软X射线-真空紫外波段光谱光源研究

　　光谱学与光谱分析软X射线真空紫外波段光谱光源研究陈波，尼启良，曹健林，李福田，陈星旦中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，应用光学国家重点。

　　为使连续光谱辐射重复而稳定，氩弧以流动供气方式工作。来自气瓶的氩气纯度为99.99，经气体净化器后纯度达99.999；再经截止阀、微调阀、流量计及压强传感器进入氩弧光源，废氩经流量计、微调阀、截止阀和气体泵排放。

　　由于气体不断更新，因而降低了弧室及气体系统中空气和水蒸气杂质含量，使其发射的杂质谱线（如氧、氮、碳和氢等）强度减弱。弧室内压强一般在0.1~ 2MPa，由压强传感器监测，准确度为*0. 1左右。有差分泵单元时，氩气入口流量为4.9Lmin-1，出口流量为0. 3Lmin，其余由差分泵单元排放。无差分泵单元时，出口和入口流量同为0.3L氩弧光源大工作电流40A，工作电压53V，由高精度直流稳流电源供电，电流稳定度达0.02*h-1.光源光谱辐射稳定性和重复性优于*0.为得到较高的等离子体温度和电子密度产生黑体谱线，本研宄所特别研制了10kWf大功率壁稳氩弧光源；为满足实验室一般应用还研制了普及型1kWf氩弧光源；从而形成了1，2.5和10kW「的壁稳氩弧紫外-真空紫外光源系列，适合于各种不同的应用目的。

　　2软X射线潘宁气体放电光源131软X射线潘宁光源由阴极、阳极和磁铁3部分组成，结构如所示。相对放置的两个阴极尺寸形状一致，各包括1个由铜合金制成筒状的阴极座和1个由高导磁率合金制成的圆形盖板，阴极座和盖板中间放置一块磁铁。

　　阴极固定在阴极座上，可更换。阴极直径020mm，厚8mm，材料为铝合金或镁合金。当工作电流为500mA时，溅射率为0.8mmh-1，因此在500mA大电流工作时，阴极寿命约为8~ 10h.阳极呈圆环状，共两片，由铜合金制成，在竖直方向形成直径为20mm的放电通道。利用高导磁材料制成的紧压螺栓不但将阴极-阳极-阴极紧固密封，而且又在主放电室外形成封闭磁路以防止漏磁。测试表明，当磁铁间隙为34mm时，放电通道中心磁感应强度可达0. 1T.为防止阴极、阳极、磁铁过热，阴极和阳极分别通水冷却，水流量约为2LMmin-1.潘宁光源由一台直流稳流电源供电，高电压2000V，大电流500mA，电流稳定性优于*0.5与通常的气体放电不同，潘宁放电中在放电通道的轴向施加了一个很强的均匀磁场。这样，从阴极发出的电子在飞向阳极的过程中被磁场约束，在电场和磁场的共同作用下作滚轮线运动。电子的空间轨道大大加长，与气体分子碰撞电离、碰撞激发几率也相应增加。放电形成的正离子打到阴极上，形成阴极物质的溅射，在放电区域中心形成的等离子体中产生工作气体和电极材料的高次离子谱线。给出了Penning光源采用铝电极的软X射线-真空紫外光谱分布图。

　　可以看出10nm以上在连续辐射的背景上根据所用工作气体和电极材料的不同，出现了为数众多的强的高次离子谱线。

　　光谱图由McPherson247掠入射真空紫外单色/摄谱仪获得。

　　潘宁光源光强稳定性由工作气压稳定性、电极表面状况及电源稳定性所制约。测试结果表明本所研制的潘宁光源光谱辐射稳定性可达5h-*RMS）。

　　3双等离子体光源41双等离子体光源由热阴极、障板电极及阳极等3部分构成，结构如所示。3块轴向磁化的环状钡铁氧体用来产生磁场，表面磁感应强度约为0.1T.磁流由一磁极发出，经前紧固法兰和光阑体后，越过磁隙再经障板电板和后紧固法兰回到另一磁极。为保证障板电极与光阑体之间磁流比较集中，光栏体、前紧固法兰、障板电极、后紧固法兰均由导磁性能较好的纯铁制成。采用氧化物灯丝作阴极，灯丝电流25A，由直流稳流电源加热，电流稳定性优于0.丝使用前做活化处理，提高了电子发射效率。放电电流3~ 5A，也由直流稳流电源通过分压电阻提供。电流稳定性优于0.05'h-、阴、阳极间电压降约为40~ 50V.光源采用水冷，水流量为2卜min-1.纯度为99.99的氩或氦工作气体经双级微调阀减压后进入光源，工作气压约为4~20Pa.双等离子体光源中既应用了机械约束，又应用了磁场约束。热阴极发射的电子在电场作用下使工作气体电离，并在热阴极和障板电极间形成无任何约束的自由等离子体。与此同时，未被热化的另一部分电子继续向阳极运动，并因障板电极孔径突然减小而受到箍缩。

　　给出了双等离子体光源用真空紫外干板摄取的光谱子和离子谱线。观测到波长短的是Hell测试是在McPherson247掠入射真空紫外摄谱/单色仪上进行的。

　　双等离子体光源光谱辐射稳定性受工作气压、放电电流和几何结构的影响。测试表明，我们研制的双等离子体光源光谱辐射稳定性优于3.h-、4真空紫外空阴极光源151真空紫外空阴极光源由空心阴极、筒状阳极、光源室及差分泵单元4部分组成，结构如所示。为保证光源在大电流下长期稳定工作，光源的空阴极在设计和工艺上有以下特点：用极低溅射率且加工性能良好的铜钨合金制成空阴极；选择合理的结构并保证阴极有效使用面积大；阴极座由导热性能良好的材料制成，通水冷却使阴极工作温度不致过高。

　　屏蔽罩，防止阴阳极之间侧向直接放电。铝制的阳极呈锥状，直径60mm，水冷。光源工作气压约为10Pa为连接到真空度达10-4Pa的真空紫外光谱仪系统，光源附带差分泵单元，当光源内气压为10Pa时，可保证测量系统真空度达给出了空阴极光源真空紫外光电记录光谱图。在放电电流380mA，电压1 500V，氩气压10Pa时。可得到Aril等原子和离子谱线。采用H-Ne混合气体，电流400mA，电压1500V，气压40Pa可摄得Hell30l4nm及Hel58.4nm原子线，且Hell30.4nm比Hel58.4nm要强。光电记录测得波长短的是Hell 25.6nm离子线。

　　空阴极光源光谱辐射稳定性与空阴极表面粗糙度、工作气压及电流稳定度有关。实测结果表明，空阴极光源光谱辐射稳定性可达*1.h-、5激光等离子体光源16，71激光等离子体（LPP）光源是聚焦高能短脉冲激光束于靶体上产生高温等离子体，等离子体在复合过程中产生软X射线辐射。早期常用的LPP光源是由高原子序数材料构成的金属或非金属靶LPP光源，这种LPP光源激光-软X射线转换效率高，光谱辐射稳定性好，有连续的辐射光谱。但是，这种光源溅射极为严重，不适合于对环境要求严格和长期连续工作时使用，本研宄所曾经开展过这种光源的研制工作。为了限制或彻底消除LPP光源溅射的污染，我们在金属靶LPP光源研宄基础上，进行了冷冻靶、气体靶和液滴靶LPP光源冷冻靶光源的关键技术是无污染冷冻靶的形成，为此我们采用常温下C2气体作为工作物质，将其在真空状态下冷冻成固体靶，这种冷冻靶LPP光源产生等离子体后溅射出的碎屑迅速气化，不会对附近的光学元件造成大的损伤。固态C2靶的形成利用了低温气体沉积技术，首先在真空靶室内造成局部低温的气体沉积面，然后通入被冷冻气体，当气体沉积面的温度低于被冻气体的凝为固态的临界温度时，气体就会沉积在低温面上变成固态。我们设计的气体冷冻靶光源结构如所示。

　　此外，我们还研制了喷气靶激光等离子体光源，光源由快速脉冲喷气阀门向真空靶室中喷出高压工作气体，在真空状态下喷嘴附近局部范围内产生高气压团簇；在气体喷出的同时，聚焦高能脉冲激光于喷气靶上并产生高温等离子体。

　　这种光源既可以产生软X射线辐射，又可以消除因固体靶碎屑飞溅对等离子体附近光学元件的污染。但这种靶的气体密度直接影响LPP光源的辐射亮度，其辐射亮度与固体靶相差甚远。因此该光源只能为一些对光源亮度要求不高的研宄所用，光源工作原理如0所示。

　　在真空靶室内伸入导热良好的冷头，冷头上配有低温气体沉积面，冷头与位于真空靶室外装有液氮的冷源相连。进入真空靶室的CO2气体的量由高真空针阀控制，并由毛细导管通入低温面附近，在低温沉积面上可形成微小的固态C2靶。通过。在气体喷嘴外面加上液氮恒温制冷装置，温度控制范围为-77~473K，控制精度可达0.2K.当气体通过低温区域时形成微小液滴，微小液滴在高压气体的推动下喷入真空靶室内。与此同时触发激光器工作，聚焦强激光束于液滴靶上产生高温等离子体。微液体滴的密度远高于气体的密度，因而可以产生较高强度的软X射线辐射。2为Xe和Kr靶所产生的软X射线光谱分布。实验测得在13nm处的激光-软X射线转换效率为0.75/2sr/2带宽，且可以在真空靶室外部不断供给工作气体，确保光源长期稳定工作。

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