RU2788313C1

RU2788313C1 - Apparatus for obtaining images of a plasma object in soft x-ray and extreme ultraviolet spectral ranges with spectral, spatial and temporal resolutions simultaneously

Info

Publication number: RU2788313C1
Application number: RU2022109282A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Болховитинов; Александр Александрович Рупасов
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-01-17

Abstract

FIELD: imaging.

SUBSTANCE: invention relates to the field of plasma diagnostics and pertains to an apparatus for obtaining spectral images of a plasma object in soft X-ray and extreme ultraviolet spectral ranges. Apparatus comprises a slot mask, a diffraction grating, a microchannel detector, and an image recording device optically coupled with the microchannel detector. The slots of the slot mask are located at equal distances from each other and are perpendicular to the grooves of the transmission diffraction grating. A multistrip or four-sector microchannel detector is used as a microchannel detector. The number of slots is equal to the number of strips in the multistrip microchannel detector or two if a four-sector microchannel detector is used.

EFFECT: possibility of obtaining spectral images of a plasma object with spatial and temporal resolution simultaneously.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области диагностики плазмы и предназначено для исследования излучения лазерной и электроразрядной плазмы в мягком рентгеновском (далее - MP) и экстремальном ультрафиолетовом (далее - ЭУФ) спектральных диапазонах.The invention relates to the field of plasma diagnostics and is intended to study the radiation of laser and electric discharge plasma in the soft X-ray (hereinafter referred to as MP) and extreme ultraviolet (hereinafter referred to as EUV) spectral ranges.

Известно устройство для получения спектральных изображений плазменного объекта в MP спектральном диапазоне, содержащее расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры, пропускающую дифракционную решетку и микроканальный детектор, и оптически связанное с микроканальным детектором средство для регистрации спектральных изображений на основе ПЗС-матрицы (см. статью Т. Wilhein et al «А slit grating spectrograph for quantitative soft x-ray spectroscopy)), The Review of scientific instruments, March 1999, Vol.70, №3, pp.1694-1699 [1]).A device is known for obtaining spectral images of a plasma object in the MP spectral range, containing located in series on the same axis connecting their centers, a transmitting diffraction grating and a microchannel detector, and optically connected to the microchannel detector means for registering spectral images based on a CCD matrix (see. article by T. Wilhein et al "A slit grating spectrograph for quantitative soft x-ray spectroscopy)), The Review of scientific instruments, March 1999, Vol. 70, No. 3, pp. 1694-1699 [1]).

Недостаток известного устройства состоит в том, что с его помощью можно получать изображения плазменного объекта лишь со спектральным разрешением, что ограничивает область применения устройства.The disadvantage of the known device is that it can be used to obtain images of a plasma object only with spectral resolution, which limits the scope of the device.

Раскрытое в [1] устройство принято в качестве ближайшего аналога заявленного устройства.The device disclosed in [1] is accepted as the closest analogue of the claimed device.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании устройства для получения изображений плазменного объекта в MP спектральном диапазоне (а также ЭУФ спектральном диапазоне), имеющего широкую область применения.The technical problem solved by the claimed invention is to create a device for obtaining images of a plasma object in the MP spectral range (as well as the EUV spectral range), which has a wide range of applications.

При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности получения изображений плазменного объекта со спектральным, пространственным и временным разрешениями одновременно.This achieves a technical result, which consists in providing the possibility of obtaining images of a plasma object with spectral, spatial and temporal resolutions simultaneously.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания устройства для получения спектральных изображений плазменного объекта (далее - ПО) в MP и ЭУФ спектральных диапазонах, содержащего расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры, пропускающую дифракционную решетку (далее - ПДР) и микроканальный детектор (далее - МКД), и оптически связанное с МКД средство для регистрации изображений. Устройство снабжено щелевой маской, расположенной, с прохождением упомянутой оси через ее центр, перед упомянутой ПДР, таким образом, что ее щели, находящиеся на равных расстояниях друг от друга, перпендикулярны штрихам упомянутой ПДР, в качестве упомянутого МКД выбран многополосковый или четырехсекторный МКД. Количество упомянутых щелей равно количеству полосков многополоскового МКД или двум, в случае, если выбран четырехсекторный МКД. Рабочая длина

ПДР выбрана из соотношения:The technical problem is solved, and the specified technical result is achieved as a result of creating a device for obtaining spectral images of a plasma object (hereinafter referred to as SW) in the MP and EUV spectral ranges, containing a transmissive diffraction grating (hereinafter referred to as PDR) arranged in series on the same axis connecting their centers and a microchannel detector (hereinafter referred to as MCD), and means for image registration optically coupled to the MCD. The device is equipped with a slit mask located, with said axis passing through its center, in front of said PDR, so that its slots, which are at equal distances from each other, are perpendicular to the strokes of said PDR, a multi-stripe or four-sector MCD is selected as said MCD. The number of said slots is equal to the number of strips of a multi-stripe MCD, or two if a four-sector MCD is selected. Working length

PDR is selected from the ratio:

где D - рабочий характеристический размер МКД,where D is the working characteristic size of the MCD,

а - расстояние от ПО до ПДР,a is the distance from the PO to the PDR,

b - расстояние от ПДР до МКД.b is the distance from the PDR to the MKD.

В частном варианте выполнения устройство расположено внутри сборного корпуса, образующего вакуумный канал.In a private embodiment, the device is located inside a prefabricated housing forming a vacuum channel.

В предпочтительном варианте выполнения на участке сборного корпуса между упомянутой пропускающей дифракционной решеткой и упомянутым микроканальным детектором использовано гибкое соединение.In a preferred embodiment, a flexible connection is used in the area of the prefabricated housing between said transmissive diffraction grating and said microchannel detector.

На фиг.1 показано схематичное изображение заявленного устройства, в состав которого входит многополосковый МКД.Figure 1 shows a schematic representation of the claimed device, which includes a multi-strip MCD.

На фиг.2 показано схематичное изображение заявленного устройства, в состав которого входит четырехсекторный МКД.Figure 2 shows a schematic representation of the claimed device, which includes a four-sector MKD.

Устройство для получения изображений плазменного объекта в MP и ЭУФ спектральных диапазонах, показанное на фиг.1 и фиг.2, содержит расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры (которая также проходит через центр ПО 1), щелевую маску 2, предназначенную для пространственного разделения потока излучения от ПО 1, ПДР 3 и МКД 4.A device for obtaining images of a plasma object in the MP and EUV spectral ranges, shown in figure 1 and figure 2, contains located in series on the same axis connecting their centers (which also passes through the center of software 1), slit mask 2, designed for spatial separation of the radiation flux from PO 1, PDR 3 and MCD 4.

Заявленное устройство расположено внутри сборного корпуса (не показан) с необходимыми разъемами для подведения питающего напряжения, который образует вакуумной канал, сообщенный с вакуумной камерой, в которой расположен ПО 1.The claimed device is located inside a prefabricated housing (not shown) with the necessary connectors for supplying voltage, which forms a vacuum channel in communication with the vacuum chamber in which software 1 is located.

Устройство также содержит оптически связанное с МКД 4 средство для регистрации изображений (условно не показано), расположенное вне вакуумного канала. В частности, в одном из вариантов выполнения, МКД 4 может иметь выход на волоконно-оптическую пластину с нанесенным на нее слоем люминофора, обеспечивающим преобразование MP или ЭУФ излучения в видимое излучение, а средство для регистрации изображений может быть выполнено в виде цифровой фотокамеры. В другом варианте выполнения вместо цифровой фотокамеры может быть использован световод с непосредственным выходом на оптический вход компьютерной системы.The device also contains an optically connected to the MCD 4 means for image registration (not shown conventionally), located outside the vacuum channel. In particular, in one of the embodiments, MCD 4 can have an output to a fiber-optic plate with a phosphor layer deposited on it, which provides conversion of MP or EUV radiation into visible radiation, and the image recording means can be made in the form of a digital camera. In another embodiment, instead of a digital camera, a light guide with a direct output to the optical input of a computer system can be used.

В качестве МКД 4 выбран показанный на фиг.1 многополосковый или показанный на фиг.2 четырехсекторный МКД 4.As MCD 4, the multi-strip shown in Fig. 1 or the four-sector MCD 4 shown in Fig. 2 is selected.

Щелевая маска 2 и ПДР 3 взаимно расположены таким образом, что щели щелевой маски 2, находящиеся на равных расстояниях друг от друга, перпендикулярны штрихам ПДР 3, что позволяет получить пространственное разрешение в направлении, перпендикулярном спектральной дисперсии, сразу во всем спектральном диапазоне.The slit mask 2 and PDR 3 are mutually arranged in such a way that the slits of the slit mask 2, which are at equal distances from each other, are perpendicular to the strokes of the PDR 3, which makes it possible to obtain spatial resolution in the direction perpendicular to the spectral dispersion, immediately in the entire spectral range.

Количество щелей равно количеству полосков многополоскового МКД 4 или двум, в случае, если выбран четырехсекторный МКД 4.The number of slots is equal to the number of strips of a multi-strip MCD 4 or two, in case a four-sector MCD 4 is selected.

Рабочая длина ПДР 3 подбирается таким образом, чтобы реализовывалось правило «подобных треугольников», т.е. отношение рабочей длины ПДР 3 (т.е. длины вдоль штрихов, обеспечивающих спектральную дисперсию), к требуемому расстоянию от ПО 1 до ПДР 3 должно быть равно отношению рабочего характеристического размера МКД 4, в частности, диаметра микроканальной пластины (далее - МКП), к требуемому расстоянию от ПО 1 до МКД 4.The working length of the PDR 3 is selected in such a way that the rule of "similar triangles" is implemented, i.e. the ratio of the working length of PDR 3 (i.e., the length along the strokes that provide spectral dispersion) to the required distance from SO 1 to PDR 3 should be equal to the ratio of the working characteristic size of MCD 4, in particular, the diameter of the microchannel plate (hereinafter referred to as MCP), to the required distance from PO 1 to MKD 4.

Таким образом, рабочая длина

ПДР выбрана из соотношения:So the working length

PDR is selected from the ratio:

Например, в случае использования промышленно выпускаемого МКД с диаметром МКП, равным 46 мм, при отношении расстояния от ПО до ПДР (а) к расстоянию от ПДР до МКП (b), равном ½, разумно применить ПДР с длиной

равной 20-23 мм.For example, in the case of using a commercially available MKD with an MCP diameter of 46 mm, with a ratio of the distance from the PO to the PDR (a) to the distance from the PDR to the MCP (b) equal to ½, it is reasonable to use the PDR with a length

equal to 20-23 mm.

Щели щелевой маски 2 выполняют в непрозрачном для MP и ЭУФ излучения шаблоне, а расстояние между щелями и расстояния аи b подбирают таким образом, чтобы воображаемые прямые линии, проходящие через соответствующие центры полосков (или середины разделительных нерабочих зон между соседними секторами, на которых излучение, прошедшее через одну щель, разворачивается в спектр), и соответствующие щели, сходились в одной точке, в которую и помещается центр исследуемого ПО 1. При этом эти воображаемые линии должны также проходить и через рабочую область ПДР 3.The slots of the slit mask 2 are made in a template that is opaque for MP and EUV radiation, and the distance between the slots and the distances a and b are selected in such a way that imaginary straight lines passing through the corresponding centers of the strips (or the middle of the separating non-working zones between adjacent sectors, on which the radiation, passed through one slit unfolds into a spectrum), and the corresponding slits converged at one point, at which the center of the studied PO 1 is located. In this case, these imaginary lines should also pass through the working area of PDR 3.

Многополосковый (от англ. «multistrip») МКД (см., например, продукцию компании Kentech Instruments Ltd, Великобритания, http://www.kentech.co.uk/index.html?/&2 [2], или продукцию компании ООО «РнД-ИСАН», Россия, http://www.rnd-isan.ru/pribory/mkp-detektory [3]) представляет собой детектор, в котором, как правило, круглая входная МКП разделена на несколько горизонтальных полосков, к каждому из которых подводится независимое электрическое питание, и активироваться эти полоски могут в различные временные интервалы, определяемые заранее установленной электрической задержкой, что обеспечивает временное разрешение устройства. Четырехсекторный МКД (см., например, [3]) выполнен аналогичным образом, с отличием в том, что входная МКП разделена на четыре равных отдельных сектора, которые также могут активироваться с установленной задержкой (см. поз.5).Multistrip (from the English “multistrip”) MCD (see, for example, products of Kentech Instruments Ltd, UK, http://www.kentech.co.uk/index.html?/&2 [2], or products of OOO RnD-ISAN, Russia, http://www.rnd-isan.ru/pribory/mkp-detektory [3]) is a detector in which, as a rule, a round input MCP is divided into several horizontal strips, each of which an independent electrical supply is supplied, and these strips can be activated at different time intervals, determined by a predetermined electrical delay, which ensures the temporal resolution of the device. A four-sector MCD (see, for example, [3]) is made in a similar way, with the difference that the input MCP is divided into four equal separate sectors, which can also be activated with a set delay (see pos.5).

В предпочтительном варианте на участке сборного корпуса между ПДР 3 и МКД 4 может быть использовано гибкое (сильфонное) соединение. Это дает возможность, при желании, смещать изображение нулевого порядка ПДР 3 на полосках МКД 4 в сторону от их центров, за счет чего можно расширить спектральный диапазон регистрируемого излучения в сторону больших длин волн, а в случае использования четырехсекторного МКД 4 упростить смещение изображения нулевого порядка из разделительной нерабочей зоны между соседними секторами.In the preferred embodiment, a flexible (bellows) connection can be used in the section of the prefabricated body between the PDR 3 and the MCD 4. This makes it possible, if desired, to shift the image of the zero order PDR 3 on the strips of the MCD 4 away from their centers, due to which it is possible to expand the spectral range of the detected radiation towards longer wavelengths, and in the case of using a four-sector MCD 4 to simplify the shift of the zero order image from the separating non-working zone between adjacent sectors.

Устройство используют следующим образом.The device is used as follows.

Как известно, в общем случае ПДР 3 представляет собой периодическую структуру свободно подвешенных тонких проволочек, заполняющих узкую щель (см., в частности, Диагностика плотной плазмы под ред. Н.Г. Басова, Москва, «Наука», 1989, стр. 162-165).As is known, in the general case, PDR 3 is a periodic structure of freely suspended thin wires filling a narrow slot (see, in particular, Diagnosis of dense plasma, edited by N.G. Basov, Moscow, Nauka, 1989, p. 162 -165).

Проходя сквозь такую структуру, излучение в результате дифракции разлагается по спектру в двух одинаковых и симметрично расположенных по отношению к нулевому порядку дифракции «крыльях».Passing through such a structure, the radiation as a result of diffraction decomposes over the spectrum in two identical and symmetrically located "wings" with respect to the zero order of diffraction.

Каждая спектральная развертка, полученная при прохождении излучения через щель щелевой маски 2 и соответствующий ей участок ПДР 3, будет попадать на соответствующий полосок МКП МКД 4. Таким образом, при активации полосков МКП в различные заданные моменты времени, мы сможем получить спектральные развертки излучения с пространственным разрешением и при этом получить столько разрешенных по времени спектральных разверток за одну плазменную вспышку, сколько полосков включает в себя МКП.Each spectral sweep obtained during the passage of radiation through the slit of the slit mask 2 and the corresponding section of the PDR 3 will fall on the corresponding strip of the MCP MCD 4. Thus, when the strips of the MCP are activated at various given times, we can obtain resolution and, at the same time, obtain as many time-resolved spectral scans in one plasma flash as the number of stripes included in the MCP.

В случае использования четырехсекторного МКД 4, в частности, при вертикальном расположении штрихов ПДР 3 и горизонтальном щелей щелевой маски 2, каждой щели будут соответствовать два соседних расположенных по горизонтали сектора МКП. Таким образом, если ориентировать нулевой порядок ПДР 3 в промежуток между соседними расположенных по горизонтали секторами, то на каждом из них можно зарегистрировать свой спектр в отдельный момент времени.In the case of using a four-sector MCD 4, in particular, when the strokes of the PDR 3 are vertical and the slots of the slit mask 2 are horizontal, each slot will correspond to two adjacent horizontal MCP sectors. Thus, if you orient the zero order of the PDR 3 in the gap between adjacent horizontally located sectors, then each of them can register its own spectrum at a separate point in time.

Заявленное устройство позволяет получить спектральные изображения плазменного объекта одновременно с пространственным и временным разрешением, что актуально для исследования излучения от протяженного плазменного объекта с выделенной осью симметрии (например, Х- или Z-пинча), в случае, когда требуется раскрыть динамику процессов плазмообразования.The claimed device makes it possible to obtain spectral images of a plasma object simultaneously with spatial and temporal resolution, which is relevant for studying radiation from an extended plasma object with a distinguished axis of symmetry (for example, X- or Z-pinch), in the case when it is required to reveal the dynamics of plasma formation processes.

Claims

1. A device for obtaining spectral images of a plasma object in the soft X-ray and extreme ultraviolet spectral ranges, containing a transmissive diffraction grating and a microchannel detector arranged in series on the same axis connecting their centers, and an image recording means optically coupled to the microchannel detector, characterized in that that it is equipped with a slit mask located with said axis passing through its center in front of said transmissive diffraction grating in such a way that its slots, which are at equal distances from each other, are perpendicular to the strokes of said transmissive diffraction grating, a multi-strip or four-sector microchannel detector, the number of slots mentioned is equal to the number of strips of the multistrip microchannel detector or two if a four-sector microchannel detector is selected, and the working length

transmission diffraction grating is selected from the ratio:

,

where D is the working characteristic size of the microchannel detector,

a is the distance from the plasma object to the transmissive diffraction grating,

b is the distance from the transmissive diffraction grating to the microchannel detector.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is located inside a prefabricated housing forming a vacuum channel.

3. The device according to claim 2, characterized in that a flexible connection is used in the section of the prefabricated body between the said transmissive diffraction grating and the said microchannel detector.