ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 77-86
УДК 535.313.376.5
ПРОЕКТ РЕФЛЕКТОМЕТРА МР- И ЭУФ-ДИАПАЗОНОВ С МОНОХРОМАТОРОМ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ И ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ БОЛЬШОЙ ЯРКОСТИ
© 2015 г. В. О. Догадин1, 2, С. Ю. Зуев1, Н. Н. Салащенко1, Н. И. Чхало1, *, А. В. Щербаков1
Институт физики микроструктур РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия 2Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия *Е-таИ: chkhalo@ipm.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 10.09.2014 г.
Описывается проект рефлектометра для изучения коэффициентов отражения и прохождения элементов рентгеновской оптики в диапазоне длин волн 1—25 нм. Для монохроматизации излучения используется спектрометр Черни—Тюрнера с плоской дифракционной решеткой и параболическими коллиматорами. Для обеспечения необходимых геометрических характеристик монохроматического пучка зонда используется тороидальное зеркало. Источником рентгеновского излучения является лазерная плазма. Ожидаемая средняя спектральная мощность излучения на исследуемом образце в спектральной полосе 0.1 нм по порядку величины составляет 107 фотон/с. Гониометр обеспечивает пять степеней свободы образца диаметром до 500 мм и две степени свободы детектора.
Ключевые слова: рентгеновское и экстремальное ультрафиолетовое излучение, рефлектометрия, спектрометрия, лазерная плазма, дифракционная решетка, тонкие пленки, асферическая оптика.
БО1: 10.7868/80207352815070070
ВВЕДЕНИЕ
Резонансные методы рефлектометрии и спектроскопии с использованием мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения находят все более широкое применение в научных исследованиях конденсированного вещества. Для проведения исследований необходимы высокая интенсивность источника, высокоразрешающий монохроматор с возможностью плавной перестройки энергии фотонов монохроматического пучка и известные поляризационные характеристики фотонов. В настоящее время подобные эксперименты проводятся только в синхротронных центрах ALS, ESRF, PhotonFacto-ry, BESSY. К сожалению, синхротроны в Новосибирске и Москве не оснащены соответствующим оборудованием, поэтому отечественные исследователи вынуждены проводить эти эксперименты за рубежом, что сопряжено с дополнительными потерями времени и материальных средств. Более того, использование синхротронных центров ограничивает возможности исследователей. В частности, свойства тонких пленок и наноструктур могут сильно измениться в процессе транспортировки, а при разработке экспериментальных методов и технологий требуется оперативная информация о физических свойствах созданного объекта. Особенно остро эта проблема прояви-
лась при разработке современной многослойной оптики. Практика показала, что для создания высококачественных многослойных структур необходима оперативная информация об их свойствах, поэтому тенденцией последних лет стало создание многофункциональных лабораторных рефлектометров.
В настоящее время существуют два подхода к решению этой задачи. Первый подход, развиваемый отечественной школой (школа А.П. Лукир-ского), основан на разработке рефлектометров по схеме Роулонда со сферической дифракционной решеткой скользящего падения и одной подвижной щелью. Чаще всего используются спектро-метры-монохроматоры РСМ-500 [1, 2] и МеРИег-боп 247 [3]. В качестве источника мягкого рентгеновского излучения применяются или разборные рентгеновские трубки, устанавливаемые на подвижной части спектрометра-монохроматора, когда гониометрическая камера практически любого размера размещается у неподвижной выходной щели, или монохроматор присоединятся к выходу канала синхротрона, а небольшая гониометрическая камера устанавливается в области подвижной щели. Примером такой схемы может служить рефлектометр с малогабаритной разборной рентгеновской трубкой [4], оснащенный гониометром, обеспечивающим пять степеней сво-
боды для образцов и две для детектора, и позволяющим изучать оптику образцов с произвольной формой поверхности — диаметром до 300 мм и с числовой апертурой до 0.5.
Достоинствами этого подхода является высокое, до 0.01 нм, спектральное разрешение и широкий, в случае применения двух дифракционных решеток от 0.6 до 50 нм, рабочий диапазон длин волн. Очевидные недостатки таких схем в конечном итоге связаны с наличием подвижной входной или выходной щели. В случае применения рентгеновской трубки проблема связана с низкой интенсивностью тормозного спектра рентгеновской трубки и, как следствие, с недостаточно высокой точностью спектральных измерений. Фактически качественные измерения можно проводить только при использовании характеристических линий материалов анода. В случае применения синхротронного источника излучения гониометрическая камера, присоединенная к подвижной выходной щели, всегда будет иметь весьма ограниченные размеры, что ограничивает и размеры исследуемых образцов, и точность измерений.
Альтернативный подход, предложенный в [5], заключается в использовании сферической дифракционной решетки с переменным шагом штрихов и неподвижными щелями. Сканирование по спектру осуществляется простым поворотом решетки. В качестве источника рентгеновского излучения используется лазерная плазма. В настоящее время в мире насчитывается около десятка подобных приборов, которыми оснащены ведущие центры — разработчики и исследователи в области современной рентгеновской оптики [6, 7]. Достоинством этого подхода является более мощный по сравнению с рентгеновской трубкой, примерно на два—три порядка, источник рентгеновского излучения. В частности, это позволило в штатном приборе использовать поляризатор зон-дового пучка [7]. Основной недостаток связан с узким спектральным диапазоном, в котором реализуется высокое спектральное разрешение, так как при повороте дифракционной решетки не соблюдается условие фокусировки круга Роулонда. Переменный шаг штрихов лишь частично решает эту проблему.
Представляет интерес еще одно направление развития лабораторной рефлектометрии, связанное с созданием специализированных рефлектометров на основе высокоапертурной многослойной оптики нормального падения [8]. Благодаря высоким коэффициентам отражения многослойных зеркал даже с помощью маломощной рентгеновской трубки удается повысить интенсивность зондового пучка почти на три порядка. В частности, с использованием подобного прибора в ре-флектометрических измерениях удалось полу-
чить динамический диапазон интенсивности 108—109 [9], что сравнимо с синхротронными экспериментами. Недостатком такого подхода является использование одной конкретной длины волны, на которую рассчитаны и изготовлены многослойные зеркала, и относительно низкое спектральное разрешение. Поэтому ниша таких рефлектометров ограничена решением специальных задач, например изучение диффузного рассеяния зеркал и фильтров, обнаружение сверхмалых, на уровне 0.1% и менее, изменений коэффициентов отражения/прохождения рентгенооптических элементов в процессе эксплуатации.
Современные задачи рентгенооптики, такие как создание многослойной изображающей зеркальной оптики дифракционного качества для литографии следующего поколения, например для спектральных областей около 6.7 и 11.2 нм [10, 11], или для микроскопии в "водном" и "углеродном" окнах прозрачности [12], требуют существенно более высокого спектрального разрешения приборов, возможности плавной перестройки спектра, в том числе и в области аномальной дисперсии оптических констант материалов, входящих в состав исследуемых образцов. Для исследования магнитных материалов, оптической активности органических кристаллов и киральности биологических объектов необходимо управлять поляризационными характеристиками пучка (зонда) и анализировать состояние поляризации после взаимодействия с объектом. В настоящей работе описывается проект рефлектометра, разрабатываемого в ИФМ РАН, который позволяет решать большинство отмеченных выше задач и, в частности, проводить прецизионные измерения характеристик элементов многослойной оптики в диапазонах мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения в лабораторных условиях.
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА И СОСТАВ РЕФЛЕКТОМЕТРА
Рентгенооптическая схема рефлектометра приведена на рис. 1. Основными элементами прибора являются лазерно-плазменный источник (LPPS-laser plasma pulsed source) мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения, спектрометр-монохроматор (SMCT-spectrometer-monochromator Czerny-Turner), обеспечивающий необходимый уровень монохромати-зации и геометрические размеры пучка на исследуемом образце, и гониометр (5+2axis goniometer), позволяющий изучать образцы с произвольной формой поверхности и диаметром до 500 мм. Основные принципы построения и характеристики элементов рефлектометра обсуждаются ниже.
Схема и принципы построения спектрометра-монохроматора. При разработке спектрометра-
Рис. 1. Рентгенооптическая схема рефлектометра: SMCT — спектрометр-монохроматор Черни—Тюрнера, LPPS — ла-зерно-плазменный импульсный источник рентгеновского излучения; SpitLight 1200 — марка Nd:YAG лазера; Р — поворотная призма; Т — телескоп-расширитель лазерного пучка; L — фокусирующая линза; М — мишень, S1 и S2 — входная и выходная щели спектрометра; HF — фильтр высших порядков (гармоник); М1 и М2 — коллимирующие сферические зеркала; DG — плоская дифракционная решетка; TM — тороидальное зеркало; MON — монитор интенсивности зондового пучка; POL — поляризатор; S — исследуемый образец; 5+2axis goniometer — гониометр.
LPPS
____________________________________!
монохроматора рентгеновского излучения выбрана схема Черни—Тюрнера с двумя коллими-рующими зеркалами и плоской дифракционной решеткой. Такая схема в отличие от традиционно применяемых спектрометров-монохроматоров роулондовского типа [2—4] обеспечивает высокое спектральное разрешение и широкий рабочий диапазон, характерные для роулондовской схемы, но при этом входная и выходная щели остаются неподвижными. Это снимает практически полностью ограничения на массогабаритные характеристики источника излучения и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.