Элтон Р. Рентгеновские лазеры

Подождите немного. Документ загружается.

Принципы

коротковолновых лазеров

101

Рис.

30.

Свободновисящая зонная пластинка Френеля [98].

6.1.3а.

Микроскоп Киркпатприка

—

Баеза. Киркпатрик

Баез

[102]

1948

г. в

основном решили проблему астигматизма

помо-

щью двух скрещенных зеркал

для

фокусировки

по

двум измерени-

ям.

Эта

схема приводится

на

рис. 31.

Проблема шероховатостей

также была

основном решена. Сейчас для таких материалов,

как

кварц, углерод, безэлектродный никель, кристаллический кремний

др.

[ЮЗ] получаются поверхности

со

среднеквадратичной шеро-

ховатостью менее

10А.

Микроскоп Киркпатрика

—

Баеза обычно

имеет увеличение

от

трех

до

пяти

раз и

работает

диапазоне энер-

гий фотонов

от 200 эВ до 4,5 кэВ

(длины волн

от 2,8 до

62А).

102

Глава 2

•2

Рис. 31. Микроскоп Киркпатрика — Баеза

[102].

Эти приборы в основном использовались в микроскопии, где

было получено разрешение ~ 1 мкм. В последние годы они нахо-

дят применение в области рентгеновской диагностики плазмы ла-

зерного испарения малых мишеней

[103].

Основным недостатком

таких приборов является малый приемный телесный угол (менее

10""

стерадиан при диагностике плазмы). Однако они могут ока-

заться полезными для рентгеновских лазеров, излучение которых

заключено в телесных углах порядка 10~"

стерадиан. Применение

зеркал с многослойными покрытиями (см. п. 2.3.2 гл. 1) должно

увеличить возможности схемы Киркпатрика — Баеза

[103].

6.1.36.

Микроскоп Вольтера. Большие телесные приемные углы

имеют микроскопы Вольтера

[103].

Эти приборы используют осе-

симметричные зеркала, составленные из поверхностей вращения.

В схеме, показанной на рис. 32 и 33, гиперболоид и эллипсоид

вращения имеют общий фокус. Увеличенное изображение объек-

та, расположенного во втором фокусе гиперболоида, находится во

втором фокусе эллипсоида. На практике эти приборы имеют уз-

кую и длинную форму. Требования к шероховатостям здесь такие

же,

как и для системы Киркпатрика — Баеза, но на значитель-

но большей площади. Были достигнуты увеличения до 22 раз и

Принципы

коротковолновых лазеров

103

Рис.

32.

Осесимметричный гиперболо-эллиптический микроскоп

Вольтера

[103].

1 —

мнимое изображение:

2 —

эллипсоид;

3 — ги-

перболоид;

4 —

изображение;

— фотопленка;

—

фильтр рентге-

новского излучения;

7 —

экран;

8 —

апертурная диафрагма;

9 —

объект.

Рис.

33.

Схема спектрографа

пропускающей решеткой

фото-

графической регистрацией, сопряженного

микроскопом Вольтера

[108].

—

анод рентгеновской трубки; 2 — объект;

3—

электронный

пучок;

4 —

гиперболоид;

5 —

эллипсоид;

—

1-й

порядок дифрак-

ции;

—

0-й

порядок дифракции;

—

пропускающая решетка.

разрешение порядка

4-5 мкм

[103].

Микроскопы Вольтера,

как из-

вестно, очень сложны

изготовлении

дороги

проектировании,

по сравнению

камерами-обскурами

микроскопами Киркпатри-

ка

—

Баеза

[104]:

104

Глава 2

С.2. Рентгеновские и ультрафиолетовые спектрографы с

дифракционными решетками

6.2.1. Нормальное падение

6.2.1а.

Отражающие решетки. В диапазоне длин волн примерно

300-1 ООО А спектральное разложение излучения осуществляется с

помощью дифракционных решеток при падении светового пучка

под углом к поверхности, близким к нормальному. Чтобы избе-

жать дополнительных потерь, в спектрографе используется един-

ственный оптический элемент — ре.. тка. Поэтому обычно при-

меняют вогнутые сферические решетки, которые дают изображе-

ние входной щели на фокальной поверхности. Различные схемы

спектрографов подробно обсуждаются в книге

[105].

Характери-

стики нарезных вогнутых дифракционных решеток также описа-

ны в этой книге и в недавно опубликованной работе

[106].

Штрихи

решеток обычно нарезаны под определенным углом, чтобы выпол-

нялось условие блеска. Благодаря этому происходит преимуще-

ственное отражение излучения в определенный порядок и диапа-

зон длин волн. Помимо улучшения общей эффективности, исполь-

зование отражения под углом блеска часто позволяет уменьшить

нежелательное излучение других порядков.

Недавно стали доступны голографические решетки, способные

заменять нарезанные алмазным резцом

[107].

Стало возможным

получение спектров более высокого качества благодаря уменьше-

нию рассеяния и аберраций. Обычно в голографических решетках

штрихи имеют синусоидальную или по крайней мере симметрич-

ную форму. Условие блеска, таким образом, не выполняется. В

настоящее время существуют способы изготовления голографиче-

ских решеток с профилированным штрихом для получения блес-

ка. Однако штрихи еще не имеют точно треугольную форму, как

хотелось бы.

Эффективность решеток нормального падения зависит от на-

резки штрихов и блеска, а также от коэффициента отражения по-

верхности, который аналогичен коэффициентам отражений зер-

кал и многослойных покрытий, рассмотренных ранее в разд. 2.3

гл.

1. При нанесении покрытия на решетку нужно соблюдать боль-

шую осторожность, в особенности при изготовлении реплик

[107].

6.2.16.

Пропускающие решетки. Пропускающие решетки

[108],

образованные из микроскопической сетки линий, вырезанных в

тонкой пленке, уступают по апертуре и сложности юстировки ре-

шеткам скользящего падения (см. рис. 33). Кроме того, из-за

малой ширины заштрихованной области пропускающие решетки

Принципы

коротковолновых лазеров

105

имеют ограниченное разрешение.

настоящее время разрешение

таких решеток

мягкой рентгеновской области составляет при-

близительно

2А, что

можно сравнить

типичным разрешением

Ο,ΟΐΑ хорошего спектрографа скользящего падения

нарезной ре-

шеткой. Однако часто высокое разрешение

не

требуется. Кроме

того,

линии рентгеновского лазера могут быть очень интенсивны.

Поэтому пропускающие решетки могут оказаться полезными

при

изучении рентгеновских лазеров.

6.2.2. Скользящее падение

В более коротковолновом диапазоне 5-300А обычно еще использу-

ются вогнутые решетки.

этих приборах решетка ориентирова-

на

так, что

падающий

луч

составляет

нарезанной поверхностью

угол

несколько градусов.

Для

углов, меньших критического

для

границы раздела между поверхностью

вакуумом, коэффициент

отражения может быть достаточно высоким

для

длин волн, пре-

вышающих значение, соответствующее этому критическому углу.

Приборы скользящего падения обладают большим астигматизмом

и трудны

юстировке

работе. Астигматизм иногда компенси-

руют

для

определенного участка спектра дополнительным цилин-

дрическим или тороидальным собирающим зеркалом, расположен-

ным перед входной апертурой. Полное описание рентгеновских

спектрографов скользящего падения можно найти

книге

[105].

Со временем они, видимо, будут заменены решетками

многослой-

ными покрытиями

(см. п.

2.3.2

гл. 1), по

крайней мере

длинно-

волновом диапазоне.

Часто важно иметь пространственное разрешение излучения

от источника, например чтобы выделить нужную область излуче-

ния. Наиболее просто

это

осуществить

широкой области спектра

с помощью дополнительной щели, расположенной перпендикуляр-

но спектральной щели.

Эта

дополнительная щель создает изобра-

жение источника

спектральной линии подобно камере-обскуре

(см.

выше).

Для

кристаллического спектрографа такая установка

показана

на

рис.

34, и она

будет рассмотрена позже. Недостатком

этого метода являются большие потери чувствительности прибора

из-за сильного уменьшения приемного телесного угла.

При

боль-

шом усилении

соответственно интенсивных лазерных линиях

проблем

не

возникает. Однако

при

изучении плотности заселенно-

сти

инверсии

со

спонтанным излучением этот недостаток может

играть серьезную роль. Этих потерь чувствительности можно

из-

бежать

помощью фокусирующего зеркала,

как

рассматривалось

106

Глава 2

Рис. 34. Рентгеновский спектрограф на плоском кристалле с про-

странственным разрешением. В качестве точечного источника ис-

пользуется лазерная плазма

[119].

1 — плазма; 2— щель; 3— спектр

с пространственным разрешением; 4 — фотопленка; 5 — брэггов-

ское отражение рентгеновских лучей; 6 — кристалл.

выше. Таким образом, выигрыш в чувствительности системы ре-

гистрации достигается за счет ширины полосы, и наоборот.

6.2.3. Решетки с переменным шагом

У традиционных решеток, рассмотренных выше, штрихи на плос-

кой или вогнутой поверхности расположены равномерно. Они из-

готовляются механическим или голографическим способом.

Относительно недавно в результате усовершенствования техно-

логии стали появляться решетки с переменным шагом, у которых

расстояние между штрихами плавно меняется вдоль нарезанной

поверхности. Обзор развития этой концепции с 1875 г. дан в ра-

боте

[109].

Благодаря значительным успехам в технологии, достиг-

нутым в течение последних десяти лет, такие решетки нашли ши-

рокое практическое применение [110-112]. Используя нарезную

машину с числовым программным управлением, возможно изго-

товлять вогнутые решетки со скорректированными аберрациями.

Такие решетки использовались в области вакуумного ультрафио-

лета в спектрографе Сейа — Намиока

[110].

Обычно в этой схеме

имеется значительная кома при больших углах падения и дифрак-

Принципы

коротковолновых лазеров

107

ции.

помощью решеток

переменным шагом

эта

схема была

распространена

на

область скользящего падения,

где

аберрации

еще более сильные.

В такой схеме скользящего падения расстояния между штри-

хами выбираются

так,

чтобы минимизировать дефокусировку

на

неподвижном детекторе

при

вращении решетки вокруг

ее оси для

сканирования длин волн.

спектрографе

такой решеткой вход-

ная щель остается неподвижной [111, 113],

что

очень желательно

при работе

неподвижным источником излучения. Кроме того,

этом спектрографе фокальная поверхность является почти плос-

кой

ориентирована перпендикулярно дифрагированным лучам.

Это также представляет собой преимущество

при

сопряжении

плоской приемной частью детектора, каким является катод рент-

геновской штрейк-камеры.

Эта

схема может использоваться

для

монохроматора.

Работа спектрографа скользящего падения

плоской решет-

кой

переменным шагом штриха

собирающим зеркалом недав-

но была проверена экспериментально

[114].

На

длине волны

16θΑ

было получено разрешение

Α/Δλ =

35000,

что

эквивалентно

5 мА

и представляет собой примерно десятикратное улучшение разре-

шения

по

сравнению

полученным ранее

вогнутой решеткой

при скользящем падении. Решетки

переменным шагом могут

оказаться очень полезными, например,

для

разрешения ширины

линии рентгеновского лазера, описанного

разд.

2 гл. 3.

6.3.

Кристаллический спектрограф

Метод брэгговской кристаллической спектроскопии

[115]

обычно

применяется

жесткой рентгеновской области. Однако

она мо-

жет быть использована

хорошим разрешением

и для

МР-области

с длиной волны

до 25А, а с

кристаллами стеаратов вплоть

до 100А с

несколько меньшим разрешением

[116].

помощью многослойных

покрытий

(см. п.

2.3.2

гл. 1)

можно работать

и в

более длиновол-

новом диапазоне

при

высоком отражении [117, 118].

Эффективное отражение

при

заданной длине волны

имеет

место

при

падении под брэгговским углом θ в, определяемым соот-

ношением:

2dBsin0£,

(57)

где

пв —

порядок дифракции,

а άβ —

период кристаллической

решетки.

Это

может выполняться

для

длин волн,

не

превышаю-

щих 2d в- Существуют схемы спектрографов

плоскими

изо-

гнутыми кристаллами,

входной щелью

или

просто источником

108

Глава 2

излучения. Последняя схема существенно чувствительнее схемы

с входной щелью, учитывая отсутствие доступной фокусирующей

оптики. Для получения спектров в широком интервале длин волн

используются изогнутые кристаллы, так что угол вв изменяется в

широких пределах вдоль кристаллической поверхности. В проти-

воположность случаю спектрографов скользящего падения требо-

вания к юстировке кристаллических спектрографов значительно

ниже. Поскольку на поверхности кристалла отражение падаю-

щего луча происходит зеркальным образом, на детектор может

попасть и постороннее излучение, поэтому бывает необходим до-

полнительный фильтр. Пространственное разрешение можно по-

лучить с помощью дополнительной щели, как показано на рис. 34

[119].

6.4. Приемники рентгеновского излучения

6.4-1-

Пассивные приемники

6.4- 1а. Фотопленка. Для ВУФ- и MP-областей спектра имеются

чувствительные фотоэмульсии, не содержащие желатина. Они ис-

пользуются для регистрации изображений и спектров. На рис. 35

показана зависимость плотности почернения от экспозиции [120]

для известной шумановской эмульсии «Кодак 101» при энергии

фотона 525 эВ (длина волны 24А). Такие фотопленки (или фото-

пластинки) требуют очень осторожного обращения. Как видно из

рисунка, насыщение происходит при плотности почернения ~ 2.

В настоящее время появились более зернистые и более чувстви-

тельные эмульсии с диапазоном линейности до плотности почерне-

ния > 3. В основе этих пленок используется очень чувствительная

эмульсия (ASA от 100 до 3200) «Кодак Т-МАХ» без желатинового

покрытия.

6.4-16.

Фоторезисты. Другим видом пассивных приемников из-

лучения являются фоторезисты, такие, как полиметилметакрилат

(ПММА)

[121].

Это вещество является органическим полимером,

при облучении которого происходит разрыв молекулярных цепо-

чек. Для этого требуется экспозиция ~ 1 Дж/см

, что примерно

в 10

раз больше, чем требуется для получения плотности почер-

нения порядка единицы на фотопленке (см. рис. 35). Этот не-

достаток по чувствительности компенсируется пространственным

разрешением ~ 5θΑ (например, для ПММА) в отличие от разреше-

ния ~ 10 мкм (10

А) фотопленки типа «Кодак 101». Поэтому для

литографии и микроскопии биологических объектов, когда жела-

Принципы

коротковолновых лазеров

109

0,1

1 ю

I, фотон/мкм

Рис.

35.

Плотность почернения

зависимости

от

экспозиции

для

фотопленки типа «Кодак 101-07» при энергии фотонов 525 эВ. Точ-

ки

—

экспериментальные данные; гладкая кривая —расчетные зна-

чения

[120].

тельно иметь высокое разрешение, необходимо применять фоторе-

зист

источники высокой интенсивности, какими обещают стать

рентгеновские лазеры.

6.4-2. Активные приемники

Активные приемники, такие,

как

фотоумножители

микрока-

нальные пластины, фотодиоды, ионизационные камеры, ПЗС

по-

лупроводниковые приемники, имеют различную чувствительность

к рентгеновскому излучению. Некоторые

из них

имеют усиление

до

~ 10

раз. Они

реагируют либо непосредственно

на

рентгенов-

ское излучение, либо

на

флуоресценцию сцинтиллятора, который

преобразует рентгеновское излучение

видимое. Такие приемни-

ки позволяют получить высокое временное разрешение, чему

по-

священ следующий раздел.

по

Глава 2

6.5.

Временное разрешение

Часто в исследованиях по рентгеновским лазерам бывает важно

иметь временное разрешение. Это необходимо для того, чтобы

определить момент возникновения генерации во время импульса

накачки и ее длительность и, следовательно, пиковую мощность.

Детекторы с временным разрешением могут использоваться в со-

вокупности со спектральными приборами, описанными выше, за

выходной щелью. Таким образом можно измерить интенсивность

излучения в определенном спектральном диапазоне как функцию

времени.

6.5.1. Фотопленка с затвором

Когда не требуется временного разрешения лучше 1 мкс, то можно

использовать фотопленку вместе с быстрым затвором. Такие за-

творы должны быть, однако, синхронизованы с исследуемым им-

пульсом.

6.5.2. Сцинтилляторы

Для времен более 1 не очень удобны сцинтилляторы в комбинации

с активными детекторами, рассмотренными ранее. Они особенно

полезны, когда остаточное давление в рабочей камере недостаточ-

но низкое, чтобы можно было работать с активным детектором без

изолирующей оболочки при высоком напряжении. Сцинтиллято-

ры преобразуют рентгеновское излучение с большой энергией фо-

тонов в видимое или ближнее ультрафиолетовое, которое пропус-

кается окнами. Некоторые популярные сцинтилляторы, их вре-

менные характеристики и относительные чувствительности при-

водятся в табл. 7.

Активные детекторы, перечисленные выше и часто использу-

емые вместе с сцинтилляторами, имеют собственное разрешение

порядка десятых наносекунды, что существенно лучше времен-

ного разрешения сцинтилляторов. Поэтому временное разреше-

ние детектора сосцинтиллятсром определяется характеристиками

сцинтиллятора. Более высокое разрешение можно получить при

использовании детектора непосредственно, без преобразования из-

лучения в видимый диапазон.

6.5.3. Микроканальные пластины (МКП)

6.5.3а.

Устройство и принцип действия. Микроканальная пла-

стина (МКП), которую также называют многоканальным элек-