DE19542679A1 - X=ray spectrograph optics - Google Patents
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Abstract
Description
Die Anmeldung handelt von einer abbildenden Spektrographenoptik für den Röntgen- und VUV-Bereich, die einfallende Strahlung dispergiert und fokussiert und in spaltlose Spektrographen, z. B. für den Vakuum-Ultraviolett (VUV) Wellenlängenbereich und den weichen Röntgenbereich eingesetzt werden kann. Mit Hilfe eines solchen abbildenden Röntgenspektrographenoptik läßt sich spektral und räumlich auflösende Diagnostik z. B. an Röntgenstrahlung emittierenden Mikroplasmen vornehmen, die mit gepulsten Hochleistungslasern erzeugt werden.The application is about imaging spectrograph optics for X-ray and VUV area, which disperses and focuses incident radiation and into gapless ones Spectrographs, e.g. B. for the vacuum ultraviolet (VUV) wavelength range and soft X-ray area can be used. With the help of such an imaging X-ray spectrograph optics can be spectrally and spatially resolving diagnostics such. B. X-ray emitting microplasmas with pulsed High power lasers are generated.
Es ist bekannt, daß lasererzeugte Röntgenplasmen intensive Linienstrahlungen mit Photonenenergien von bis zu 1000 eV und mehr emittieren. Für die Anwendungen solcher lasererzeugten Röntgenplasmen ist es wichtig, die Brillanz der Emission in einem bestimmten Photonenenergiebereich oder auch für eine einzelne Emissionslinie zu optimieren; die Brillanz hängt z. B. empfindlich von der Leistungsdichte des auf das Target fokussierten Laserlichtes ab. Die Diagnostik und die Optimierung solcher Plasmen vereinfacht sich ganz entscheidend, wenn außer Linienbreite, Intensität und Quelldurchmesser einer Emissionslinie noch gleichzeitig verschiedene andere Emissionslinien aus derselben Beobachtungsrichtung gemessenen werden können.It is known that laser-generated x-ray plasmas have intense line radiation Emit photon energies of up to 1000 eV and more. For the applications such laser-generated x-ray plasmas it is important to keep the brilliance of the emission in to a certain photon energy range or even for a single emission line optimize; the brilliance depends e.g. B. sensitive to the power density of the Target focused laser light. The diagnosis and optimization of such Plasmas are significantly simplified if, besides line width, intensity and Source diameter of an emission line and various others at the same time Emission lines can be measured from the same observation direction.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, VUV-Strahlung und weiche Röntgenstrahlung zu monochromatisieren und in einen kleinen Fleck zu fokussieren. Zur Monochromatisierung der Strahlung werden beugende Strukturen wie Transmissions- und Reflexionsgitter oder Spiegel aus Vielfachschichten verwendet. Dabei tritt immer wieder das Problem auf, daß in geringem Maße auch Strahlung kürzerer harmonischer Wellenlängen in dieselbe Richtung gebeugt bzw. reflektiert wird wie Strahlung der grundharmonischen Wellenlänge, so daß sich die Strahlung höherer harmonischer Wellenlängen der Strahlung der grundharmonischen überlagert und das Spektrum verfälscht. Zur Fokussierung der Strahlung werden fokussierende Spiegel oder Transmissionszonenplatten eingesetzt - andere Transmissionsoptiken wie z. B. brechende Linsen gibt es aus physikalischen Gründen nicht. Die Gitter können auch auf fokussierende Spiegel aufgebracht sein, so daß mit einem Element Dispersion und Fokussierung des Strahlung erreicht wird, z. B. mit einem Toroidgitter.There are several ways to use VUV radiation and soft X-rays monochromatize and focus in a small spot. For Monochromatization of the radiation are diffractive structures such as transmission and multi-layer reflective gratings or mirrors are used. It always occurs again the problem that to a lesser extent radiation is also more harmonic Wavelengths are diffracted or reflected in the same direction as radiation fundamental harmonic wavelength, so that the radiation is higher harmonic Wavelengths of radiation are superimposed on the fundamental harmonic and the spectrum adulterated. Focusing mirrors or are used to focus the radiation Transmission zone plates used - other transmission optics such. B. there are no refractive lenses for physical reasons. The grilles can also be opened focusing mirror can be applied so that with an element dispersion and Focusing of the radiation is achieved, e.g. B. with a toroidal grid.
Für VUV-Strahlung und weiche Röntgenstrahlung wird aus physikalischen Gründen eine ausreichende Reflektivität an Festkörperoberflächen nur erreicht, wenn die Strahlung unter schrägen oder streifenden Einfall einfällt. Die Reflektivität kann erhöht werden, wenn die reflektierende Oberfläche mit einem Spiegel aus Vielfachschichten versehen ist. For VUV radiation and soft X-rays, there is one for physical reasons sufficient reflectivity on solid surfaces only achieved when the radiation under oblique or grazing incidence. The reflectivity can be increased if the reflective surface is provided with a multi-layer mirror is.
Die Fokussierung von Röntgenstrahlung mit Reflexionsoptiken in einen kleinen Fleck von weniger als 1 µm Durchmesser bereitet prinzipiell große Schwierigkeiten. Die spiegelnde Oberfläche muß extrem geringe Oberflächenrauhigkeit und bereits bei Bildweiten über 10 cm gleichzeitig extrem kleine Winkeltangentenfehler besitzen. Alle bisher verwirklichten Lösungen mit Reflexionsoptiken erfordern gekrümmte Substratoberflächen, d. h. sie enthalten fokussierende Spiegel, für die diese beiden Bedingungen technologisch gleichzeitig schwer zu realisieren sind. Wird die Oberfläche poliert, um die Rauhigkeit auf die nötigen Werte herabzusetzen, so kann sich der Winkeltangentenfehler der gekrümmten Oberfläche leicht wieder vergrößern. Dagegen lassen sich ebene Spiegeloberflächen mit geringerem Winkeltangentenfehler und mit geringerer Oberflächenrauhigkeit besser und dazu einfacher herstellen als gekrümmte Oberflächen fokussierender Spiegelsysteme.The focusing of X-rays with reflection optics in a small spot in principle less than 1 µm in diameter is very difficult. The reflective surface must have extremely low surface roughness and already Image widths over 10 cm also have extremely small angular tangent errors. All Previously implemented solutions with reflection optics require curved ones Substrate surfaces, i. H. they contain focusing mirrors for which these two Technologically, conditions are difficult to implement at the same time. Will the surface polished to reduce the roughness to the necessary values, so the Slightly increase the angular tangent error of the curved surface again. On the other hand flat mirror surfaces with less angular tangent error and with lower surface roughness better and easier to manufacture than curved ones Surface focusing mirror systems.
Es soll eine fokussierende und spektral hoch auflösende, nur aus einem optischen Bauelement bestehende Spektrographenoptik für den Röntgen- und VUV-Bereich realisiert werden, die sich auf einer reflektierenden ebenen Substratoberfläche befindet und mit der sich räumlich und spektral auflösende Diagnostik von Röntgenstrahlungsquellen bei einer oder mehreren Wellenlängen gleichzeitig betreiben läßt.It is said to be a focusing and spectrally high-resolution, only one optical Component existing spectrograph optics for the X-ray and VUV area can be realized, which is located on a reflective flat substrate surface and with the spatially and spectrally resolved diagnostics of Operate X-ray sources at one or more wavelengths simultaneously leaves.
Die gefundene Lösung der abbildenden Spektrographenoptik für den Röntgen- und VUV-Bereich bewirkt die Fokussierung von Röntgenstrahlung durch Beugung an den Zonenstrukturen einer Reflexionszonenplatte, deshalb kann die Oberflächenform des Substrates eben sein. Die hohe spektrale Zerlegung des Lichtes erfolgt dadurch, daß von einer Reflexionszonenplatte nur ein sehr achsenfernes Teilstück - im folgenden off-axis Reflexionszonenplatte genannt - erzeugt und benutzt wird. Eine off-axis Reflexionszonenplatte kann auch als ein Reflexionsgitter mit geringfügig variierender Liniendichte betrachtet werden, das durch zusätzliche geringfügige Krümmung der Gitterlinien abbildende Eigenschaften erhalten hat und daher eine Strahlungsquelle spektral aufgelöst und räumlich abbilden kann.The found solution of the imaging spectrograph optics for the X-ray and VUV area causes the focusing of X-rays by diffraction at the Zone structures of a reflection zone plate, therefore the surface shape of the Be substrate. The high spectral decomposition of the light takes place in that of of a reflection zone plate only a very distant section - in the following off-axis Called reflection zone plate - created and used. An off-axis Reflection zone plate can also act as a reflection grating with slightly varying Line density can be considered due to the additional slight curvature of the Has obtained grid-line imaging properties and therefore a radiation source can be spectrally resolved and spatially represented.
Fokussierung und spektrale Zerlegung des Lichtes erfolgt mit nur einem einzigen optischen Bauelement. Als Träger der Optik eignen sich ebene Substratoberflächen, die mit extrem geringem Winkeltangentenfehler und mit gleichzeitig extrem geringer Oberflächenrauhigkeit und viel preiswerter erhältlich sind als fokussierende Spiegel mit gekrümmten Oberflächen.Focusing and spectral decomposition of the light is done with just one optical component. Flat substrate surfaces are suitable as supports for the optics with extremely low angular tangent errors and at the same time extremely low Surface roughness and much cheaper are available as focusing mirrors with curved surfaces.
In Abb. 1 zeigt der Strahlengang und optische Elemente eines Spektrographen mit einer abbildenden Spektrographenoptik für den Röntgen- und VUV-Bereich.In Fig. 1 shows the beam path and optical elements of a spectrograph with a imaging spectrograph optics for the X-ray and VUV area.
Eine Röntgenquelle (1) kleinen Durchmessers, z. B. ein mit einem gepulsten Hochleistungslaser erzeugtes heißes Mikroplasma, emittiert Röntgenstrahlung und trifft unter streifendem Einfall unter dem Einfallfallswinkel α auf die off-axis Reflexionszonenplatte (2). In Abb. 1 ist das vollständige Zonenplattenmuster (3) in der Reflexionsebene (4) dargestellt, von der nur der durch die off-axis Reflexionszonenplatte (2) gegebene Ausschnitt hergestellt und benutzt wird. Die Zonenbreiten darin sind nahezu konstant; daher besitzt die off-axis Reflexionszonenplatte nahezu konstante Dispersion. Die off-axis Reflexionszonenplatte (2) erzeugt von der Röntgenquelle eine Reihe von Bildern (5) entlang ihrer optischen Achse (6). In der Bildebene einer Wellenlänge befindet sich eine röntgenstrahlungsempfindliche CCD-Kamera (7), die das Bild aufzeichnet und dieses auf einem Monitor sichtbar macht. Der röntgenoptische Aufbau befindet sich wegen der hohen Absorption von VUV- und weicher Röntgenstrahlung in einer Vakuumkammer.An X-ray source (1) of small diameter, e.g. B. one with a pulsed High-power laser generates hot microplasma, emits X-rays and hits under grazing incidence at the angle of incidence α on the off-axis Reflection zone plate (2). In Fig. 1 the complete zone plate pattern (3) is in the Reflection plane (4) shown, of which only through the off-axis reflection zone plate (2) given cutout is made and used. The zone widths in it are almost constant; therefore, the off-axis reflection zone plate is almost constant Dispersion. The off-axis reflection zone plate (2) generates one from the X-ray source Series of images (5) along their optical axis (6). In the image plane one Wavelength is an X-ray sensitive CCD camera (7) that the Record image and make it visible on a monitor. The X-ray optical Construction is due to the high absorption of VUV and softer X-rays in a vacuum chamber.
Prinzipiell ist es möglich, als beugendes und abbildendes Element auch eine von einer dünnen Folie getragene oder freitragende off-axis Zonenplatte in Transmission (7) einzusetzen. Solche off-axis Transmissionszonenplatten müssen aber viel feinere Zonen mit einer Breite von typisch unter 10 nm und einer Höhe von typisch <100 nm besitzen, um dieselbe Dispersion der Strahlung und denselben Beugungswirkungsgrad wie äquivalente off-axis Reflexionszonenplatten zu besitzen. Solche off-axis Transmissionszonenplatten sind aber bislang nicht verfügbar.In principle it is possible to use one of one as a diffractive and imaging element thin film supported or self-supporting off-axis zone plate in transmission (7) to use. Such off-axis transmission zone plates must have much finer zones with a width of typically less than 10 nm and a height of typically <100 nm, the same dispersion of radiation and diffraction efficiency as to have equivalent off-axis reflection zone plates. Such off-axis However, transmission zone plates are not yet available.
Durch die Verwendung einer off-axis Reflexionszonenplatte (2) wird das Problem der Fokussierung von Röntgenstrahlung in einen kleinen Fleck verlagert auf die Erzeugung sehr genau positionierter und geeignet gekrümmter linienförmiger Zonenstrukturen auf einem ebenem Substrat. Diese gekrümmten linienförmigen Zonenstrukturen lassen sich aber unter Einsatz von Elektronenstrahl-Lithographieanlagen erzeugen, da diese sind für Belichtungen von Elektronenresists auf dem ebenen Substrat konstruiert sind. Der belichtete Elektronenresist wird anschließend mit verschiedenen Prozeßschritten in beugende Zonenstrukturen weiterverarbeitet. Die gekrümmten linienförmigen Zonenstrukturen der off-axis Reflexionszonenplatte können rechteckiges Profil besitzen. Werden Zonenstrukturen sägezahnförmigen Profil (Blaze-Profile) erzeugt, so kann der Beugungswirkungsgrad der Optik deutlich gesteigert werden. Die Parameter der Optik wie Strukturhöhe, Strukturbreite, Einfallswinkel der Strahlung, Strukturmaterial lassen sich für unterschiedliche Wellenlängen aus dem Vakuum-UV und Röntgenwellenlängenbereich (bis zu < 1000 eV Photonenenergie ) anpassen. Mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographieanlagen können nahezu beliebige Zonenplattenmuster erzeugt werden. Daher kann die Brennweite der Optik und der röntgenoptische Abbildungsmaßstab vielen Anwendungen angepaßt werden. Die Optik kann z. B. genutzt werden, um Röntgenstrahlung aus Elektronen-Undulatoren zu monochromatisieren und zu fokussieren.By using an off-axis reflection zone plate (2) the problem of Focusing X-rays into a small spot shifted to generation very precisely positioned and suitably curved linear zone structures a flat substrate. These curved linear zone structures can be but produce using electron beam lithography equipment as these are for Exposures of electron resists are constructed on the flat substrate. Of the Exposed electron resist is then in various process steps in diffractive zone structures processed. The curved line Zone structures of the off-axis reflection zone plate can have a rectangular profile. If zone structures with a sawtooth profile (Blaze profiles) are created, the Diffraction efficiency of the optics can be significantly increased. The parameters of the optics such as structure height, structure width, angle of incidence of the radiation, structure material different wavelengths from vacuum UV and Adjust the X-ray wavelength range (up to <1000 eV photon energy). With help The electron beam lithography equipment can have almost any zone plate pattern be generated. Therefore, the focal length of the optics and the X-ray optics Image scale can be adapted to many applications. The optics can e.g. B. used to monochromatize X-rays from electron undulators and to focus.
Das Problem der Fokussierung von Röntgenstrahlung in einen kleinen Fleck ist gelöst durch die Erzeugung geeignet gekrümmter Gitterlinien, die auf einem ebenen Substrat großer Fläche (einige cm²) etwa 5-10 nm genau positioniert werden müssen. Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Verfahren um in einer Elektronenstrahl- Lithographieanlagen ein großes Feld auf einem Substrat mit einem Elektronenstrahl zu beschreiben. Das konventionelle Verfahren unterteilt ein großes Schreibfeld in viele kleinere Schreibfelder mit typischerweise 0.1 mm Kantenlänge. Durch Ablenkung des Elektronenstrahls werden sukzessive die kleinen Schreibfelder einzeln belichtet. Dabei treten Ablenkfehler des Elektronenstrahls auf, die genauestens vermessen und korrigiert werden müssen. Dazu müssen sehr aufwendige und damit kostenreiche Maßnahmen ergriffen werden. Ein modernes Verfahren zum Beschreiben großer Felder nutzt eine sogenannte Bahnkurvensteuerung. Dabei wird der Probentisch in feinsten Schritten mit weniger als 1 µm Schrittweite mechanisch verschoben und mit einem Laserinterferometer wird seine Position kontinuierlich mit hoher Genauigkeit gemessen. Die Feinpositionierung des Elektronenstrahls auf den zu belichtenden Probenort erfolgt durch Ablenkung des Elektronenstrahls um Bruchteile eines Mikrometers. Im Gegensatz zu den vergleichsweise großen Ablenkungen des Elektronenstrahls beim konventionellen Verfahren lassen sich bei derartig kleinen Ablenkungen generell die Ablenkfehler vernachlässigen. Daher kann auf aufwendige Korrekturverfahren verzichtet werden.The problem of focusing X-rays in a small spot has been solved by creating appropriately curved grid lines on a flat substrate large area (a few cm²) must be positioned approximately 5-10 nm. In principle there are two different methods of using an electron beam Lithography machines cover a large field on a substrate with an electron beam describe. The conventional method divides a large writing field into many smaller writing fields with typically 0.1 mm edge length. By distracting the The small writing fields are successively individually exposed to the electron beam. Here Deflection errors of the electron beam occur, which are precisely measured and corrected Need to become. This requires very complex and therefore costly measures be taken. A modern method for describing large fields uses one so-called path curve control. The sample table is in the finest steps Mechanically shifted less than 1 µm step size and with a laser interferometer its position is measured continuously with high accuracy. The Fine positioning of the electron beam on the sample location to be exposed takes place by deflecting the electron beam by fractions of a micrometer. In contrast to the comparatively large deflections of the electron beam in the conventional With such small distractions, the deflection errors can generally be used to neglect. Therefore, complex correction procedures can be dispensed with.
In weiterer Ausgestaltung der Optik ist geplant, eine Spektrographen-Optik mit mehreren auf einem Substrat übereinander angeordneten off-axis Reflexionszonenplatten verschiedener Brennweiten zu erzeugen. Damit sollen räumlich und spektral aufgelöste Bilder und die Intensitäten von Emissionslinien verschiedener Wellenlängen in der Detektorebene dem CCD-Bildaufnehmer gleichzeitig registriert und so Plasmaquellen bei unterschiedlichen Betriebsparametern untersucht und optimiert werden.In a further refinement of the optics, it is planned to use a spectrograph optics several off-axes arranged one above the other on a substrate To produce reflection zone plates of different focal lengths. This is supposed to be spatial and spectrally resolved images and the intensities of emission lines of different Wavelengths in the detector plane are simultaneously registered and recorded by the CCD image sensor so investigated and optimized plasma sources with different operating parameters will.
In weiterer Ausgestaltung der Optik ist geplant, sie auf einem Substrat zu erzeugen, auf dessen Oberfläche sich ein Spiegel aus Vielfachschichten befindet. Es ist bekannt, daß sich diese Spiegel für den Vakuum-UV und Röntgenwellenlängenbereich herstellen lassen.In a further embodiment of the optics, it is planned to produce them on a substrate the surface of which is a multi-layer mirror. It is known that these mirrors are manufactured for the vacuum UV and X-ray wavelength range to let.
In weiterer Ausgestaltung ist geplant, die Schichtenfolge des Spiegels mit einem geringen Gradienten der Schichtdicke zu versehen, so daß der Spiegel für harmonische Wellenlängen einer stark verminderte Reflektivität besitzt. Die Reflexionszonenplatte kombiniert mit einem derart modifizierten Spiegel besitzt die folgenden drei Eigenschaften: In einem einzigen Bauelement verwirklicht die Reflexionszonenplatte zugleich Bandpaßfilterung, Beugung und Fokussierung.In a further embodiment, the layer sequence of the mirror is planned with a to provide small gradients of the layer thickness, so that the mirror for harmonic Wavelengths of a greatly reduced reflectivity. The reflection zone plate combined with such a modified mirror has the following three Properties: The reflection zone plate is realized in a single component bandpass filtering, diffraction and focusing at the same time.
Anwenden läßt sich eine solche Optik in der Physik der gepulsten Hochleistungslaser. Solche Laser erzeugen durch Frequenzvervielfachung in geeigneten Medien Strahlung vieler harmonischer Wellenlängen im VUV-Bereich. Mit einer solchen Optik läßt sich dann Strahlung genau einer harmonischen Wellenlänge auskoppeln und auf die Probe eines Experiments fokussieren. Bislang werden hierfür im VUV-Bereich Spiegel aus Vielfachschichten benutzt, die kein ausreichendes spektrales Auflösungsvermögen besitzen und daher mehrere harmonische Wellenlängen gleichzeitig aus dem Strahl auskoppeln.Such optics can be used in the physics of pulsed high-power lasers. Such lasers generate radiation by multiplying the frequency in suitable media many harmonic wavelengths in the VUV range. With such an optic then couple radiation of exactly one harmonic wavelength and test it to focus an experiment. To date, mirrors have been used for this in the VUV area Multilayers used that do not have sufficient spectral resolution possess and therefore several harmonic wavelengths from the beam at the same time uncouple.
In weiterer Ausgestaltung der Optik ist geplant, diese mit großer lichtsammelnder Fläche und Apertur zu erzeugen, so daß die beugungsbegrenzte Auflösung <1 µm beträgt.A further design of the optics is planned, this with a large light-collecting surface and to produce an aperture so that the diffraction-limited resolution is <1 µm.
Es können kleine und monochromtische Brennpunkte erzeugt werden von stark kollimierter Strahlen z. B. von Undulatoren moderner Elektronenspeicherringe oder von kohärenter VUV Strahlung, die durch Frequenzvervielfachung mit gepulsten Hochleistungslasern erzeugt wird. Es werden nur ebene, feste Substrate als Träger der beugenden off-axis Reflexionszonenplatte benötigt, die viel genauer und preiswerter als gekrümmte Oberflächen herstellbar sind. Wegen des extrem schrägen Einfalls der Strahlung verteilt sich die Strahlung auf eine große Fläche. Strahlungsenergie, die nicht gebeugt wird, sondern in das Substrat eindringt und absorbiert wird, läßt sich daher gut durch rückwärtige Kühlung des Substrates abführen.Small and monochrome focal points can be created from strong collimated rays e.g. B. from undulators of modern electron storage rings or from coherent VUV radiation, which is pulsed by frequency multiplication High power lasers is generated. Only flat, solid substrates are used as carriers for the diffractive off-axis reflection zone plate needed, which is much more accurate and cheaper than curved surfaces can be produced. Because of the extremely oblique incidence of the Radiation spreads the radiation over a large area. Radiant energy that is not is bent, but penetrates into the substrate and is absorbed, can therefore be good dissipate by back cooling the substrate.
BezugszeichenlisteReference list
1 Röntgenquelle
2 off-axis Reflexionszonenplatte
3 Zonenplattenmuster
4 Reflexionsebene
5 Bild der Röntgenquelle
6 optische Achse
7 CCD-Kamera
8 Einfallswinkel α 1 x-ray source
2 off-axis reflection zone plate
3 zone plate patterns
4 reflection plane
5 X-ray source image
6 optical axis
7 CCD camera
8 angle of incidence α
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1995142679 DE19542679A1 (en) | 1995-11-16 | 1995-11-16 | X=ray spectrograph optics |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE1995142679 DE19542679A1 (en) | 1995-11-16 | 1995-11-16 | X=ray spectrograph optics |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19542679A1 true DE19542679A1 (en) | 1997-05-22 |
Family
ID=7777590
Family Applications (1)
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| DE1995142679 Withdrawn DE19542679A1 (en) | 1995-11-16 | 1995-11-16 | X=ray spectrograph optics |
Country Status (1)
| Country | Link |
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- 1995-11-16 DE DE1995142679 patent/DE19542679A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |