1　引　言

　　近年来,随着对天文学、空间天体物理、等离子体物理、材料科学及分子生物学等相关学科的深入研究,极紫外和软X射线光学的研究和利用已经成为国际上的前沿科学领域。软X射线多层膜反射镜,由于其具有高的反射率和窄的带宽而在天文学、显微成像、同步辐射、投影光刻、软X射线激光应用等方面起着重要作用,而这些应用大都要求软X射线反射镜的反射峰值处在特定波长。由于制作工艺复杂,反射镜的反射特性可能会与理论设计值有很大不同,为此非常有必要对反射镜的反射特性进行实验标定。单色仪是一种常用的分光仪器,它可以产生单色光﹑进行光谱分析和光谱特性的研究[1]。若要使用单色仪对多层膜反射镜的反射率及其峰值位置进行准确的测量,首先应对单色仪进行定标。

　　本实验室之前对Mcpherson247单色仪定标所采用的是以光栅方程为理论依据,通过测量空阴极光源的30.38、53.70和58.43 nm 3条发射光谱进行定标[2]的方法。但由于波长扫描器与单色仪之间连接杠杆脱扣而发生丢数,该单色仪需重新定标。又由于波长扫描器与单色仪在光栅方程中的对应关系已变得不准,故须选用其它方法进行定标。多次实验验证表明,仅通过测量He空阴极光源的发射光谱定标,结果只在>30 nm波段的测量较为准确,而对于<30 nm的波段误差较大,所以本次实验除了用空阴极光源发射光谱标定两点外,还要在<30 nm的波段找到另一标准点。本文介绍了一种新的定标方法:通过测量标准气体He空阴极光源的30.38和58.43 nm两条发射光谱和标定过的中心波长为13.90 nmMo/Si多层膜反射镜的反射率峰值位置,对Mcpherson247型EUV单色仪进行波长定标。

　　对标定结果做了分析,结果表明,在12~60 nm波段内,用激光等离子体光源软X射线反射率计测量多层膜反射镜反射峰值位置时,测量准确度为0.08 nm,测量重复性为±0.04 nm。

　　2　实验装置

　　2.1　EUV单色仪

　　本次实验标定的单色仪是Mcpherson247动狭缝掠入射单色仪,其只有一个光学元件即凹面光栅作为分光和聚光元件,这既提高了光谱分辨率和波段范围,又增加了到达探测器的能量,提高了探测系统的信噪比。工作波段为1~120 nm。入缝、出缝和光栅同在罗兰圆上,入射角是87°。凹面光栅的曲率半径为2 217.6 mm,刻划密度为600 l/mm,刻划面积为30 mm×50 mm,闪耀角为2.07°。由其工作原理可知,入射狭缝和出射狭缝位于直径为R的圆周上,即罗兰圆上。通过改变出臂长度rb的大小,在单色仪的出射狭缝处就可以得到相应波长λ的单色光,光栅方程[2-3]如下:

　　其中,ra是入臂长度;rb是出臂长度;R是凹面光栅的曲率半径;d是光栅的刻线密度;λ是波长。

　　2.2　EUV波段内空阴极光源

　　空阴极光源是一种具有高稳定性的气体放电光源,工作气体一般为He、Ne、Ar等。本次实验用的空阴极光源由筒状阳极、空阴极和差分室组成。阴极和阳极之间用聚四氟乙烯绝缘;采用双壁水冷方式制冷;空阴极由铜钨合金锥形阴极帽和铜阴极座组成,有利于导电和散热;为了解决真空过渡问题,光源与仪器间附加了一级差分泵系统,这样在光源前不需加任何窗口就能解决低真空到高真空的过渡,同时也有效地利用了光源的辐射[4],结构简图如图1所示。由美国NIST[5]给出的几种气体的光谱可知:在12~60 nm波段内对单色仪进行波长标定,He是最合适的工作气体,所以本次实验的工作气体选用的是He,如图2。但是从图中可以看出He的发射光谱在>30 nm波段有两个较强的谱线,且相距较远,<30 nm波段没有较强的谱线,所以有必要在12~30 nm波段找到一条较强的发射谱线。

　　用工作气体是He的空阴极光源定标时实验条件是,入射狭缝和出射狭缝宽度均为0.1 mm,高度为1 mm。此波段的探测器选用的是通道电子倍增器[6-7]。由于空阴极光源的光谱辐射强度比较弱,探测器应工作在计数模式下,暗计数为20个数。探测器工作电压为负2 500 V,输出信号放大倍数为5倍,空阴极光源与单色仪连接处差分口的直径为0.8 mm,光源电压为1 500 V,电流为0.4 A,系统工作时的真空度大约4.5×Pa。

　　2.3　激光等离子体光源软X射线反射率计

　　反射率计由激光等离子体光源、掠入射光栅单色仪、样品室、真空系统、样品台、光电探测系统和计算机控制系统等几个部分组成,如图3所示。用此系统定标时实验条件是单色仪的入射狭缝和出射狭缝的宽度均为0.15 mm,高度为2 mm,此波段的探测器选用的是AXUV-100系列Si光电二极管[9]。系统噪声为0.05 V,输出信号放大倍数为25倍,工作时的真空度大约为2.6 Pa。利用此套装置,通过扫描波长可以测量多层膜反射镜在某一正入射角的反射率随波长变化的曲线,从曲线图中可读出其反射峰值位置,这是本次实验关心的一个重点问题。

　　测量多层膜时,先将样品移出光路,记录下探测器测量的入射光信号IR,并记录下暗噪声IZ1,为了消除光源暗噪声对测量结果的影响,用IR-IZ1作为入射光信号;然后将被测样品移入光路,记录下探测器测量到的经样品反射后的反射信号IS,同样记录下暗噪声IZ2,用IS-IZ2作为反射光信号。在某一特定波长的反射率可由式(2)计算而得:

　　3　定标过程

　　3.1　理论计算

　　实验前,先用光栅方程计算出所选3点的理论值,以确定光谱响应的大致区域。将各已知值代入光栅方程中,得出3个波长对应的rb的理论值分别为312.83、436.75和592.94 mm。

　　3.2　实验定标过程

　　3.2.1　谱线He II 30.38 nm和He I 58.43 nm的测量

　　首先,把扫描波长读数定位到出射狭缝位置大约在592.94 mm处,并找到光谱辐射强度最强时出射狭缝的位置,开动波长扫描器将出射狭缝向>58.43 nm方向移动,观察辐射强度,直到找到辐射强度等于此时的暗计数20个数为止,记下此时的波长扫描器读数594.11 mm,扫描间隔为0.03 mm,直到测量到出射狭缝<58.43 nm方向上辐射强度等于暗计数20个数为止,此时波长扫描器读数为592. 58 mm。其次,再测量两次58.43 nm的光谱分布来验证其校正情况。然后按照上述方法测量3次30.38 nm的发射光谱。

　　实验结果见表1。

　　3.2.2　中心波长为13.9 nm的Mo/Si多层膜反射镜反射峰值位置的测量

　　(1)定标前的准备工作

　　调节可见光的光路并调节探测器的高度以确定探测器的零点位置,粘贴样品并确定样品台零度入射点。当反射光和入射光重合时,把此时样品台的位置设为180°,将样品室密封好,真空度达到2.6 Pa时开时测量。为了获得稳定性和重复性较好的极紫外辐射,减少光源不稳定性对测量结果的影响,可采用多次测量平均统计方式获取一个数据点,并在测量前不时地转动靶以找到一个相对稳定的打靶位置再进行测量。

　　(2)定标过程

　　首先参照测量HeⅠ58.43 nm谱线的方法,把扫描波长读数定位到出射狭缝位置大约在312.83 mm处,并将样品台与探测器置于反射位置,然后小角度的调节样品台和探测器的位置,找到光谱辐射强度最强时出射狭缝的位置,从波长扫描器读数319.53 mm的位置开始测量,扫描间隔是0.13 mm,直到测量到波长扫描器读数306.58 mm为止;然后测量入射位置时的谱线;将反射和入射的数据代入Origin,利用式2画出其反射率随波长变化的曲线;最后再测量两次中心波长为13.90 nm的Mo/Si多层膜反射镜反射入射对应的谱线来验证其校正情况。实验结果见表1。

　　3.3　定标结果检验及分析

　　将测量点数据输入Origin,做一元二次方程(公式3)曲线拟合,得到单色仪波长-出射狭缝位置定标曲线,如图4所示。

　　式中,y表示波长;x表示出射狭缝的位置;A=-2.23,,均为常数。

　　用定标后的EUV单色仪测量定标过的中心波长为18.70的nm Mo/Si多层膜反射镜的反射峰值位置,测量结果如表2。由表2可以看出,在12~60 nm波段内,用激光等离子体光源软X射线反射率计测量多层膜反射镜反射峰值位置时,测量准确度为0.08 nm,测量重复性为±0.04nm。实验中产生的误差源于以下两个方面:光源的不稳定性是单色仪本身的固有误差,不能消除只能适当的减小,可采用多次测量平均统计方式获取一个数据点并在测量前不时地转动靶以找到一个相对稳定的打靶位置的方法来减小;另一个导致定标产生误差的主要因素是机械转动误差:多层膜样品平移、转动装置的机械误差主要是指3次测量曲线并不是在完全相同入射角下获得的,入射角的变化是由两个探测器位置交替时机械转动误差引起的,波长扫描装置的机械误差(波长扫描器杠杆转动一圈,相应出射狭缝的移动距离为1.27 mm,并且杠杆每转动100圈,出射狭缝的移动距离误差为0.01 mm,对应的波长变化是0.02 nm)对定标精度也会有一定的影响。另外Mo/Si多层膜反射镜本身的固有特性对测量结果也有一定的影响。

　　4　结　论

　　本文提出了一种EUV单色仪波长标定的新方法,即通过测量标准气体He空阴极光源的30.38和58.43 nm两条发射光谱和标定过的中心波长为13.90 nm的Mo/Si多层膜反射镜的反射率峰值位置,对Mcpherson247型EUV单色仪进行波长定标。实验结果表明,在12~60 nm波段内,用激光等离子体光源软X射线反射率计测量多层膜反射镜反射峰值位置时,测量准确度为0.08 nm,测量重复性为±0.04 nm。定标误差的来源主要是光源的不稳定性和机械转动误差。

　　为了更加准确地测量多层膜反射镜的反射率峰值位置,下一步的工作将是提高光源稳定性和机械转动精度,具体分析光源稳定性对测量结果的影响,改进测量装置,研制一个带观察窗口的高精度多层膜样品平移和转动机构,提高测量精度。利用定标后的EUV单色仪可以更加准确地测量出软X射线多层膜反射镜的反射峰值位置,这项工作给天文学、同步辐射、软X射线激光应用等方面的研究奠定了基础。

　　5　致　谢

　　参加本文工作的研究人员,除作者外还有马月英高级工程师、王晓光工程师,以及博士生范鲜红、王丽辉,硕士生李旭等。在此对他们的辛勤工作表示衷心的感谢。

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　　作者简介:董宁宁(1981-),女,吉林长春人,助理工程师,主要从事短波光学研究。E-mail:xiaosiyao@sina、com、cn

　　陈　波(1961-),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,主要从事短波光学的研究。E-mail:chenb@ciomp、ac、cn、