Высоковакуумный монохроматор для синхротронного излучения в ультрамягкой рентгеновской области спектра Советский патент 1988 года по МПК G01N23/207 

Изобретение относится к технике точного спектрального приборостроеия.

Цель изобретения - расширение g , без нарушения вакуума спектральной абочей области монохроматрра с заанным пределом разрешения во всем спектральном диапазоне, гменьшение уровня фона, обусловленного высшими о порядками дифракции, в выходящем мо нохромати еском излучении с одновреенным упрощением конструкции.

На фиг о 1 представлена оптическая схема устройства; на фиг..2 макет вы- i5 соковакуумного монохроматора, общий ид.

Высоковакуумньш монохроматор соержит установленные последовательно входное фокусирующее зеркало 15вход-20 ую щель 2, состоящую из плоского зерка:па 3 и ножа 4, дифракционные решетки 5, выходную щель 6, выходное окусирующее зеркало 7, Кинематическая схема сканирования реализуется на25 основе направляющей 8, параллельной входящему пучку СИ, вращающегося вокруг щели 2 рычага 9, на котором установлен блок сменных дифракционных решеток 5, и направляющей. 10. ЗО,

Монохроматор работает следующим образом.

При поступательном (сканирующем) перемещении входного зеркала 1 вдоль пучка СИ и входной щели 2 вдоль нал- равляющей 8 рычаг 9 одновременно с поступательным перемещением поворачивается вокруг входной щели 2. Это обеспечивается направляющей 10,которая для каждой решетки имеет фиксиро- Q ванное положение относительно направляющей 8 и при установке решетки другого радиуса кривизны должна быть повернута относительно выходной щели 6 на угол, определяемьш условием фо- д кусировки,

1 R sincf, (1) где 1 - длина рычага.9;

R - радиус сферической дифракционной решетки; . 50 9 - скользящий угол падения на решетку.

Положения расположенных вне вакуумного объема монохроматора рычага 9 и направляющей 10 относительно нап равляющей 8 определяют соответственно скользящие углы падения с/ и дифракции Cf для излучения, падающего на решетку. Таким образом, при поступательном перемещении входной щели 2 происходит изменение угла дифракции ф при сохранении постоянным угла падения ( и, следовательно обеспечивается условие передвижения вдоль . . спектра.

Выражая угол дифракции f через расстояние L между входной 2 и выходной 3 щелями и угол падения Lf, получаем

V агсз1п(Ь/Ю-ф, (2)

из уравнения

-А (cosV-cosif)/rip . (3) находим градуировочную кривую монохроматора (рабочий порядок дифракции п - -1)

-А

cosV-cos Care sin (L/R)

(4)

где A - длина волны;

n - порядок дифракции;

р - плотность щтрихов дифракционное .решетки.

Перекрывание всей области ультрамягкого рентгеновского излучения с заданным пределом разрешения осуществляется путем использования в моно- хроматоре нескольких дифракционных решеток с разными радиусами кривизны и различной плотностью штрихов.

Проблема сводится главным образом к обеспечению необходимого разрешения в коротковолновой части рабочего : спектрального диапазона. Дифракцион ШТР

ная решетка с м и при

мм

ширине щелей монохроматрра 5 мкм . обеспечивает в области длин волн выше 1,0 им энергетическое разрешение uE, лучшее 0,9 эВ (7 2,0 нм, ДЕ ,2 sB; 3,0 нм, ,1 эБ и т.д.).

Для более длинноволновой области спектра необходимо использовать решетки с меньшими R. Они легко обеспечивают необходимое энергетическое разрешение и вследствие увеличения скользящих углов падения излучения на зеркало 3 входной щели 2 и дифракционную решетку 5 приводят к уменьшению интенсивности коротковолнового фонового излучения, отраженного от дифракционной рещетки в высших порядках дифракции, т. е. повышению чистоты выходящего монохроматического излучения.

Для обеспечения перекрывания моно- хроматором всей области ультрамягкого рентгеновского излучения (i 1-50 нм)

можно использовать следующие три дифракционные решетки.

Решетка № 1 ( им, ---,

мм

угол блеска ), покрытая золотом э для увеличения коэффициентов отражения и установленная под углом 59 к падающему излучению, обеспечивает эффективное разложение в спектр корот-, коволнового излучения (область концентрации диафрагированного в п -1 порядке излучения 1,2-3,6 нм) и высокое энергетическое разрешение ,6- 0,07 эВ в области концентрации при ширине щелей монохроматора 5 мкм.

15

10

Решетка № 2 ( мм, --,

мм

1 о о I /.о

Блок 2 входной щели шарнирной тягой (рычагом) 9 соединен с блоком 5 дифракционной решетки, которые перемещаются с большой то Чностью на прецизионных подшипниках по шлифовальны 15 поверхностям А направляющей 10, уста новленной в подшипники опор 13 плиты 8 и закрепленной винтами 14. Благода ря такому подвижному креплению направляющей 10 можно изменять угол ср

, 18,Ц) 4°, Аи-покрытие) имеет

; область концентрации дифрагированного зд между направлениями движения бло ка 2 излучения нм и при ширине ще- входной щели и блока 5 дифракционной лей монохроматора 5 мкм обеспечивает в этом спектральном интервале энергетическое разрешение 0,2-0,03 эВ.

решетки.

На направляющей 10 установлен бло 6 выходной щели, соединенный с блоком 5ТР 25 5 дифракционной решетки пластинчато- сварным сильфоном. На направляющей 1 закреплен блок 7 выходного фокусирую щего зеркала, посредством сильфонов соединенный с блоком 6 выходной щели 30 и разделительной камерой 15.

Решетка № 3 ( мм, ---,

мм

5ТР

48 , Аи-покрытие), установленная под углом 6 1

, дает высокие коэффициенты отражения дифрагированного излучения в области длин волн 17- 50 нм с энергетическим разрешением 0,01-0,001 эВ (ширина щелей 5 мкм).

Таким образом, предлагаемые три- дифракционные решетки обеспечивают во всей спектральной области работы монохроматора энергетическое разрешение АЕ, лучшее 0,6 эВ. При необходимости уменьшить величину ЛЕ, т.е. улучшить разрешение, следует ввести еще одну решетку с большими Кир специально для диапазона Л 1-2 нм.

В таблице приведены расчетные па- ра;метры зеркал М , М, М, используемых в монохроматоре вместе с указанными дифракционными решетками ( иг обозначают меридиональньй и саг- гитальный радиусы кривизны).

Общий вид макета высоковакуумного монохроматора для СИ в ультрамягкой рентгеновской области спектра (РМ-СИ) показан на фиг.2. Конструктивно РМ-СИ выполнен из стандартных блоков, в которых размещены функциональные элементы оптической схемы.

35

На направляющей 10 установлен блок 6 выходной щели, соединенный с блоком 5ТР 25 5 дифракционной решетки пластинчато- сварным сильфоном. На направляющей 10 закреплен блок 7 выходного фокусирующего зеркала, посредством сильфонов соединенный с блоком 6 выходной щели 30 и разделительной камерой 15.

Прецизионное перемещение подвижных блоков РМ-СИ по шлифованным поверхностям А и Б направляющих 8 и 10 осуществляется шаговым электродвигателем с помощью шариковинтовой пары 16-17, снабженной индуктосинным датчиком линейных перемещений 18-19.

Входной блок 11 фильтра коротковолнового излучения и разделительная камера 15 могут отделяться от источника излучения, монохроматора и измерительной камеры проходными вентилями 20.

Все вакуумные элементы монохроматора РМ-СИ выполнены из нержавеющей стали с металлоуплотнителями типа , conflat. Вакуумная система монохроматора прогреваема и рассчитана на высокий вакуум до 10 Па. Рабочий вакуум поддерживается системами 21 безмасляной откачки, состоящими из цео- литовых и электроразрядных магнитных насосов, а также титановых распылите-

40

45

50

лей. Блок 5 дифракционных решеток. Неподвижный блок 11 фильтра корот- gg дополнительно снабжен небольшим элёктковолнового излучения (на оптической схеме на фиг.1 не показан), установленный на опорной плите (направляющей) 8, соединен пластинчато-сварнь1м

роразрядным титановым насосом 22.

Смена дифракционных решеток производится без нарушения вакуума в монохроматоре. С помощью вакуумного вво

сильфоном 12 из нержавеющей стали с подвижным блоком 1 входного фокусирующего зеркала. Последний жестко скреплен с блоком 2 входной щели. Эти блоки на прецизионных подшипниках могут поступательно перемещаться с большой точностью по шлифованным поверхностям Б опорной чугунной плиты 8.

Блок 2 входной щели шарнирной тягой (рычагом) 9 соединен с блоком 5 дифракционной решетки, которые перемещаются с большой то Чностью на прецизионных подшипниках по шлифовальным поверхностям А направляющей 10, установленной в подшипники опор 13 плиты 8 и закрепленной винтами 14. Благодаря такому подвижному креплению направляющей 10 можно изменять угол ср

между направлениями движения бло ка 2 входной щели и блока 5 дифракционной

зд между направлениями движения бло ка 2 входной щели и блока 5 дифракционной

35

решетки.

На направляющей 10 установлен блок 6 выходной щели, соединенный с блоком 25 5 дифракционной решетки пластинчато- сварным сильфоном. На направляющей 10 закреплен блок 7 выходного фокусирующего зеркала, посредством сильфонов соединенный с блоком 6 выходной щели 30 и разделительной камерой 15.

Прецизионное перемещение подвижных блоков РМ-СИ по шлифованным поверхностям А и Б направляющих 8 и 10 осуществляется шаговым электродвигателем с помощью шариковинтовой пары 16-17, снабженной индуктосинным датчиком линейных перемещений 18-19.

Входной блок 11 фильтра коротковолнового излучения и разделительная камера 15 могут отделяться от источника излучения, монохроматора и измерительной камеры проходными вентилями 20.

Все вакуумные элементы монохроматора РМ-СИ выполнены из нержавеющей стали с металлоуплотнителями типа , conflat. Вакуумная система монохроматора прогреваема и рассчитана на высокий вакуум до 10 Па. Рабочий вакуум поддерживается системами 21 безмасляной откачки, состоящими из цео- литовых и электроразрядных магнитных насосов, а также титановых распылите-

40

45

50

лей. Блок 5 дифракционных решеток. дополнительно снабжен небольшим элёктроразрядным титановым насосом 22.

Смена дифракционных решеток производится без нарушения вакуума в монохроматоре. С помощью вакуумного ввода линейного перемещения нужная решетка выводится в рабочее положение. Затем с помощью поворота направляющей 10 вокруг выходной щели устанавливается необходимый угол скользящего падения ср и при Яеобходимости изменяется длина рычага 9. На следующем этапе Н1еобходимо соответствующим образом Повернуть зеркало 3 входной щели 2 (|фиг.1) В положении нулевого порядка фpaкции скользящий угол падения оС Излучения на зеркало определяется в|ыражением

2

(5)

15 Роуланда при движении по спектру и содержащую первую направляющую и рычаг с основанием для крепления дифракционных решеток, причем рычаг установлен с возможностью вращения вок- щели, о

т л и ч а ю - щ и и с я тем, что, с целью расщире; ,

; Последний этап - установка соответс(твующего выходного фокусирующего зер1 ала, обеспечивающего сохранение не |зменным направления выхода пучка мо- 20 РУ входной

Нохроматического излучения

ния спектральной области работы моно- хроматора с заданным пределом разрешения во всем спектральном диапазоне 25 без нарушения вакуума, уменьшения в монохроматическом излучении интенсивности фона, обусловленного высшими порядками дифракции при одновременном упроц ении Конструкции, кинематичес- 30 кая схема сканирования снабжена второй направляющей, шарнирно соединен; Возможность установки дифракцион

ых решеток без нарушения вакуума

;Ьозволяет использовать монохроматор

|(ля проведения исследований , с высоким

Энергетическим разрешением в диапазойе длин волн 1-50 нм, тогда как в

: Все операции осуществл.яются без 1: арушения вакуума в монохроматоре. |(онтроль качества проведенной пере- тройки монохроматора легко осуществ- 4тяется путем регистрации нулевого форядка дифракции при пропускании че- фез монохроматор пучка СИ или лазер- його излучения.

35

ной с первой и установленной с возможностью вращения вокруг выходной щели, рычаг выполнен переменной длины, а сменные дифракционные решетки объединены, в блок и размещены на ползуне, установленном с возможностью перемещения относительно основания для крепления дифракционных решеток на рычаге.

| учщем из известных устройств при 1налогичном уровне разрешения пере- рывается лишь диапазон 1-25 нм.

Формула изобретения

Высоковакуумный монохроматор для синхротронного излучения в ультрамягкой рентгеновской области спектра, содержащий расположенные по ходу излучения в связанных высоковакуумных объемах входное фокусирующее зеркало, входную щель в виде системы нож плоское зеркало, сменные дифракционные решетки, выходную щель, по крайней мере одно фокусирующее зеркало и кинематическую схему сканирования, обеспечивающую условия фокусировки

Роуланда при движении по спектру и содержащую первую направляющую и рычаг с основанием для крепления дифракционных решеток, причем рычаг установлен с возможностью вращения вок- щели, о

т л и ч а ю - щ и и с я тем, что, с целью расщиреРУ входной

35

40

ной с первой и установленной с возможностью вращения вокруг выходной щели, рычаг выполнен переменной длины, а сменные дифракционные решетки объединены, в блок и размещены на ползуне, установленном с возможностью перемещения относительно основания для крепления дифракционных решеток на рычаге.

Изобретение относится к технике точного спектрального приборостроения. Целью изобретения является расширение без нарушения вакуума спектральной рабочей области монохроматора с заданным пределом разрешения во всем спектральном диапааоне, уменьшение уровня фона от высших порядков дифракции в монохроматическом излучении при одновременном упрощении конструкции. В монохроматоре, содержащем расположенные по ходу излучения в связанных высоковакуумных объемах входное фокусирующее зеркало, входную щель в виде системы нож - плоское зеркало, дифракционную решетку, выходную щель, выходное фокусирующее зеркало и кинематическую.схему сканирования, обеспечивающую условия фокусировки Роуланда при движении :по спектру и содержащую направляющую и рычаг с основанием для крепления дифракционной решетки, причем рычаг установлен с возможностью вращения вокруг входной щели, кинематическая схема сканирования выполнена с рычагом переменной длины и снабжена, второй направляющей, шарнирно соединенной с первой и установленной с воз-. . можностью вращения вокруг выходной щели, а также блоком сменных дифракционных решеток, размещенных на ползуне, установленном с возможностью заданного перемещения относительно основания рычага. 2 ил., 1 табл, i (Л G

Сфери-г 26370 Аи

ческая

Плос-г J °° Аи

кая

М,

Торои-

г„ 8025 Аи

2 167x40x15

3-6 (ре- 35x40x15 шетка 1) 4-9,5° (ре- шетка № 2) 5-9,5° (решетка № 3)

(решетff 1)

(решет№ 2)

35x40x15

г, 29

1402875 Продолжение таблиць

5° (решетка № 3)

фие.1