ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 11, с. 26-32
УДК 535.687.7
СТАНЦИЯ Б'4.2 ОПТИЧЕСКОЙ ВУФ-СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ 3-200 эВ
© 2004 г. П. В. Дудин, А. М. Лебедев, К. А. Меньшиков, Н. Ю. Свечников, В. Г. Станкевич
Курчатовский центр синхротронного излучения, РНЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия
Поступила в редакцию 26.11.2003 г.
Представлена ВУФ-станция для оптических исследований на источнике СИ "Сибирь-1". Станция оснащена высоковакуумным (10-7 Па) монохроматором для вакуумного ультрафиолета, мягкого рентгена и многофункциональной камерой образцов. В едином вакуумном объеме реализованы две оптические схемы: нормального падения Сейя-Намиока с постоянным углом отклонения 70° (3-40 эВ) и скользящего падения с постоянным углом отклонения 150° (30-200 эВ), что позволяет работать во всей эффективной части спектра источника (критическая энергия Ес = 203 эВ). Осуществлен физический пуск схемы нормального падения. В ходе наладки был решен ряд технических и физических проблем. Проведена юстировка и калибровка монохроматора. Представлены первые результаты.
СТАНЦИЯ Б'4.2
Данная станция используется для оптических исследований в диапазоне вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена на источнике синхротронного излучения "СИБИРЬ-1" (КЦСИ, РНЦ "Курчатовский институт"). Первоначально станция была спроектирована и частично построена в Физическом институте Санкт-Петербургского университета (Адамчук В.К. и Федосеенко С.И.) для фотоэлектронной спектроскопии, но по ряду причин не была введена в эксплуатацию. Позже она была установлена в малом экспериментальном зале КЦСИ [1], доработана для нужд оптических исследований и введена в строй. Станция предназначена для исследований оптических свойств твердых тел с помощью методов фотолюминесценции, отражения и поглощения с использованием синхротронного излучения в широком диапазоне 3-200 эВ при сверхвысоком вакууме <10-7 Па. Объекты исследования - широкозонные диэлектрики, полупроводники, высокотемпературные сверхпроводники, фуллерены.
Общий вид станции показан на рис. 1. Основными узлами станции являются: входной блок с апертурными диафрагмами и системой визуального наблюдения пучка; блок входных зеркал; блок верхнего поворотного зеркала; блоки входных щелей; блок дифракционных решеток с системой переключения решеток и узлом сканирования; блок выходной щели, включающий кассету с фильтрами; блок выходного зеркала; камера образцов. Станция оборудована сверхвысоковакуум-ной системой.
Монохроматор. Монохроматор имеет уникальную конструкцию, которая включает в себя две оптические схемы (рис. 2): схему нормального падения Сейя-Намиока (SN) с постоянным углом отклонения 70° и схему скользящего падения TGM (toroidal grating monochomator) с постоянным углом отклонения 150°. Схема SN предназначена для работы с синхротронным излучением в диапазоне 3-40 эВ (300-4000 А) с разрешающей способностью на уровне 103, TGM - в диапазоне 30200 эВ (60-400 А) с разрешающей способностью не хуже 102. Критическая энергия накопителя "Сибирь-1" составляет 203 эВ (61 А), поэтому станция перекрывает весь эффективный участок спектра источника. Каждая схема состоит из входной фокусирующей оптики, неподвижных входных и выходных щелей, дифракционной решетки, выходного зеркала, фокусирующего мо-нохроматичного излучения на образце. Параметры оптических элементов приведены в таблице. Необходимо отметить, что выходная щель и выходное зеркало для обеих схем одни и те же. Рабочие ширины щелей составляют: для схемы SN -0.1 мм, для TGM - 0.2 мм.
Входные зеркала обеих схем установлены в одном вакуумном объеме. Схемы работают поочередно; переключение с одной схемы на другую осуществляется сдвигом в горизонтальной плоскости блока входных зеркал и установкой на главную оптическую ось монохроматора нужного зеркала. Это достигается благодаря наличию гибкого сильфонного узла, соединяющего канал накопителя с блоком входных зеркал. На входе имеется блок апертурных диафрагм с системой визуального наблюдения пучка. С помощью диафрагм можно
Рис. 1. Общий вид станции Б'4.2.
Рис. 2. Оптические схемы монохроматора: а - нормального падения Сейя-Намиока, б - скользящего падения ТОМ.
менять размер пучка СИ от 0 до 10 мрад по вертикали и горизонтали. Это позволяет перекрывать пучок во избежание лишнего экспонирования оптических элементов, работать с небольшим по размеру пучком при проведении юстировки, а также в совокупности с системой визуального наблюдения пучка по свечению люминофора (например,
люмоген желтый) выделить из пучка среднюю, наиболее жесткую часть излучения.
Для каждой схемы предусмотрен набор сменных решеток, оптимизированных под разные энергетические диапазоны, с отличающимися покрытиями и углами блеска. В наличии имеются две решетки 1200 мм-1: А1 + М§Б2 (угол блеска
Параметры оптических элементов станции D'4.2
Схема Элемент Форма поверхности Rm, мм Rs, мм N, мм-1 Угол блеска Рабочая область, А Покрытие Расстояние от источника, мм
SN Входное зеркало Тороид 15002 1018.4 - - - Au 5000
Верхнее поворотное 1187.9 892.7 - - - Au 7361.1
зеркало
Решетка 1499.7 1004.7 600 6°18' 2100-5400 Al + MgF2 8908.4
1200 6°18' 1050-2700 Al + MgF2
1200 3°21' 560-1440 Au
1200 1°40' 280-720 Au
Выходное зеркало 5754 173.8 - - - Au 11138.6
Образец - 12138.6
TGM Входное зеркало Эллипсоид 20140 152.7 - - - Au 5000
Решетка* Тороид 4325 286.5 600 1°20' 140-360 Au 7072
1200 2°40' 140-360 Au
1200 1°20' 70-180 Au
1800 1°20' 50-126 Au
Выходное зеркало 5754 173.8 - - - Au 9302.2
Образец - 10302.2
* Решетки с неравномерностью нарезки, определяемой линейным законом l = l0(1 + Цу), где у - координата по ширине решетки, ¡0 = 1/N - расстояние между штрихами в вершине решетки; коэффициент неравномерности Ц = -3.54 х 10-4 мм-1.
6°18') и Ли (угол блеска 3°21'). Внутри вакуумного объема одновременно может быть установлено на одном барабане до шести дифракционных решеток так, что смена рабочей решетки осуществляется поворотом барабана через сложную кинематическую схему без разгерметизации сверхвысоковакуумно-го объема. Сканирование по спектру осуществляется простым поворотом решетки вокруг оси, проходящей через ее вершину. Поворот решетки осуществляется при поступательном движении ходового винта синусного механизма. Движение ходовому винту передается через червячную передачу от шагового двигателя ДШИ-200 - 200 шагов на один оборот. При подаче одного импульса на шаговый двигатель ходовой винт смещается на 2.1 х 10-4 мм, что соответствует повороту решетки на 0.2''. Полный ход винта составляет 75 мм, что соответствует повороту решетки на 19°, а область эффективной работы схемы БК как известно, составляет 15°, при этом дефокусировка мо-нохроматичного излучения на выходной щели монохроматора минимальна [2].
За выходной щелью установлена кассета со сменными фильтрами. В нее могут быть установлены пленочные фильтры 0.2 мм и стеклянные фильтры толщиной до 2 мм, с помощью которых можно отфильтровать нежелательное излучение, или, например, по краю поглощения проверить калибровку монохроматора.
Камера образцов. Камера образцов оснащена оже-анализатором для контроля состава поверхности, предварительной камерой, предназначенной для подготовки образцов in situ, со шлюзом для быстрой загрузки образцов в вакуумный объем (время выхода в рабочий режим около 1 ч). В дальнейшем планируется установить криостат на Г = = 77 К, вторичные монохроматоры для измерения спектров люминесценции в видимом и УФ-диапа-зонах ~1-5 эВ и вакуумный монохроматор на 410 эВ, а также рефлектометр для измерения интегрального зеркального и диффузного рассеяний, измерения спектров диффузного и зеркального отражений твердых тел в ВУФ-области, а также для нужд оптической технологии [3].
Образцы - пленки, нанесенные на подложку, и кристаллы. Минимальный размер образца определяется размером пучка на образце (1 х 1 мм), максимальный - размером спутника (диаметр 10 мм). В камере образцов одновременно может быть установлено два образца и два в предварительной камере.
В качестве детекторов используются фотоэлектронные умножители ФЭУ-100, ФЭУ-106; электрометрическое оборудование - комбинированные приборы Щ-300.
Станция оснащена системой автоматизации эксперимента на основе модульной системы КАМАК. Управление системой автоматизации осуществляется через компьютер, присоединен-
ЧХЬ
□
□
4x1
SH
п
LJ
S
ко
-X—
пк
ш
Рис. 3. Принципиальная вакуумная схема станции Б'4.2. 31 - камера входных зеркал, 32 - камера верхнего поворотного зеркала, 33 - камера выходного зеркала, ДР - камера дифракционных решеток, КО - камера образцов, ПК -предварительная камера, Ш - шлюз загрузки.
ный к крейт-контроллеру КАМАКа. Программное обеспечение, написанное на языке Visual Basic© собственными силами, позволяет управлять поворотом дифракционной решетки c помощью модуля управления шагового двигателя (МУШД), синхронизировать поворот решетки с измерением сигнала детектора, одновременно с этим отображать кривую на экране компьютера, записывать данные с одного или двух детекторов.
КОНСТРУКЦИОННАЯ ДОРАБОТКА СТАНЦИИ
Вакуумная система. Принципиальная вакуумная схема показана на рис. 3. Вакуумная система обеспечивает получение и поддержание сверхвысокого вакуума не хуже 10-7 Па во всей установке. Большое количество безмасляных средств откачки обусловлено необходимостью максимально снизить количество углеводородов в спектре остаточных газов. По имеющемуся опыту эксплуатации ВУФ-спектрометров, на поверхности зеркал и решеток появляется углеродная пленка, которая образуется в вакууме при крекинге углеводородов остаточных газов, адсорбированных на поверхности, под действием жесткой компоненты излучения [4]. Эта пленка снижает отражающую способность оптического элемента, особенно в УФ- и ВУФ-областях. Скорость образования таких пленок зависит от интенсивности падающего излучения и величины остаточного давления.
При первых сеансах работы с пучк
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.