Устройство для монохроматизации синхротронного излучения

(51) 4 О 01 Ю 3 18 с ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(46) 15.2.86. Бюл. Кф 46 (71) Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им,: А.А.Жданова(56) Синхронное излучение. Свойства и применение, - В сб. статей под ред, К.Кунца. М.: Мир, 1981, с. 136.Эерац 1 ех Р. е .а 1 . Иис 1 . 1 пз 1 г. аль Ме 1 Ь., 152, (1978) 101. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНОХРОМАТИЗАЦИЙ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее источник света, фокусирующие зеркала, неподвижные входную и вы- . ходную оптические щели, сменные дифракционные решетки и механизм сканирования спектра путем вращения решеток вокруг оси, проходящей .через: вершины решеток, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения спектральной области работы устрой" ства с заданньм пределом разрешения во всем спектральном диапазоне,эффективного подавления высоких порЮ- ков.спектра, повышения информатив.ности измерений, между входной и выходной щелями установлена по 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 вращения и расположены на одинаковом - , расстоянии от выходнойщели, а угол между нормапями к основным сменным дифракционным решеткам и к любой дополнительной решетке в два раза меньше чем угол, образованный пря- Я мыми, проходящими через центр входной щели, ось вращения решеток и центр соответствукщей дополнительной щели.гтральные измерения в очень широкойобласти спектра. По этим причинамсовременные устройства для,монохрома"тизации СИ должны удовлетворять сле"дующим требованиям: обеспечивать максимальное разрешение и светосилу;диапазон длин волн должен быть мак"симальный направление прямой, соединяющей центры входной щели и решетки,должно оставаться неизменным положение входной щели должно оставатьсянеизменным; направление прямой, соединяющей центры выходной щели и решетки, должны оставаться неизменнымнезависимо от длины волны, положение выходной щели должно оставатьсянеизменным работа (действие). оптической схемы должна обеспечиватьсянаиболее простым механизмом, числодвижущихся и регулируемых частей дом"жно быть минимальным. Большинствоизвестных оптических монтировок не1удовлетворяет требованиям и с трудомможет быть адаптируемо к сверхва"куумным условиям работы с высокойстепенью надежности,Наиболее близким по техническойсущности является устройство длямонохроматизации СИ, включающее источник света, Фокуеирующие зеркала,входную и выходную оптические неподвижные щели, сменные дифракционные,решетки и механизм сканирования спектра путем вращения решетки вокругоси, проходящей через ее вершину. Вэтом устройстве не осуществляетсяточная Фокусировка лучей во всем ра"бочем диапазоне длин волн в лучшемслучае стигматическое изображениеисточника может быть получено лишьдля трех длин волн. При больших углах падения и дифракции астигматизм.вогнутой дифракционной решетки частично компенсируется асферической(тороидальной или эллиптической)формой заготовки, Дефокусировка минимизируется оптимальной длиной входного и выходного плеч для задарпого интервала длин волн, Коррекцияаберраций более высокого порядкаобеспечивается за, счет использованиякриволинейных штрихов с изменяющимся шагом нарезки.Недостатками известного устройства являются: резкое ухудшение разрешаемого интервала длин волн Ь (илиразрешающей способности Р;-И(8 ) внеинтервала длин волн, для которогопроведена оптимизация параметров схе 1108857Изобретение 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 синх ронное излучение (СИ). Преимущест" венная область использования изоб" ретения - это фундаментальные и прикладные исследования по Физике, хи,мии, биологии, основанные на излуче нии взаимодействия электромагнитного излучения с газовой Фазой, с твердыми телами и биологическими материалами, в частности атомная и молекулярная спектроскопия высоковоз" 20 бужденных состояний, включая оптическую и Фотоэлектронную спектроскопию, изучение энергетической зонной струк- туры поверхностей и твердых тел методом Фотоэлектронной спектроскопии25 с угловым разрешением и т,п.Известны устройства монохроматизации СИ, состоящие из входных Фоку сирующих зеркал, расположенных между источником СИ и монохроматором,содержащим входную оптическую щель, диспергирующий элемент (дифракционную решетку) и выходную оптическую щель выходных фокусирующих зеркал, расположенных эа выходной щелью моно хроматора.Известные устройства для монохроматизации СИ имеют ограниченный рабочий интервал длин волн, в котором возможно проведение эксперимента, 40 Поскольку информация об исследуемом . объекте, полученная в различных спектральных интервалах, носит каче" ственно новый характер, то ограничение рабочего интервала длин волн при водит к ограничению информации об объекте исследования. А переход от. одной области спектра (одного устройства для монохроматиэации) к другой (другому устройству для монохромати зации) занимает значительное время, что резко снижает производительность и точность измерений, и в некоторых случаях приводит к изменению свойств исследуемого объекта, 55В то же время преимушества и специфические свойства современных специализированных источников СИ дают уникальную возможность проводить спек3 1108857 4 мы, что приводит к сужению спектраль- монохроматизации СИ ной области работы устройства с за- плоскости, на фиг, данным пределом разрешения, и не ризонтальной плоско обеспечивается подавление высоких по- одной дополнительно рядков спектра, вклад которых соста-ческой щели, вляет507. при переходе в длинновол- Устройство содер новую область рабочего интервала, (синхротрон или нак Высокое содержание высших гармоник цо), фокусирующее з спектра приводит практически к поте- ложенное в канале в ре информации об исследуемом объекте,10 фокусирующие зеркал поскольку выделение их вклада не всег- которых совпадают с да возможно и однозначно можно сде- входное фокусирующе лать, При прочих равных условиях . подвижную входную о уменьшение предела 1 разрешения 3, дополнительную непо возможно только за счет уменьшения 1 щель 8, сменные диф рабочего интервала длин волн устрой- ки 9, дополнительны ства, При практически требуемом в 10,.общую ось 11 вр настоящее время рабочем пределе раэ- неподвижную выходи решения 3, оказывается, что извест, выходное фокуси ное устройство не может обеспечить 20 которое фокусирует монохроматизацию излучения в широкой хроматическое излуч области спектра (от рентгеновской до мый объект 14, Все видимой) с заданным значением 8, . менты, входящие в сЦелью изобретения являются расши- расположены в сверх рение спектральной области работы 2 объеме. Зеркала 3 и устройства с заданным разрешаемым мещаются вдоль оси интервалом длин волн во всем спек- ной к плоскости рис тральном диапазоне, эффективное по- вакуума либо распол давление высоких порядков спектра, рядом друг с другом повышение информативности измерений, шины совпадают с ос 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 мере одна дополнительная неподвижная оптическая щель и по крайней мере одна дополнительная сменная дифракционная решетка под углом к сменным дифракционным ф решеткам, причем вершины всех решеток при их смене совмещены с общей осью вращения и расположены на одинаковом расстоянии от выходной щели,а угол между нормалями к 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 дополнительной щели.На фиг, 1 изображена функциональная оптическая схема устройства для в вертикальной2 - то же, в гости при наличиий входной оптижит источник СИ 1опительное кольеркало 2, распоывода СИ, входныеа 3 и 4, вершиныобщей осью. 5,е зеркало б,нептическую шель 7,движную входнуюракционные решете сменные решеткиащения решеток,ую оптическую щельРующее зеркало 1,3,выходящее моноение на исследуеоптические эле-.остав устройства,высоковакуумном4 линейно пере 5 (перпендикулярункабез нарушения,ожены неподвижнотак, что их верью 5, но плоскостьотражения зеркала 4 в этом случаене совпадает с плоскостью дисперсиисистемы и составляет с ней некоторыйугол. Решетки также выполнены сменными без нарушения вакуума в системе.Их смена и установка в рабочее положение осуществляется либо путем линейного перемещения вдоль оси 11(перпендикулярной к плоскости рисунка), либо путем вращательногодвижения вокруг оси, параллельнойоси 11, но не совпадающей с ней,Причем при смене дифракционных решетоких вершины расположены на одинаковомрасстоянии от центра щели 12 и проходят через ось вращения 11. Совмещение вершин решеток и наличие одной щбщей выходной щели позволяетзафиксировать направление дифрагированных лучей от различных дифракционных решеток,Устройство работает следующим образом.Излучение от источника СИ (.синхротрона или накопительного кольца)направляется фокусирующим зеркалом2 на одно из входных фокусирующихзеркал 3 или 4 устройства в зависимости от того, какое из них пересе108857 Ь 10 15 20 25 5 Г кает пучок СИ, В том случае, когда в пучок СИ введено зеркало 3, дающее , уменьшенное иэображение источника СИ на входной щели 7, в рабочее положение устанавливается решетка 9, которая разлагает входящее излучение в спектр и одновременно фокусирует дифрагированный (монохроматический) пучок, распространяющийся в направлении выходной щели, на вы" ходной щели 1 2, Когда в пучок СИ введено зеркало 4, излучение направляется на фокусирующее зеркало 6, дающее уменьшенное изображение ис- ф точника. СИ на дополнительной входной щели 8, в рабочее положение устанавливается дополнительная решетка 10, которая разлагает входящее излучение в спектр и одновременно фокусирует дифрагированный (монохроматический) пучок, распространяющийся в направлении выходйой щели, на выходной щели 12. Сканирование спектра осуществляется путем вращения рабочей решетки (9 или 1 О) вокруг оси 11. В обоих случаях выходящий из щели 12 расходящийся монохроматический пучок света фокусируется зеркалом 13 на исследуемом образце 14, Для обеспечения сканирования спектра 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 решеткам в два раза мень ше, чем угол, образованный центрами входной щели, осью вращения и центром соответствующей дополнительной щели. В данном устройстве высокоэнер гетический (коротковолновый) предел работы определяется углом отклонения между падающим и дифрагированным лучами, который должен быть тем больше, чем меньше коротковолновая.граница рабочего интервала, и углом падения излучения на зеркала 2, 3 иэ-эа существования критического угла падения для полного внешнего отражения. При заданном угле отклонения рабочий интервал длин волн, в котором разрешаемый интервал длин волн не хуже заданной величины 3 М, определяется в основном расстояниями(плечами) ат вершины решеток до входных и выходной щели. Отсюда следует, что количество дополнительных входных щелей определяется целиком наиболее коротковолновой и наибольшей длинноволновой границами спектра:. которые необходимо монохроматизировать, и заданным (требуемым) пределом разрешения 3,1 . Величины расстояний от вершин решеток до входных ивыходной щелей, углы отклонения,параметры решеток определяются из условий минимума дефокусировки, требуемой разрешающей способности и минимума аберраций в заданном спектральном интервалепутем самосогласованного расчета аппаратных функций устройства, Успешная реализация устройства обеспечивается применениемасферических механически нарезанныхрешеток с переменным шагом и криволинейной формой штриха или голографических с целью минимизации аберра"ций. С целью уменьшения вклада более высоких порядков спектра в выхо"дящее из устройства монохроматическое излучение скользящие углы. падения излучения СИ на зеркала 4, 6 вы"бираются такими, чтобы критическийугол падения излучения на зеркалаприближенно соответствовал полномувнешнему отражению излучения с длиной волны, равной короктоволновойгранице рабочей области спектра длядополнительных решеток,10. Дополнительная фильтрация излучения осуще"ствляется при использовании нарезных решеток из-за изменения. эффективности решетки с длиной волны излучения за счет изменения углов блескарешеток и выбора соответствующего материала покрытия.Описанное устройство по сравнениюс известным позволяет проводить фи"зические измерения в более широкой 45области спектра, при заданном пределе разрешения и большей чистоте (отвклада высших гармоник спектра) монохроматического излучения, с фиксированной точки (площади) поверхностиисследуемого образца, За счет этихпреимуществ достигается соответственно качественно, новая (за счет распирения области спектра) и более определенная и детальная информация (за 55счет уменьшения вклада высших гармоник и сохранения Й во всем интервале длин волн), т.е, повышается информативность измерений,Фф/ ор, С.Титова . Техред Л.Олей орректор ИЯароши дписноеССР аказ 6973/2 Тираж 778 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и о 3035, .Москва, Ж, Раушскмите крыт я на д, 4/5 Производственно-полиграфическое, предприятие, г, Ужгород ул, Проектная,711Устройство позволяет использовать только один канал вывода СИ при проведении исследований в такой же области спектра. При этом в результа-, те:фиксированного направления выходящего монохроматического излучения положение изображения источника (И на объекте исследования остается неизменным и не зависит от длины вол-. ны в широкой области спектра, что позволяет получать информацию с заданной точки на образце с хорошей воспроизводимостью, точностью и минимальным временем перехода от одной области спектра к другой. Этообеспечивает повышение производительности и информативности исследований, Кроме. этого, .решетки имеют один общий простой механизм их вращения при сканировании спектра с од 08857 8ной общей выходной щелью, что упрощает конструкцию, делают ее менееметаллаемкой, сокращает количествооптических элементов, средств откач-ки и электроники, уменьшает стоимость.По отношению к базовому объекту,наряду с повышением информативностиизмерений, упрощением и удешевле 1 п нием конструкции, экономическая эф- .фективность достигается за счет воэ"можности использования одного каналавывода синхротронного излучениявместо двух при применения предлагаемого устройства для монохроматизации, Это позволяет экономить наоборудовании каждого канала, призванного обеспечивать проведение экспериментов в указанной области спектра, примерно от 300 до 500 тыс.руб.