решетки вокруг оси, проходящей через ее вершину. В этом устройстве не осуществляется точная фокусировка лучей во всем ра- бочем диапазоне длин волн; в лучщем случае стигматическое изображение источника может быть получено лишь для трех длин волн. При больших углах падения и дифракции астигматизм .вогнутой дифракционной решётки частично компенсируется асферической (тороидальной или эллиптической) формой заготовки. Дефокусировка минимизируется оптимальной длиной входного и выходного плеч для зада 1йЬго интервала Длин волн. Коррекция аберраций более высокого порядка обеспечивается за, счет использования криволинейных штрихов с изменяющимся шагом нарезки. Недостатками известного, устройства являются: резкое ухудшение разрешаемого интервала длин волн 5А (или разрешающей способности ) вне интервала длин волн, для которого проведена оптимизация параметров схемы, что приводит к сужению спектрал ной области работы устройства с заданным пределом разрешения, и не обеспечивается подавление высоких п рядков спектра, вклад которых соста вляет 50% при переходе в длинновол новзпо область рабочего интервала. Высокое содержание высших, гармоник спектра приводит практически к поте ре информации об исследуемом объект поскольку ньщеление их вклада не вс да возможно и однозначно можно сде лать . При прочих равных условиях уменьшение предела i разрешения §Д возможно только за счет уменьшения рабочего интервала длин волн устрой ства. При практически требуемом в настоящее время рабочем пределе раз решения $; оказывается, что известное устройство не может обеспечить монохроматизацию излучения в широко области спектра (от рентгеновской д видимой) с заданным значением S Целью изобретения являются расши рение спектральной области работы устройства с заданным разрешаемым интервалом длин волн во всем спектральном, диапазоне, эффективное подавление высоких порядков спектра, повышение информативности измерений Указанная цель достигается тем, что в устройстве для монохроматизации СИ, содержащем источник света, фокусирующие зеркала, неподвижные входную и выходную оптические щели, сменные дифракционные решетки и механизм .сканирования спектра путем вращения решеток вокруг оси, проходящей через вершину решеток, между входной и выходной щелями установлена по крайней меде одна дополнительная неподвижная оптическая щель и по крайней мере одна дополнительная сменная дифракционная решетка под углом к сменным дифракционным решеткам, причем вершины всех решеток при их смене совмещены с общей осью вращения и расположены на один ковом расстоянии от выходной щели,а угол между нормалями к сменным дифракционном решеткам и к любой допол нительной решетке в два раза меньше чем угол, образованный прямыми,проходящими через центр входной щели, ось вращения решеток и центр соответствующей дополнительной щели. На фиг. 1 изображена функциональная оптическая схема устройства для монохроматизации СИ в вертикальной плоскости; на фиг, 2 - то же, в горизонтальной -плоскости при наличии одной дополнительной входной оптической щели. Устройство содержит источник СИ 1 (синхротрон или накопительное кольцо), фокусирзтощее зеркало 2, расположенное в канале вывода СИ, входные фокусирующие зеркала 3 и 4, вершины которых совпадают с общей осью.5, входное фокусирующее зеркало i6,неподвижную входную оптическую rae.iib 7, дополнительную неподвижную входную щель 8, сменные дифракционные решетки 9, дополнительные сменные решетки 10,-Общую ось 11 вращения решеток, неподвижную выходную- оптическую щель 12, выходное фокусирующее зеркало) 1.3, которое фокусирует выходящее монохроматическое излучение на исследуемый объект 14. Все оптические элем.енты, входящие в состав устройства, расположены в сверхвысоковакуумном объеме. Зеркала 3 и 4 линейно перемещаются вдоль оси 5 (перпендикулярной к плоскости рисзшка)без нарушения вакуума либо расположены неподвижно рядом друг с другом так, 4iTo -их вершины совпадают с осью 5, но плоскость отражения зеркала 4 в этом случае не совпадает с плоскостью дисперсии системы и составляет с ней некоторый угол. Решетки также выполнены сменными без нарушения вакуума в системе, Их смена и установка в рабочее положение осуществляется либо путем ли- нейного перемещения вдоль оси 11 (перпендикулярной к плоскости риунка), либо путем вращательного вижения вокруг оси, параллельной си 11, но не совпадающей с ней.Прием при смене дифракционных решеток х вершины расположены на одинаковом асстоянии от центра щели 12 и проодят через ось вращения I1. Совмеение верщин решеток и на:личие одой о;бщей выходной щели позволяет афиксировать направление дифрагиро анных лучей от различных дифракцинных решеток. Устройство работает следующим обазом. Излучение от источника СИ (синхророна или накопительного кольца) 1 аправляется фокусир-ующим зеркалом на одно из входных фокусирующих еркал 3 или 4 устройства в зависиости от того, какое из них пересёкает пучок СИ. В том случае, когда в пучок СИ введено зеркало 3, дающее уменьшенное изображение источника СИ навходной щели 7, в рабочее положение устанавливается решетка 9, которая разлагает входящее излучение в сйектр и одновременно фокусирует дифрагированный (монохроматический) пучок, распространяющийся в направлении выходной щели, на выходйой щели 12. Когда в пучок СИ введено зеркало 4, излучение направляется на фокусирующее зеркало 6, дающее уменьшенное изображение ис- точника. СИ на дополнительной входной щели 8, в рабочее положение устанавливается дополнительная решетка 10 которая разлагает входящее излучение в спектр -и одновременно фокусирует дифрагированньй (монохроматический) пучок, распространяющийся в направлении, выходйой щели, на выходной щели 12. Сканирование спектра осуществляется путём вращения рабочей решетки (9 или 10) вокруг оси 11. В обоих случаях выходящий из щели 12 расходящийся монохроматический пучок света фокусируется, зеркалом 13 на исследуемом образце 14, Для обеспечения сканирования спектр одним общим механизмом необходимо, что выведение в выходную щель нулевого порядка спектра от различных дифракционных решеток осуществляется при одном и том же положении механизма сканирования. Чтобы выполнить это условие, дополнительные сменные дифракционные решетки установлены под углом по отношению к сменным дифракционным решеткам так, что угол между нормалями к регаеткам в два раза мень ше, чем угол, образованный центрами входной щели, осью вращения и центром соответствующей дополнительной В данном устройстве высокоэнер щели, гетический (коротковолновый) предел работы определяется углом отклонени между падающим и дифрагированным лучами, которьй должен быть тем больше, чем меньше коротковолновая, граница рабочего интервала, и углом падения излучения на зеркала 2, 3 из-за сув1ествования критического угла падения для полного внешнего отралсения. При заданном угле отклонения рабочий интервал длин волн, в котором разрешаемый интервал длин волн не хуже заданной величины S Л , определяется в основном расстояниями Г 576 (гшечами) от верцгины решеток до входных и выходной щели. Отсюда следует, что количество дополнительных входных щелей определяется целиком наиболее коротковолновой и наибольшей длинноволновой границами cneKTpaj которые необходимо монохроматизировать, и заданным (требуемым) пределом разрешения S/i . Величины расстояНИИ от вершин решеток до входных и вькодной щелей-, 5глы отклонения,параметры реигеток определяются из условий минимума дефокусировки, требуемой разрешающей способности и минимума аберраций в заданном спектральном интервале путем самосогласованного расчета аппаратных функций устройства. Успешная реализация устройства обеспечивается применением асферических механически нарезанных решеток с переменным шагом и криволинейной формой штриха или голографических с целью минимизации -аберраций. С целью уменьшения вклада более высоких порядков спектра в выходящее из устройства монохроматическое излучение скользящие углы, падения излучения СИ на зеркала 4, 6 выбираются такими, чтобы критический угол падения излучения на зеркала приближенно соответствовал полному внешнему отражению излучения с длиной волны, равной короктоволновой границе рабочей области спектра для дополнительных решеток.JO. Дополнительная фильтрация излучения осу1цествляется при использовании, нарезных решеток из-за изменения, эффективности решетки с длиной волны излучения за счет изменения углов блеска решеток и выбора соответствующего материала покрытия. Описанное устройство по С13&внению с известным позволяет проводить физические измерения в более птирокой области спектра, при заданном пределе разрешения и большей чистоте (от вклада высших гармоник спектра) монохроматического излучения, с фиксированной точки (площади) поверхности исследуемого образца. За счет этих преимуществ достигается соответственно качественно, новая (за-счет рас1пи- рения области спектра) и более определенная и детальная информация (за счет уменьшения вклада высших гарМОНИК и сохранения Sfc во всем интервале длин волн),.т.е. повышается информативность измерений.

7 . Устройство позволяет использовать только один канал вывода СИ при проведении исследований в такой же области спектра. При этом в результат те гфиксированного напразвления выходящего монохроматического излучения положение изображения источника Gl на объекте исследования остается неизменным и не зависит от длины волны в широкой области спектра, что позволяет ползгчать информацию с заданной точки на образце с хорошей воспроизводимостью, точностью и минимага нь1М временем перехода от одной области спектра к другой. Этообеспечивает повышение производительности и j информативности ясследований. Кроме.этого, решетки имеют один общий простой механизм их вращения при Сканировании спектра с од08857В

ной общей выходной щелью, что упрощает конструкцию, делают ее менее металлоемкой, сокращает количество : оптических элементов, средств откач, ки и электроники, уменьшает стоимость.

По отношению к базовому объекту, наряду с повьшгёнием информативности измерений, упрощением и удешевле10 нием конструкции, экономическая эффективность достигается за счет возможности использованная одного канала вывода синхротронного излучения вместо Двух при применения предла15 гаемого устройства для 1монохроМатизации Это позволяет экономить на оборудовании каждого канала, призванного обеспечивать проведение экспериментов в указанной области спектра, примерно от 300 до 500 тыс.руб.

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