ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 1, с. 119-126
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 535.376.5
РЕНТГЕНОВСКИЙ КАЛИБРОВОЧНЫЙ КОМПЛЕКС РКК-1-100
© 2008 г. О. Н. Гилёв, Д. А. Вихляев, М. В. Елисеев, |В. И. Осташев|, А. В. Потапов,
В. А. Пронин, Н. А. Пхайко, Л. Н. Шамраев
РФЯЦ "ВНИИ технической физики им. акад. Е.И. Забабахина" Россия, 456770, Снежинск Челябинской обл., ул. Васильева, 13 Поступила в редакцию 24.04.2007 г.
Разработан автоматизированный рентгеновский калибровочный комплекс РКК-1-100, позволяющий проводить исследования поверхностей, приповерхностных слоев, границ раздела и многослойных структур в широком диапазоне длин волн 0.1-100 нм. Получены первые результаты количественной аттестации шероховатости плоских кварцевых подложек и подложек с UNi-напылением. Найдены рентгенооптические константы тонких UNi-слоев.
PACS: 07.85.Fv, 41.50.+h
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время все большее распространение получают методы исследования поверхностей, приповерхностных слоев, границ раздела и многослойных структур, основанные на анализе рассеяния мягкого и ультрамягкого рентгеновского излучения (см., например, работы [1-4] и ссылки в них). Малая длина волны, возможность изменять глубину проникновения излучения в вещество (от нескольких нанометров в условиях полного внешнего отражения до десятков микрометров) за счет изменения угла скольжения зондирующего пучка и возможность проведения in situ измерений позволяют использовать это излучение для контроля поверхностных и объемных неоднородностей на-нометрового масштаба, включая шероховатости скрытых границ раздела.
Однако создание инструмента (установок) для проведения с высоким энергетическим разрешением таких исследований является делом весьма не простым. Во-первых, из-за большого поглощения излучения в воздухе прибор должен быть вакуумным (не хуже 10-5 Торр). Во-вторых, жесткие требования предъявляются к спектральной чистоте зондирующего пучка, к его поперечным размерам (20-80 мкм) и расходимости (<1 мрад). В-третьих, для измерения индикатрисы рассеяния излучения и коэффициентов отражения образцов должна быть обеспечена возможность контролируемого перемещения детектора с узкой щелью с шагом единицы угловых секунд, а также установки углов падения в широком диапазоне (0°-90°) [5]. Перечисленные требования сложно реализовать одновременно, так как это приводит к существенному увеличению габаритов прибора и ужесточению требований к точности механизмов установки образцов и детектора.
В РФЯЦ-ВНИИТФ, в рамках проекта МНТЦ № 2297, разработан и введен в эксплуатацию автоматизированный рентгеновский калибровочный комплекс РКК-1-100 (рис. 1), удовлетворяющий всем вышеперечисленным требованиям. Комплекс разработан с целью реализации следующей программы исследований:
- калибровка рентгеновских детекторов и рентгенооптических элементов, применяемых в методиках диагностики плазмы, в широком спектральном диапазоне;
- количественная аттестация шероховатости плоских и вогнутых поверхностей со среднеквадратичной высотой до 0.1 нм;
- измерение отраженной зеркально компоненты при углах падения пучка на образец от 0° до 86°;
- изучение сверхчистых поверхностей материалов, не подвергшихся воздействию атмосферного воздуха.
ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И КАНАЛ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА
Источник рентгеновского излучения - мощная (3 кВт) разборная рентгеновская трубка (рис. 2). Анод рентгеновской трубки изготовлен из меди с различными вставками (С, М§, А1, Ре, Со, Си) для получения характеристических линий, присущих этим материалам. Анод имеет водяное охлаждение.
Катод рентгеновской трубки - вольфрамовая проволока, накаливаемая током. Анодный ток трубки регулируется независимо от напряжения на трубке путем изменения тока накала катодной ни-
2 - исследуемый образец, 3 - манипулятор, 4 - основной детектор, 5 - двухщелевой коллиматор, 6 - вакуумный клапан, 7 - монохроматор, 8 - детектор-монитор, 9 - выходная щель, 10 - дифракционная решетка, 11 - входная щель, 12 -сферическое зеркало, 13 - рентгеновская трубка.
ти. Электронная схема стабилизации анодного тока обеспечивает высокую стабильность интенсивности рентгеновского пучка во время проведения экспериментов. Основные технические характеристики рентгеновской трубки представлены в табл. 1.
Кроме генерации линейчатого характеристического излучения, в трубке предусмотрена возможность работы в режиме генерации тормозного излучения с непрерывным спектром. В этом случае используется анод из тугоплавкого метал-
ла с большим атомным номером, например из вольфрама. При работе с таким анодом появляется возможность плавного изменения длины волны излучения в широком спектральном диапазоне. Однако для достижения достаточной спектральной интенсивности тормозного излучения требуется большая мощность электронного пучка, бомбардирующего анод, - 1-2 кВт.
Для формирования пучка монохроматического рентгеновского излучения используется модифицированный вариант рентгеновского спектро-
метра-монохроматора РСМ-1000 (НПО "Буревестник").
Основными элементами монохроматора (см. рис. 2) являются: сферическое зеркало, вогнутая сферическая дифракционная решетка, входная и выходная щели.
Сферическое зеркало предназначено для фокусировки рентгеновского излучения, генерируемого трубкой, на входную щель монохроматора, а также для подавления коротковолновой части спектра рентгеновского излучения. Отражающая поверхность зеркала имеет радиус кривизны 4000 мм, угол падения излучения на зеркало равен 1.3°, при этом угол сбора излучения в горизонтальной плоскости составляет ~4 мрад.
Монохроматор собран по схеме Габриэля: входная щель, сферическая дифракционная решетка и выходная щель лежат на окружности Ро-уланда, радиус К которой в два раза меньше радиуса дифракционной решетки. Отраженное от фокусирующего зеркала излучение проходит через входную щель монохроматора и падает на дифракционную решетку под малым углом скольжения ф. Дифракционная решетка разлагает падающее излучение в спектр и фокусирует его на дуге окружности. Выходная щель выделяет излучение с заданной длиной волны.
В типовых конструкциях рентгеновских источ-ников-монохроматоров со скользящим падением излучения рентгеновская трубка и входная щель устанавливаются неподвижно. Изменение длины волны излучения осуществляется перемещением дифракционной решетки и выходной щели, при этом выходящий пучок также перемещается в пространстве.
В нашем случае используется другой вариант, когда неподвижным элементом является выходная щель, относительно которой перемещаются дифракционная решетка и входная щель. В этом случае выходящий пучок остается неподвижным. Механическое устройство монохроматора таково, что при изменении длины волны излучения входная щель перемещается по прямой ОС, решетка движется по прямой СЕ, т.е. по оси выходящего пучка, а выходная щель остается неподвижной. При этом все три указанных элемента остаются на мнимой окружности Роуланда, поворачивающейся в пространстве. При движении решетка также поворачивается, причем угол падения ф = агс8т(СО/К) остается постоянным для данного радиуса решетки, а угол дифракции у изменяется.
Диапазон длин волн 1-100 нм перекрывается использованием дифракционных решеток четырех типов с плотностью штрихов от 300 до 1200 мм-1 и
Таблица 1
Характеристики рентгеновской трубки Величина
Рабочее напряжение, кВ до 10
Анодный ток, мА до 300
Нестабильность анодного тока в диапазоне 10-300 мА, % не хуже ± 0.5
Количество анодных вставок, штук 6
Размер источника, мм 1 х 10
радиусом кривизны 2000 и 6000 мм. Применение решеток с различными радиусами кривизны предусматривает изменение радиуса окружности Роуланда. Указанные решетки при ширине входной и выходной щелей 10 мкм позволяют достичь спектрального разрешения Х/ЪХ ~ 1000 практически для всего охватываемого диапазона длин волн.
Дополнительный элемент канала формирования пучка - двухщелевой коллиматор - расположен в исследовательской камере и будет описан ниже.
Мониторинг стабильности потока рентгеновского излучения при настройке монохроматора, а также во время экспериментов осуществляется с помощью детектора-монитора АМРТЕКТЯОК МБ-501.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ КАМЕРА
Исследовательская вакуумная камера (рис. 3) имеет цилиндрическую форму с внутренним диаметром 700 мм и высотой 300 мм. Внутри камеры расположены детектор, двухщелевой коллиматор и манипулятор, предназначенный для крепления и перемещения исследуемого образца. Камера соединена с монохроматором через вакуумный клапан и сильфонный патрубок, что обеспечивает возможность ее поворота вместе с несущей плитой на ±5° относительно выходной щели монохроматора, а также вокруг своей оси симметрии на угол ±5°. Такие перемещения необходимы для точной юстировки коллиматора относительно рентгеновского пучка при откачанной камере.
Двухщелевой коллиматор (рис. 4), выполненный в виде моноблока, окончательно формирует геометрические параметры зондирующего пучка (пучок ленточной геометрии) и обеспечивает низкую интенсивность крыльев рассеянного излучения от кромок выходной щели монохроматора.
Рис. 3. Исследовательская вакуумная камера. 1 - счетчик квантов, 2 - исследуемый образец, 3 - манипулятор, 4 - двух-щелевой коллиматор.
Щели 51 и 52 коллиматора установлены на расстоянии Ь ~ 40-60 мм друг от друга. Ширина щелей меняется в диапазоне 0-1000 мкм с шагом 5 мкм. Предусмотрена возможность вращения щелей вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной их плоскости, что позволяет выставить кромки щелей параллельно рентгеновскому пучку. Ширина щели Б2 устанавливается на 20-30 мкм больше, чем ширина щели 51, и отъюстированы они таким образом, чтобы пучок, формируемый щелью 51, не задевал щечки щели Б2. В этом случае угловая ширина крыльев рассеянного излучения будет ограничена величиной (й1 + ¿2)/(2Ь) = 10-3 рад, где ё1 и й2 - ширины щелей.
Таким образом, сочетание монохроматора и коллиматора позволяет значительно (в 10-100 раз) снизить интенсивность рассеянного излучения первичного прямого пучка и получить слабо расходящийся зондирующий пучок с поперечным
размером 4
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.