CC BY
10
УДК 535-31:535.317.681
ОДНОЛИНЗОВЫЙ МОНОХРОМАТОР ИЗ ФТОРИДА МАГНИЯ НА ОБЛАСТЬ ДЛИН ВОЛН 113-140 НМ
Е. А. Вишняков, А. О. Колесников, А. В. Митрофанов
Описана оптическая схема компактного фокального мо-нохроматора с плосковыпуклой линзой из монокристалла фторида магния для получения и анализа спектров пропускания образцов в вакуумном ультрафиолете в полосах прозрачности воздуха в области длин волн 113-140 нм. Малые расстояния от источника до детектора в интервале от 5 до 40 мм позволяют работать на воздухе, используя наличие полос совместного пропускания кислорода и водяного пара на длинах волн 114.2, 116.4, 118.5, 121.2, 123.5 и 127.0 нм. Рассчитаны спектры поглощения воздушного зазора различной толщины в исследуемой области спектра. Измерены спектры дейтериевой лампы в области 113-140 нм после прохождения излучения через воздушный зазор различной толщины. Спектральная разрешающая способность монохроматора, достигающая 50 вблизи границы пропускания фтористого магния, определяется совместным вкладом дисперсии линзы и фильтрацией излучения в полосах спектрального пропускания воздуха.
Ключевые слова: фокальный монохроматор, однолинзовый монохроматор, фторид магния, MgF2, вакуумный ультрафиолет, ВУФ.
Введение. Монохроматоры различных типов [1] широко применяются в физических и биологических экспериментах. Диспергирующими элементами монохроматоров в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и мягкой рентгеновской областях спектра, в том числе при использовании на воздухе, служат призмы [2], дифракционные решётки [3], в том числе с неэквидистантными штрихами [4], и комбинации призм и решёток [5].
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: vishnyakovea@lebedev.ru.
В данной статье мы описываем принципы работы фокального монохроматора с одиночной миниатюрной линзой из монокристалла фторида магния (линза с радиусом кривизны 2 мм и толщиной по оси 1.4 мм была изготовлена в ФИАНе В. С. Масловым [6]). Такой прибор может быть использован для исследований ВУФ спектров пропускания полимеров, трековых мембран и органических пленок [7], причем измерения можно проводить не только в вакууме, но и на воздухе при комнатных условиях.
Оптическая схема монохроматора. Фокальные монохроматоры известны ещё со времён Х. Рубенса и Р. Вуда [8], но в настоящее время используются редко. Фокальный монохроматор (рис. 1) состоит из фокусирующей линзы и подвижной диафрагмы перед детектором. Так как фокусное расстояние линзы зависит от Л, то перемещение диафрагмы позволяет эффективно выделять сигнал на определённых длинах волн, при этом регистрируя спектр. Фокальный монохроматор оказывается тем более эффективным, чем сильнее дисперсия материала линзы в рассматриваемой области спектра.
Рис. 1: Схема фокального монохроматора на основе одиночной плосковыпуклой линзы. Излучение от источника Б фокусируется на различных участках оптической оси для разных Л. Возможны варианты как с экраном Е, так и без него. Перемещение точечной диафрагмы Б позволяет выделять излучение с определённой длиной волны.
В 1984 году сотрудники Белловской Лаборатории (США) Т. Чайлдс, В. Ройер и Н. Смит впервые описали простой фокальный ВУФ монохроматор на основе линзы из фтористого лития [9]. Их монохроматор был предназначен для спектральной области с энергией фотонов вблизи границы пропускания ЫЕ (Е < 11.7 эВ, Л > 106 нм).
Мы предлагаем компактный фокальный ВУФ монохроматор с миниатюрной одиночной плосковыпуклой линзой из фторида магния для работы в ВУФ полосах прозрачности воздуха в спектральной области 113-140 нм, где М^;Е2 обладает более сильной дисперсией, чем ЫЕ, что позволяет достичь более высокой разрешающей способности.
£
Кроме того, фтористый магний не столь гигроскопичен, как ЫЕ. Поэтому использование линзы из и сокращение расстояния от источника до детектора до 10-20 мм может позволить проводить измерения характеристик образцов, например, прозрачности тонкоплёночных фильтров, не только в вакуумной камере, но и на воздухе при комнатных условиях в окнах прозрачности атмосферы [10].
Рис. 2: Спектры поглощения молекул 02 (а) и Н20 (б) в диапазоне 113-130 нм [11,12], а также рассчитанные спектры излучения водородной лампы после прохождения излучения через воздушный зазор длиной Ь =10 мм (в) и 40 мм (г).
Результаты моделирования и эксперимента. Основными поглощающими агентами в ВУФ в воздухе выступают молекулярный кислород и пары Н20. На рис. 2 представлены спектры коэффициентов поглощения молекул кислорода (а) и водяного пара (б) в диапазоне 113-130 нм, а также численно смоделированные спектры излучения водородной лампы в диапазоне 113-130 нм, испытавшие поглощение воздушного зазора длиной
Ь =10 мм (в) и Ь = 40 мм (г) между лампой и детектором. Спектры поглощения молекул кислорода и водяного пара в ВУФ взяты нами из работ [11, 12]. Исходный спектр излучения водородной лампы для расчёта был взят из [13]. В расчётах использовались параметры воздуха в лаборатории: атмосферное давление р = 743 торр, температура +21 °С, отн. влажность 87%.
Совпадающие полосы прозрачности кислорода и водяного пара соответствуют длинам волн 114.2, 116.4, 118.5, 121.2 и 123.5 нм, что подтверждается приведёнными на рис. 2 смоделированными спектрами (в) и (г). Видно, что при увеличении расстояния от источника до детектора с Ь = 10 мм до Ь = 40 мм излучение в более слабых полосах прозрачности (121.2, 123.5 нм, а также в слабых полосах 115.4 и 127.0 нм) постепенно исчезает, а остаётся только в трёх наиболее сильных полосах: 114.2, 116.4, 118.5 нм.
Рис. 3: (а) Схема фокального монохроматора с миниатюрной линзой ИдЕ2 (внешний вид на врезке) и подвижной диафрагмой; (б) эксперимент по регистрации влияния поглощения воздуха в зазоре Ь на спектр дейтериевой лампы ЛД-3 (источник Б) при помощи двухрешёточного монохроматора ТУЫ-в; (в) спектры, зарегистрированные в диапазоне 113-140 нм в схеме (б) при различных значениях зазора Ь. Спектр (3) приведён в натуральную величину, спектры (1) и (2) уменьшены в 27 раз ив 4 раза, соответственно, а спектры (4) и (5) увеличены в 2 ив 4 раза, соответственно.
Спектральная область 113-140 нм удобна для проведения исследований, так как здесь расположены сильные линии излучения молекул водорода и дейтерия [13-15]. В эксперименте по регистрации влияния поглощения воздуха в зазоре различной длины
Ь на спектр в области 113-140 нм мы использовали дейтериевую лампу ЛД-3 с выходным окном и двухрешёточный вакуумный монохроматор ТУМ-8 со спектральным разрешением 0.8 нм (рис. 3). Монохроматор ТУМ-8 построен по двукратной схеме Джонсона-Онака с вычитанием дисперсии, детектор - солнечно-слепой ФЭУ-142.
Результаты измерений, приведённые на рис. 3(в), демонстрируют ослабление излучения в относительно слабых полосах прозрачности воздуха (115.4, 121.2, 123.5 и 127.0 нм) при увеличении воздушного зазора Ь от 1.5 мм до 20 мм. Лишь в полосах прозрачности 116.4 нм и 118.5 нм остаются относительно сильные линии излучения при Ь = 20 мм. Из-за сильного поглощения материала окна дейтериевой лампы, в зарегистрированном спектре отсутствуют линии излучения в полосе прозрачности 114.2 нм, а интенсивность в полосе 116.4 нм оказывается ниже, чем в полосе 118.5 нм (ср. рис. 3(в) для дейтериевой и рис. 2(г) для водородной лампы).
1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2.0 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8
Расстояние линза-диафрагма, мм Расстояние линза-диафрагма, мм
Рис. 4: Численно смоделированные спектры, регистрируемые на детекторе в схеме фокального монохроматора (а) при отсутствии экрана Е на рис. 1 и (б) при наличии экрана Е диаметром 2 мм, закрывающего параксиальные лучи. Спектры рассчитаны на случай дейтериевой лампы при расстоянии от линзы до детектора д =20 мм.
На рис. 4 представлены расчёты спектров, которые будут зарегистрированы при помощи фокального монохроматора с расстоянием д =20 мм от линзы до детектора, при перемещении диафрагмы Д на рис. 1 в двух случаях: при отсутствии экрана Е, который перекрывает параксиальные лучи, и при его наличии. В расчётах использован диаметр отверстия диафрагмы 5 мкм, положение диафрагмы отсчитывается от плоской поверхности линзы. В качестве источника взята дейтериевая лампа, расчёты проведены
с учётом поглощения материала М^Ег-линзы [16]. В имеющейся схеме разрешающая способность монохроматора на длине волны 116.4 нм составляет R ^ 55. Отметим, что фторид магния обладает двулучепреломлением, однако это не заметно при R < 100.
зЗаключение. В работе предложен фокальный монохроматор на основе одиночной плосковыпуклой сферической М^Е2-линзы для работы на воздухе в ближнем ВУФ диапазоне спектра вблизи границы пропускания MgF2 (в области 113-140 нм). При сравнительно небольших расстояниях от выходного окна источника (дейтериевой или водородной лампы с окнами из фтористого магния [14, 15]) до детектора излучения в пределах от 2 мм до 20-40 мм сигнал на некоторых длинах волн в областях совместного пропускания молекул кислорода и водяного пара (114.2, 116.4, 118.5, 121.2 и 123.5 нм) оказывается достаточно интенсивным для детектирования и последующего анализа.
Описываемый компактный фокальный монохроматор с подвижной точечной диафрагмой может быть использован для экспресс-анализа спектров пропускания тонких плёнок, фильтров и других образцов на воздухе с умеренной спектральной разрешающей способностью ~50.
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. С. Топорец, Успехи физических наук XL(2), 255 (1950). DOI: 10.3367/
UFNr.0040.195002c.0255.
[2] А. Г. Турьянский, О. В. Коновалов, С. С. Гижа, Н. Д. Бейлин, Письма в ЖЭТФ
100(8), 601 (2014). DOI: 10.1134/S0021364014200119.
[3] А. О. Колесников, Е. А. Вишняков, Е. Н. Рагозин, А. Н. Шатохин, Квант. электроника 50(10), 967 (2020). DOI: 10.1134/S1063784220110109.
[4] Е. А. Вишняков, А. О. Колесников, Е. Н. Рагозин, А. Н. Шатохин, Опт. спектроск.
125(5), 687 (2018). DOI: 10.1134/S0030400X18110346.
[5] Sh. Hashimoto, T. Ikeda, H. Takeuchi, I. Harada, Appl. Spectrosc. 47(8), 1283 (1993).
DOI: 10.1366/0003702934067775.
[6] В. С. Маслов, А. В. Митрофанов, Труды Шестой Всероссийской конференции по
физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с
веществом, с. 236 (1982).
[7] A. V. Mitrofanov, D. N. Tokarchuk, T. I. Gromova, et al., Radiat. Meas. 25(1-4), 733
(1995). DOI: 10.1016/1350-4487(95)00234-6.
[8] H. Rubens, R.W. Wood, XXVII. Focal isolation of long heat-waves. The London,
Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 21:122, 249
(1911). DOI: 10.1080/14786440208637025.
[9] T. T. Childs, W. A. Royer, N. V. Smith, Rev. Sci. Instr. 55(10), 1613 (1984). DOI: 10.1063/1.1137626.
[10] А. Н. Зайдель, Е. Я. Шрейдер, Спектроскопия вакуумного ультрафиолета (М.,
Наука, 1967), с. 349.
[11] Х. Окабе, Фотохимия малых молекул (М., Мир, 1981), с. 214.
[12] K. Watanabe, and M. Zelikoff, J. Opt. Soc. Amer. 43(9), 753 (1953). DOI:
10.1364/J0SA.43.000753.
[13] В. М. Тийт, Р. В. Шацкина, Атлас многолинейчатого спектра молекулярного водорода: область 102.5-165 нм (Таллин, Бит, 1981).
[14] Л. П. Шишацкая, С. А. Яковлев, Г. А. Волкова, Оптический журнал № 7, 72 (1995).
[15] И. А. Невяжская, В. А. Тяпков, Н. В. Шилина, В. Б. Шилов, Оптический журнал
79(8), 108 (2012). DOI: 10.1364/J0T.79.000521.
[16] M. W. Williams, E. T. Arakawa, Appl. Opt. 18(10), 1477 (1979). DOI: 10.1364/
AO.18.001477.
Поступила в редакцию 17 февраля 2022 г. После доработки 25 апреля 2022 г. Принята к публикации 25 апреля 2022 г.
