Устройство для получения изображений плазменного объекта в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом спектральных диапазонах со спектральным, пространственным и временным разрешениями одновременно

Изобретение относится к области диагностики плазмы и касается устройства для получения спектральных изображений плазменного объекта в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом спектральных диапазонах. Устройство содержит щелевую маску, дифракционную решетку, микроканальный детектор и оптически связанное с микроканальным детектором средство для регистрации изображений. Щели щелевой маски находятся на равных расстояниях друг от друга и перпендикулярны штрихам пропускающей дифракционной решетки. В качестве микроканального детектора используется многополосковый или четырехсекторный микроканальный детектор. Количество щелей равно количеству полосков многополоскового микроканального детектора или двум в случае, если используется четырехсекторный микроканальный детектор. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения спектральных изображений плазменного объекта одновременно с пространственным и временным разрешением. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области диагностики плазмы и предназначено для исследования излучения лазерной и электроразрядной плазмы в мягком рентгеновском (далее - MP) и экстремальном ультрафиолетовом (далее - ЭУФ) спектральных диапазонах.

Известно устройство для получения спектральных изображений плазменного объекта в MP спектральном диапазоне, содержащее расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры, пропускающую дифракционную решетку и микроканальный детектор, и оптически связанное с микроканальным детектором средство для регистрации спектральных изображений на основе ПЗС-матрицы (см. статью Т. Wilhein et al «А slit grating spectrograph for quantitative soft x-ray spectroscopy)), The Review of scientific instruments, March 1999, Vol.70, №3, pp.1694-1699 [1]).

Недостаток известного устройства состоит в том, что с его помощью можно получать изображения плазменного объекта лишь со спектральным разрешением, что ограничивает область применения устройства.

Раскрытое в [1] устройство принято в качестве ближайшего аналога заявленного устройства.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании устройства для получения изображений плазменного объекта в MP спектральном диапазоне (а также ЭУФ спектральном диапазоне), имеющего широкую область применения.

При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности получения изображений плазменного объекта со спектральным, пространственным и временным разрешениями одновременно.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания устройства для получения спектральных изображений плазменного объекта (далее - ПО) в MP и ЭУФ спектральных диапазонах, содержащего расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры, пропускающую дифракционную решетку (далее - ПДР) и микроканальный детектор (далее - МКД), и оптически связанное с МКД средство для регистрации изображений. Устройство снабжено щелевой маской, расположенной, с прохождением упомянутой оси через ее центр, перед упомянутой ПДР, таким образом, что ее щели, находящиеся на равных расстояниях друг от друга, перпендикулярны штрихам упомянутой ПДР, в качестве упомянутого МКД выбран многополосковый или четырехсекторный МКД. Количество упомянутых щелей равно количеству полосков многополоскового МКД или двум, в случае, если выбран четырехсекторный МКД. Рабочая длина ПДР выбрана из соотношения:

где D - рабочий характеристический размер МКД,

а - расстояние от ПО до ПДР,

b - расстояние от ПДР до МКД.

В частном варианте выполнения устройство расположено внутри сборного корпуса, образующего вакуумный канал.

В предпочтительном варианте выполнения на участке сборного корпуса между упомянутой пропускающей дифракционной решеткой и упомянутым микроканальным детектором использовано гибкое соединение.

На фиг.1 показано схематичное изображение заявленного устройства, в состав которого входит многополосковый МКД.

На фиг.2 показано схематичное изображение заявленного устройства, в состав которого входит четырехсекторный МКД.

Устройство для получения изображений плазменного объекта в MP и ЭУФ спектральных диапазонах, показанное на фиг.1 и фиг.2, содержит расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры (которая также проходит через центр ПО 1), щелевую маску 2, предназначенную для пространственного разделения потока излучения от ПО 1, ПДР 3 и МКД 4.

Заявленное устройство расположено внутри сборного корпуса (не показан) с необходимыми разъемами для подведения питающего напряжения, который образует вакуумной канал, сообщенный с вакуумной камерой, в которой расположен ПО 1.

Устройство также содержит оптически связанное с МКД 4 средство для регистрации изображений (условно не показано), расположенное вне вакуумного канала. В частности, в одном из вариантов выполнения, МКД 4 может иметь выход на волоконно-оптическую пластину с нанесенным на нее слоем люминофора, обеспечивающим преобразование MP или ЭУФ излучения в видимое излучение, а средство для регистрации изображений может быть выполнено в виде цифровой фотокамеры. В другом варианте выполнения вместо цифровой фотокамеры может быть использован световод с непосредственным выходом на оптический вход компьютерной системы.

В качестве МКД 4 выбран показанный на фиг.1 многополосковый или показанный на фиг.2 четырехсекторный МКД 4.

Щелевая маска 2 и ПДР 3 взаимно расположены таким образом, что щели щелевой маски 2, находящиеся на равных расстояниях друг от друга, перпендикулярны штрихам ПДР 3, что позволяет получить пространственное разрешение в направлении, перпендикулярном спектральной дисперсии, сразу во всем спектральном диапазоне.

Количество щелей равно количеству полосков многополоскового МКД 4 или двум, в случае, если выбран четырехсекторный МКД 4.

Рабочая длина ПДР 3 подбирается таким образом, чтобы реализовывалось правило «подобных треугольников», т.е. отношение рабочей длины ПДР 3 (т.е. длины вдоль штрихов, обеспечивающих спектральную дисперсию), к требуемому расстоянию от ПО 1 до ПДР 3 должно быть равно отношению рабочего характеристического размера МКД 4, в частности, диаметра микроканальной пластины (далее - МКП), к требуемому расстоянию от ПО 1 до МКД 4.

Таким образом, рабочая длина ПДР выбрана из соотношения:

где D - рабочий характеристический размер МКД,

а - расстояние от ПО до ПДР,

b - расстояние от ПДР до МКД.

Например, в случае использования промышленно выпускаемого МКД с диаметром МКП, равным 46 мм, при отношении расстояния от ПО до ПДР (а) к расстоянию от ПДР до МКП (b), равном ½, разумно применить ПДР с длиной равной 20-23 мм.

Щели щелевой маски 2 выполняют в непрозрачном для MP и ЭУФ излучения шаблоне, а расстояние между щелями и расстояния аи b подбирают таким образом, чтобы воображаемые прямые линии, проходящие через соответствующие центры полосков (или середины разделительных нерабочих зон между соседними секторами, на которых излучение, прошедшее через одну щель, разворачивается в спектр), и соответствующие щели, сходились в одной точке, в которую и помещается центр исследуемого ПО 1. При этом эти воображаемые линии должны также проходить и через рабочую область ПДР 3.

Многополосковый (от англ. «multistrip») МКД (см., например, продукцию компании Kentech Instruments Ltd, Великобритания, http://www.kentech.co.uk/index.html?/&2 [2], или продукцию компании ООО «РнД-ИСАН», Россия, http://www.rnd-isan.ru/pribory/mkp-detektory [3]) представляет собой детектор, в котором, как правило, круглая входная МКП разделена на несколько горизонтальных полосков, к каждому из которых подводится независимое электрическое питание, и активироваться эти полоски могут в различные временные интервалы, определяемые заранее установленной электрической задержкой, что обеспечивает временное разрешение устройства. Четырехсекторный МКД (см., например, [3]) выполнен аналогичным образом, с отличием в том, что входная МКП разделена на четыре равных отдельных сектора, которые также могут активироваться с установленной задержкой (см. поз.5).

В предпочтительном варианте на участке сборного корпуса между ПДР 3 и МКД 4 может быть использовано гибкое (сильфонное) соединение. Это дает возможность, при желании, смещать изображение нулевого порядка ПДР 3 на полосках МКД 4 в сторону от их центров, за счет чего можно расширить спектральный диапазон регистрируемого излучения в сторону больших длин волн, а в случае использования четырехсекторного МКД 4 упростить смещение изображения нулевого порядка из разделительной нерабочей зоны между соседними секторами.

Устройство используют следующим образом.

Как известно, в общем случае ПДР 3 представляет собой периодическую структуру свободно подвешенных тонких проволочек, заполняющих узкую щель (см., в частности, Диагностика плотной плазмы под ред. Н.Г. Басова, Москва, «Наука», 1989, стр. 162-165).

Проходя сквозь такую структуру, излучение в результате дифракции разлагается по спектру в двух одинаковых и симметрично расположенных по отношению к нулевому порядку дифракции «крыльях».

Каждая спектральная развертка, полученная при прохождении излучения через щель щелевой маски 2 и соответствующий ей участок ПДР 3, будет попадать на соответствующий полосок МКП МКД 4. Таким образом, при активации полосков МКП в различные заданные моменты времени, мы сможем получить спектральные развертки излучения с пространственным разрешением и при этом получить столько разрешенных по времени спектральных разверток за одну плазменную вспышку, сколько полосков включает в себя МКП.

В случае использования четырехсекторного МКД 4, в частности, при вертикальном расположении штрихов ПДР 3 и горизонтальном щелей щелевой маски 2, каждой щели будут соответствовать два соседних расположенных по горизонтали сектора МКП. Таким образом, если ориентировать нулевой порядок ПДР 3 в промежуток между соседними расположенных по горизонтали секторами, то на каждом из них можно зарегистрировать свой спектр в отдельный момент времени.

Заявленное устройство позволяет получить спектральные изображения плазменного объекта одновременно с пространственным и временным разрешением, что актуально для исследования излучения от протяженного плазменного объекта с выделенной осью симметрии (например, Х- или Z-пинча), в случае, когда требуется раскрыть динамику процессов плазмообразования.

1. Устройство для получения спектральных изображений плазменного объекта в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом спектральных диапазонах, содержащее расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры, пропускающую дифракционную решетку, и микроканальный детектор, и оптически связанное с микроканальным детектором средство для регистрации изображений, отличающееся тем, что оно снабжено щелевой маской, расположенной с прохождением упомянутой оси через ее центр перед упомянутой пропускающей дифракционной решеткой таким образом, что ее щели, находящиеся на равных расстояниях друг от друга, перпендикулярны штрихам упомянутой пропускающей дифракционной решетки, в качестве упомянутого микроканального детектора выбран многополосковый или четырехсекторный микроканальный детектор, количество упомянутых щелей равно количеству полосков многополоскового микроканального детектора или двум в случае, если выбран четырехсекторный микроканальный детектор, а рабочая длина пропускающей дифракционной решетки выбрана из соотношения:

,

где D - рабочий характеристический размер микроканального детектора,

а - расстояние от плазменного объекта до пропускающей дифракционной решетки,

b - расстояние от пропускающей дифракционной решетки до микроканального детектора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно расположено внутри сборного корпуса, образующего вакуумный канал.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что на участке сборного корпуса между упомянутой пропускающей дифракционной решеткой и упомянутым микроканальным детектором использовано гибкое соединение.