Рефлектометр с лазерно-плазменным источником и монохроматором Черни-Тернера

Общее описание

Данный рефлектометр с лазерно-плазменным источником и монохроматором Черни-Тернера предназначен для научно-исследовательских работ по изучению различных спектров в области излучений 5-50 нм, а также для изучения явлений, вызываемых рентгеновским излучением в той же области длин волн. В частности, основные задачи эксплуатации связаны с аттестацией рентгенооптических элементов (многослойные рентгеновские зеркала, многослойные тонкопленочные фильтры). Рефлектометр может эксплуатироваться при температурах 18-30℃ и относительной влажности до 80 %.

Внешний вид рефлектометра с лазерно-плазменным источником и монохроматором Черни-Тернера

Технические характеристики

Область анализируемых длин волн, нм	5-50
Разрешающая способность, нм	не хуже 0.03
Источник излучения	Лазерно-плазменный
Детектор излучения ВЭУ	Шевронная сборка микроканальных пластин (МКП) с фотокатодом CsI
Толщина слоя CsI, нм	100
Давление в объеме камеры монохроматора, мм рт. ст.	Не хуже 1⸱10-6
Давление в объеме камеры гониометра, мм рт. ст.	Не хуже 1⸱10-6
Источник лазерного излучения	Nd: YAG-лазер Expla NL-300, λ = 1.06 мкм, энергия импульса 0.5 Дж, длительность импульсов 4 нс, частота следования импульсов 10 Гц

Основные компоненты устройства: лазерно-плазменный источник (ЛПИ) мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения; спектрометр/монохроматор Черни-Тернера (СМЧТ) с плоской дифракционной решеткой (ПДР); система формирования зондирующего пучка (СФЗП); гониометра (Г); системы вакуумной откачки и автоматизации процессов управления.

Схема рефлектометра с лазерно-плазменным источником и монохроматором Черни-Тернера

Работа устройства заключается в следующем. Излучение Nd: YAG-лазера (Expla NL-300, λ = 1.06 мкм, энергия импульса 0.5 Дж, длительность 4 нс, частота следования импульсов 10 Гц), работающего в режиме с модуляцией добротности с использованием короткофокусной линзы Л (фокусное расстояние 45 мм) фокусируется на мишени в пятно диаметром около 100 мкм (плотность мощности ~ 10¹² Вт/см²). Средняя энергия лазерного импульса контролируется с помощью термоэлектрического калориметра (К), который принимает часть излучения, отраженного от разделительной пластины (РП). Призма (П) перенаправляет лазерный луч в целевую камеру. Излучение вводится в камеру источника излучения через оптический ввод (ОВ) в вакуум. Кварцевая пластина (КП) защищает линзу от загрязнения продуктами эрозии мишени.

Излучение, исходящее от плазменного факела, попадает на входную щель Щ₁ спектрометра/монохроматора. Монохроматический зондирующий луч поступает в камеру СФЗП для формирования и контроля интенсивности зондирующего луча. Интенсивность зондирующего луча контролируется с помощью детектора-монитора (Moн), установленного между выходной щелью (Щ₂) и тороидальным зеркалом (ТЗ). Тороидальное зеркало образует зондирующий пучок заданного размера на исследуемом образце. Сагиттальный и меридиональный радиусы ТЗ выбраны таким образом, чтобы ТЗ формировало изображение источника излучения в вертикальной плоскости и выходной щели Щ₂ в горизонтальной плоскости. Поскольку положение щелей и источника излучения не изменяется во время сканирования по спектру, геометрические характеристики зондирующего пучка на образце не зависят от длины волны. Угол падения излучения на ТЗ фиксирован и составляет 1.5°. Золото было выбрано в качестве покрытия ТЗ со средним коэффициентом отражения во всем рабочем диапазоне 80 %.

Отдельно стоящий тонкопленочный абсорбционный фильтр (Ф) используется для подавления высоких гармоник (по крайней мере, очень эффективной второй гармоники) дифракционной решетки.

Зондирующий пучок, отраженный от ТЗ и прошедший через Ф, фокусируется в центр гониометра, на котором установлен исследуемый образец. Поскольку большинство образцов имеют изогнутую форму отражающей поверхности, а числовая апертура может достигать NA = 0.5, гониометр имеет 7 степеней свободы (пять для образца и два для детектора, обеспечивающие позиционирование любой точки по оси гониометра и ориентацию вдоль оси пучка. Рефлектометр обеспечивает все необходимые виды исследований: спектральные зависимости коэффициентов отражения и пропускания при фиксированном положении образца; измерение угловых зависимостей коэффициентов отражения в любой точке образца.

Принцип работы спектрометра-монохроматора

При разработке спектрометра-монохроматора рентгеновского излучения выбрана схема Черни-Тернера с двумя коллимирующими зеркалами и плоской дифракционной решеткой. Принцип работы спектрометра-монохроматора заключается в следующем. Входная Щ₁ и выходная Щ₂ щели располагаются в меридиональных фокусах зеркал З₁ и З₂, соответственно. Вышедший из щели расходящийся пучок излучения зеркалом З₁ преобразуется в параллельный, падающий под углом a (здесь и в дальнейшем скользящие углы) на плоскую дифракционную решетку. Дифрагированные параллельные монохроматические пучки падают на зеркало З₂ и фокусируются в его фокальной плоскости. Дифрагированный под углом b пучок фокусируется на выходной щели Щ₂. Углы падения пучков на зеркала в нашем случае равны g₁ = g₂. В этом случае оси падающего и вышедшего из монохроматора пучков совпадают, что позволяет изменять рабочий диапазон длин волн без изменения взаимного положения элементов рефлектометра

Сканирование по спектру осуществляется поворотом решетки, в соответствии с уравнением дифракционной решетки:

где m – порядок дифракции, l - длина волны и D – период решетки, и углы падения и дифракции, соответственно.

Для практической реализации такого вращения применяется система шарнира и рычага. Там же приведены формулы соответствия линейного перемещения толкателя рычага и фактического угла поворота дифракционной решетки.

Система шарнира и рычага для поворота дифракционной решетки