Высоковакуумный монохроматор для синхротронного излучения в ультрамягкой рентгеновской области спектра

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц 4 G 01 N 23/207

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

КТГ 4;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4161729/31-25 (22) 15. 12. 86 (46) 15.06.88. Бюл. У 22 (71) ЛГУ им. А.A.Æäàíoâà (72) А.С. Виноградов, В. Н. Акимов, В.Ф.Вакорин и В.А.Фомичев (53) 621.386 (088.8) (56) Depautex С., Thiry Р., et al.

А new design for high flux graring псidence monochromator for Synchrotron radiation, Nucl. Instrum. and

Methods, 1978, V.152, р.101-102.

Патент США У 4398823, кл. G 01 3 3/12, 1983. (54) ВЫСОКОВАКУУИНЫЙ MOHOXPOMATOP

ДЛЯ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В УЛЬТРАМЯГКОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОЬЛАСТИ CIIEKTPA (57) 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 излуче.80 1402 75 А1 нии 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, 1402875

И.,обретение относится к технике точного спектрального приборостроения.

Цель изобретения — расширение

5 без нарушения вакуума спектральной рабочей области монохрома. тора с за— данНым пределом разрешения во всем спектральном диапазоне, уменьшение уровня фона, обусловленного высшими порядками дифракции, в выходящем монохроматическом излучении с одновременным упрощением конструкции.

На фиг.1 представлена оптическая схема устройства; на фиг.,2 макет высоковакуумного монохроматора, общий вид.

Высоковакуумный монохроматор содержит установленные последовательно входное фокусирующее зеркало 1,вход- 20 ную щель 2, состоящую из плоского зеркала 3 и ножа 4, дифракционные решетки 5, выходную щель б, выходное фокусирующее зеркало 7, 1(инематическая 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. 30

Монохроматор работает следующим образом.

При поступательном (сканирующем)

; перемещении входного зеркала 1 вдоль

I пучка СИ и входной щели 2 вдоль направляющей 8 рычаг 9 одновременно с поступательным перемещением поворачивается вокруг входной щели 2. Это обеспечивается направляющей 10,которая для каждой решетки имеет фиксиро- 40 ванное положение относительно направляющей 8 и при установке решетки другого радиуса кривизны должна быть повернута относительно выходной щели

6 на угол, определяемый условием фо- 45 кусировки, 1 = R sing, (1) где 1 — длина рычага 9;

К вЂ” радиус сферической дифракционной решетки; скользящий угол падения на решетку.

Положения расположенных вне вакуумного объема монохроматора рычага 9 и направляющей 10 относительно направляющей 8 определяют соответственно скользящие углы падения ср и дифракции 7 для излучения, падающего на решетку. Таким образом, при поступательном перемещении входной щели 2 происходит изменение угла дифракции при сохранении постоянным угла падения g и, следовательно, обеспечивается условие передвижения вдоль спектра.

Выражая угол дифракции Q через расстояние L между входной 2 и выходной 3 щелями и угол падения (р, получаем

g = arcsin(L/R)-g, (2) из уравнения

% =(соя -cosg) /гр (3) находим градуировочную кривую моно" хроматора (рабочий порядок дифракции

n = — 1) сo sV- o s far s in (L /R) - Ч1 р где $ — длина волны;

n — порядок дифракции; р — плотность штрихов дифракционное решетки.

Перекрывание всей области ультрамягкого рентгеновского излучения с заданным пределом разрешения осуществляется путем использования в монохроматоре 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. Дифракционштр ная решетка с R=á м и р=1200 — — при мм ширине щелей монохроматора 5 мкм . обеспечивает в области длин волн выше 1,0 нм энергетическое разрешение

hE лучшее 0,9 эВ (1=2,0 нм, hE =

0,2 "В; Oi =3,0 нм, Е=0,1 эВ 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 решетки в высших порядках дифракции, т.е. повышению чистоты выходящего монохроматического излучения.

Для обеспечения перекрывания монохроматором всей области ультрамягкого рентгеновского излучения (h-=1-50 нм) 14028 можно использовать следующие три дифракционные решетки.

Решетка У 1 (R=6026 нм, p=1200 — —, штр угол блеска ) =1 8 ), покрытая золотом для увеличения коэффициентов отражео ния и установленная под углом<р =1 59 к падающему излучению, обеспечивает эффективное разложение в спектр корот l0 коволнового излучения (область концентрации диафрагированного в n = -1 порядке излучения 1,2-3,6 нм) и высокое энергетическое разрешение дЕ=0,60,07 эВ в области концентрации при ширине щелей монохроматора 5 мкм.

Решетка Р 2 (R=2992 мм, р=600 — —, штр мм ,It-1 8, g = 4, Аи-покрытие) имеет о i o область концентрации дифрагированного излучения g =4-12 нм и при ширине щелей монохроматора 5.мкм обеспечивает в этом спектральном интервале энергетическое разрешение 0,2-0,03 эВ.

Решетка и 3 (R=. 1995 мм, р=600 †вЂ, 25 штр 2

Г о

=2 48, Au-покрытие), установленная о < под углом 6 1, дает высокие коэффициенты отражения дифрагированного излучения в области длин волн 1750 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

35 монохроматора энергетическое разрешение АЕ, лучшее 0,6 эВ. При необходимости уменьшить величину hE, т.е. улучшить разрешение, следует ввести еще одну решетку с большими R и р специально для диапазона % =1-2 нм.

В таблице приведены расчетные параметры зеркал М, Мо, М>, используемых в монохроматоре вместе с указанными дифракционными решетками (r и r обозначают меридиональный и сагс гитальный радиусы кривизны) .

Общий вид макета высоковакуумного монохроматора для СИ в ультрамягкой рентгеновской области спектра (PM-СИ)

50 показан на фиг.2. Конструктивно PM-СИ выполнен из стандартных блоков, в которых размещены функциональные элементы оптической схемы.

Неподвижный блок 11 фильтра коротковолнового излучения (на оптической схеме на фиг.1 не показан), установленный на опорной плите (направляющей) 8, соединен пластинчато-сварным

4 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 тоЧностью 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 ( между направлениями движения блока 2 входной щели и блока 5 дифракционной решетки.

На направляющей 10 установлен блок

6 выходной щели, соединенный с блоком

5 дифракционной решетки пластинчатосварным сильфоном. На направляющей 10 закреплен блок 7 выходного фокусирующего зеркала, посредством сильфонов соединенный с блоком 6 выходной щели и разделительной камерой 15.

Прецизионное перемещение подвижных блоков PM — 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 PM-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 цеолитовых и электроразрядных магнитных насосов, а также титановых распылите лей. Блок 5 дифракционных решеток. дополнительно снабжен небольшим электроразрядным титановым насосом 22.

Смена дифракционных решеток производится без нарушения вакуума в монохроматоре. С помощью вакуумного вво14028 да линейного перемещения нужная решетка выводится в рабочее положение. Затем с помощью поворота направляющей

10 вокруг выходной щели устанавлива5 ется необходимый угол скользящего падения (g и при яеобходимости изменяется длина рычага 9. На следующем этапе необходимо соответствующим образом

Оовернуть зеркало 3 входной щели 2 (фиг.1). В положении нулевого порядка ифракции скользящий угол падения <

Излучения на зеркало определяется в1ыражением (((ф + (5)

Последний этап — установка со о тв е тотвующе ro выходи о го фоку с ирующе го з ерзалаа, обеспечивающего сохранение не 1зменным направления выхода пучка мо- 20

Нохроматическо го излучения.

Все операции ос ущес твляются без йарушения вакуума в монохроматоре. контроль качества проведенной перестройки монохроматора легко осуществЛяется путем регистрации нулевого порядка дифракции при пропускании через монохроматор пучка СИ или лазерйого излучения.

Возможность установки дифракцион" алых решеток без нарушения вакуума

1 озволяет использовать монохроматор

Для проведения исследований,с высоким

35 энергетическим разрешением в диапаэойе длин волн 1-50 нм, тогда как в

Лучшем из известных устройств при аналогичном уровне разрешения перекрывается лишь диапазон 1-25 нм.

Покры- Скользящий тие угол падеРадиус кривизны, мм азмеры, мм ния

4 5 б

167х40х15

r, =26370 Ан ческая

Плос3 6 (ре- 35х40х15 шетка М- 1)

4-9,5 (рещетка ¹ 2)

5-9,5 (ре— шетка № 3) кая о

3 (решет- 35 х40 х15 ка ¹ 1) 4 (решетка № 2) М Торои- r„= 8025 Аи дальная г, =22

r„=602 1

7г 6

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 рычаr с основанием для крепления дифракционных решеток, причем рычаг установлен с возможностью вращения вокруг входной щели, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расширения спектральной области работы монохроматора с заданным пределом разрешения во всем спектральном диапазоне без нарушения вакуума, уменьшения в монохроматическом излучении интенсивности фона, обусловленного высшими порядками дифракции при одновременном упрощении конструкции, кинематическая схема сканирования снабжена второй направляющей, шарнирно соединенной с первой и установленной с возможностью вращения вокруг выходной щели, рычаг выполнен переменной длины, а сменные дифракционные решетки объединены. в блок и размещены на полэуне, установленном с возможностью перемещения относительно основания для крепления дифракционных решеток на рычаге.

1402875

Продолжение таблицы

5 6 о

5 (решетка У 3) 1402875

Составитель О.П.Алешко-Ожевский

Редактор Н.Слободяник Техред Л.Сердюкова Корректор В. Бутяга

Заказ 2848/3) Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб ., 4/ 5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4