摘 要:为了使单色仪在极紫外-软X射线波段准确地进行波长扫描,需要对单色仪进行波长标定。单色仪的所有组件都放置在罗兰圆的圆周上,改变出射狭缝在罗兰圆上的位置,在单色仪的出射狭缝处就可以得到相应波长的单色光。通过测量标准He空心阴极光源的发射光谱,对Mcpherson247单色仪进行波长标定,并对实验结果进行了分析,得出在1~100nm波段内单色仪标定精度为±0.017nm~±0.097nm。
1 引 言
随着等离子体物理、空间天体物理、激光受控核聚变、X射线激光技术、材料科学及分子生物学等相关学科的深入研究,极紫外和软X射线光学的研究利用已经成为国际上极其活跃的前沿科学领域。因为其波长比可见光和紫外光短,所以此波段的光射有着独特的特性[1,2]。要想产生单色极紫外-软X射线辐射,最常用的方法之一就是用这个波段的单色仪系统对光辐射进行分光。但是,在利用单色仪进行各种实验前,必须先用标准光源对其进行波长标定,使其能准确地进行波长扫描。本文通过测量标准空心阴极光源的发射光谱,对Mcpherson247单色仪进行波长标定。
2 空心阴极光源的工作原理及其结构
空心阴极光源是一种稳定的气体放电光源,工作气体一般为He、Ne、Ar等,放电区域主要是阴极暗区、负辉区和正柱区。辉光放电时几乎全部电压都加在阴极暗区,电子和离子在这个区域得到加速,获得动能的电子紧接着进入负辉区与离子或原子发生碰撞使之成为激发态,激发态原子或离子跃迁到基态就产生了辉光光谱。正柱区大小由电极间的距离决定,当阴极为圆柱状时,就会环绕阴极筒壁形成环状辉光放电,当辉光放电的负辉区都集中到圆筒的轴线上时,就会发生空心阴极效应,这时,轴线上产生一个公共负辉区,光强和电流突然增加,比一般的辉光放电大几百倍。
实验用的空心阴极光源由筒状阳极、空心阴极和差分室组成。空心阴极由铜钨合金锥形阴极帽和铜阴极座组成,有利于导电和散热;阳极由铝制成,呈筒状;阴极和阳极之间用聚四氟乙烯绝缘;采用双壁水冷方式制冷,结构简图如图1所示。
由美国NIST[3]给出的几种气体的光谱可知:在1~100nm波段内对单色仪进行波长标定,He是最合适的工作气体。因为He的发射光谱是离散的,较强的谱线有三条以上,且彼此之间相距很远,如图2所示。
3 单色仪的原理及其结构
由于极紫外-软X射线极易被介质吸收,因此,极紫外-软X射线范围内的单色仪通常采用掠入射工作方式,用凹面光栅完成分光和聚焦功能,减少光束反射次数,提高信号的传输效率。
凹面光栅的光程方程为[4]
式中ra为入臂长度;rb为出臂长度;R为凹面光栅的曲率半径。α和β是在xy平面上测得的入射角和衍射角,因为它们在光栅平面法线的异侧,所以符号相反,即:0°<α<90°,-90°<β<0°。
求解方程(2),得到
式中d为光栅的刻线密度; m为衍射级次;λ为波长。
把(3′)式代入(5)式得
由(3)式和(7)式可以看出,入射狭缝和出射狭缝位于直径为R的圆周上(即罗兰圆上),通过改变出臂长度rb的大小,在单色仪的出射狭缝处就可以得到相应波长λ的单色光,所以(7)式就是本实验波长标定的理论依据。
3 实验装置
本实验波长标定的单色仪为Mcpherson247单色仪,采用600g/mm凹面光栅,曲率半径为2217.6mm,有效面积为30mm×50mm,闪耀角2°4′,入射角为87°时,波长范围1~100nm。光源为He空心阴极光源,它是一种高稳定性气体放电光源;空心阴极光源工作时,在光源中心部位产生He等离子体,辐射出He的离子和原子线谱。为了获得较强的辐射,本实验选用入射狭缝和出射狭缝宽度均为400μm。此波段的探测器可选用AXUV-100系列Si光电二极管[6]、5900Magnum型通道电子倍增器[7]和光电倍增管(PMT),为了使实验装置简单,本实验选用涂有水杨酸钠的光电倍增器,它的上升时间为1~2ns,加1400V高压,后面直接接示波器即可,如图3所示。
4 单色仪波长标定实验与分析
实验选用的谱线是美国NIST给出的He在极紫外-软X射线波段波长为30.3780nm、53.7030nm、58·4334nm的发射光谱,入射角为87°,则(7)式可简化为
其中,刻线密度d=1/600mm = 1·667×103nm, Mcpher-son247单色仪波长扫描读数(即rb)以英尺为单位,光栅曲率半径R=2217·6mm,把d和R带入(8 )式便求出波长λ对应的出射狭缝的位置(以英尺为单位)。具体步骤如下:利用He空心阴极光源发射的已知谱线30·3780 nm、53·7030nm、58·4334nm,根据(8)式分别计算出三个波长对应的rb理论值为436·75 mm、569·80mm、592·94 mm,仔细调整出射狭缝使其移到大约436·75mm处,再找到光最强时出射狭缝的位置,把扫描波长读数改为17·195英尺,再测量三次30·3780nm的光谱分布来验证其校正情况,把此位置作为参考位置。为了验证单色仪整个工作波段的波长标定情况,再分别测量三次53·7030nm、58·4334 nm的光谱分布。光源电压为1500V、电流400mA,系统的真空度大约4·9999×10-2Pa。图4、图5、图6分别是用校准后的单色仪测量三次的He在30·3780nm、53·7030nm、58·4334nm处的光谱分布,图7是单色仪波长—出射狭缝位置标定曲线.
通过origin软件找到平均测量的峰值分别为30.4nm, 53. 8nm,584·5nm,图7显示了单色仪的波长—出射狭缝位置关系的标定曲线。该误差来源于二个方面单色仪本身的系统误差和光电倍增管的误差;由单色仪波长扫描公式和扫描读数的位数可看出,出射狭缝移动的最小距离是0·05mm,波长变化0·01nm,而NIST给出的数据精确到0·0001nm;另外,光电倍增管的不稳定也会带来一定的误差。由标定结果可见,在此波段内单色仪标定精度为±0·017nm~±0·097nm。
参考文献:
[1] Kirz J, Rarback H. Soft x-ray microscopes[J]. Rev.Sci.Instrum,1985,56:1—13.
[2] Howells M, Kirz J,. Sayre D, et al. Softx-raymicroscopes[J].Phys.Today, 1985,8:22—32.
[3] Sansonetti J E,Martin W C,Young S L.Handbook of basic atomicspectroscopic data(version1. 1) [DB/OL]. http:∥physics. nist.gov/Handbook[Access Date:Oct.,8,2004].National Institute ofStan dards an d Technology,Gaithersburg,MD,2004.
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[5] Namika T J. Theory of the concave Grating.I[J]. Opt Soc Am.Res, 1959,49:446—460.
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[7]尼启良,齐立红,陈波.使用气体靶激光等离子体光源的软X射线反射率计[J].光学精密工程,2004,12(6):576—580.
基金项目:国家自然科学基金项目(60223003)
作者简介:王丽辉(1979-),女,吉林省人,中国科学院光学精密机械与物理研究所博士研究生,从事极紫外-软X射线光学检测研究
E-mail:leaves-wang@tom.com
