用空心阴极光源标定极紫外-软X射线单色仪

　　1　引　言

　　随着等离子体物理、空间天体物理、激光受控核聚变、X射线激光技术、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射线光学的研究利用已经成为国际上极其活跃的前沿科学领域。因为其波长比可见光和紫外光短,所以此波段的光射有着独特的特性[1,2]。要想产生单色极紫外-软X射线辐射,最常用的方法之一就是用这个波段的单色仪系统对光辐射进行分光。但是,在利用单色仪进行各种实验前,必须先用标准光源对其进行波长标定,使其能准确地进行波长扫描。本文通过测量标准空心阴极光源的发射光谱,对Mcpherson247单色仪进行波长标定。

　　2　空心阴极光源的工作原理及其结构

　　空心阴极光源是一种稳定的气体放电光源,工作气体一般为He、Ne、Ar等,放电区域主要是阴极暗区、负辉区和正柱区。辉光放电时几乎全部电压都加在阴极暗区,电子和离子在这个区域得到加速,获得动能的电子紧接着进入负辉区与离子或原子发生碰撞使之成为激发态,激发态原子或离子跃迁到基态就产生了辉光光谱。正柱区大小由电极间的距离决定,当阴极为圆柱状时,就会环绕阴极筒壁形成环状辉光放电,当辉光放电的负辉区都集中到圆筒的轴线上时,就会发生空心阴极效应,这时,轴线上产生一个公共负辉区,光强和电流突然增加,比一般的辉光放电大几百倍。

　　实验用的空心阴极光源由筒状阳极、空心阴极和差分室组成。空心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;阳极由铝制成,呈筒状;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,结构简图如图1所示。

    由美国NIST[3]给出的几种气体的光谱可知:在1~100nm波段内对单色仪进行波长标定,He是最合适的工作气体。因为He的发射光谱是离散的,较强的谱线有三条以上,且彼此之间相距很远,如图2所示。

　　3　单色仪的原理及其结构

　　由于极紫外-软X射线极易被介质吸收,因此,极紫外-软X射线范围内的单色仪通常采用掠入射工作方式,用凹面光栅完成分光和聚焦功能,减少光束反射次数,提高信号的传输效率。

　　凹面光栅的光程方程为[4]

　　式中ra为入臂长度;rb为出臂长度;R为凹面光栅的曲率半径。α和β是在xy平面上测得的入射角和衍射角,因为它们在光栅平面法线的异侧,所以符号相反,即:0°<α<90°,-90°<β<0°。

　　求解方程(2),得到

　　式中d为光栅的刻线密度; m为衍射级次;λ为波长。