УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПЛАЗМЕННОГО ОБЪЕКТА В МЯГКОМ РЕНТГЕНОВСКОМ И ЭКСТРЕМАЛЬНОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНАХ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ, ПРОСТРАНСТВЕННЫМ И ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЯМИ ОДНОВРЕМЕННО
APPARATUS FOR OBTAINING IMAGES OF A PLASMA OBJECT IN SOFT X-RAY AND EXTREME ULTRAVIOLET SPECTRAL RANGES WITH SPECTRAL, SPATIAL AND TEMPORAL RESOLUTIONS SIMULTANEOUSLY

Изобретение относится к области диагностики плазмы и предназначено для исследования излучения лазерной и электроразрядной плазмы в мягком рентгеновском (далее - MP) и экстремальном ультрафиолетовом (далее - ЭУФ) спектральных диапазонах.
Известно устройство для получения спектральных изображений плазменного объекта в MP спектральном диапазоне, содержащее расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры, пропускающую дифракционную решетку и микроканальный детектор, и оптически связанное с микроканальным детектором средство для регистрации спектральных изображений на основе ПЗС-матрицы (см. статью Т. Wilhein et al «А slit grating spectrograph for quantitative soft x-ray spectroscopy)), The Review of scientific instruments, March 1999, Vol.70, №3, pp.1694-1699 [1]).
Недостаток известного устройства состоит в том, что с его помощью можно получать изображения плазменного объекта лишь со спектральным разрешением, что ограничивает область применения устройства.
Раскрытое в [1] устройство принято в качестве ближайшего аналога заявленного устройства.
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании устройства для получения изображений плазменного объекта в MP спектральном диапазоне (а также ЭУФ спектральном диапазоне), имеющего широкую область применения.
При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности получения изображений плазменного объекта со спектральным, пространственным и временным разрешениями одновременно.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания устройства для получения спектральных изображений плазменного объекта (далее - ПО) в MP и ЭУФ спектральных диапазонах, содержащего расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры, пропускающую дифракционную решетку (далее - ПДР) и микроканальный детектор (далее - МКД), и оптически связанное с МКД средство для регистрации изображений. Устройство снабжено щелевой маской, расположенной, с прохождением упомянутой оси через ее центр, перед упомянутой ПДР, таким образом, что ее щели, находящиеся на равных расстояниях друг от друга, перпендикулярны штрихам упомянутой ПДР, в качестве упомянутого МКД выбран многополосковый или четырехсекторный МКД. Количество упомянутых щелей равно количеству полосков многополоскового МКД или двум, в случае, если выбран четырехсекторный МКД. Рабочая длина  ПДР выбрана из соотношения:
где D - рабочий характеристический размер МКД,
а - расстояние от ПО до ПДР,
b - расстояние от ПДР до МКД.
В частном варианте выполнения устройство расположено внутри сборного корпуса, образующего вакуумный канал.
В предпочтительном варианте выполнения на участке сборного корпуса между упомянутой пропускающей дифракционной решеткой и упомянутым микроканальным детектором использовано гибкое соединение.
На фиг.1 показано схематичное изображение заявленного устройства, в состав которого входит многополосковый МКД.
На фиг.2 показано схематичное изображение заявленного устройства, в состав которого входит четырехсекторный МКД.
Устройство для получения изображений плазменного объекта в MP и ЭУФ спектральных диапазонах, показанное на фиг.1 и фиг.2, содержит расположенные последовательно на одной оси, соединяющей их центры (которая также проходит через центр ПО 1), щелевую маску 2, предназначенную для пространственного разделения потока излучения от ПО 1, ПДР 3 и МКД 4.
Заявленное устройство расположено внутри сборного корпуса (не показан) с необходимыми разъемами для подведения питающего напряжения, который образует вакуумной канал, сообщенный с вакуумной камерой, в которой расположен ПО 1.
Устройство также содержит оптически связанное с МКД 4 средство для регистрации изображений (условно не показано), расположенное вне вакуумного канала. В частности, в одном из вариантов выполнения, МКД 4 может иметь выход на волоконно-оптическую пластину с нанесенным на нее слоем люминофора, обеспечивающим преобразование MP или ЭУФ излучения в видимое излучение, а средство для регистрации изображений может быть выполнено в виде цифровой фотокамеры. В другом варианте выполнения вместо цифровой фотокамеры может быть использован световод с непосредственным выходом на оптический вход компьютерной системы.
В качестве МКД 4 выбран показанный на фиг.1 многополосковый или показанный на фиг.2 четырехсекторный МКД 4.
Щелевая маска 2 и ПДР 3 взаимно расположены таким образом, что щели щелевой маски 2, находящиеся на равных расстояниях друг от друга, перпендикулярны штрихам ПДР 3, что позволяет получить пространственное разрешение в направлении, перпендикулярном спектральной дисперсии, сразу во всем спектральном диапазоне.
Количество щелей равно количеству полосков многополоскового МКД 4 или двум, в случае, если выбран четырехсекторный МКД 4.
Рабочая длина ПДР 3 подбирается таким образом, чтобы реализовывалось правило «подобных треугольников», т.е. отношение рабочей длины ПДР 3 (т.е. длины вдоль штрихов, обеспечивающих спектральную дисперсию), к требуемому расстоянию от ПО 1 до ПДР 3 должно быть равно отношению рабочего характеристического размера МКД 4, в частности, диаметра микроканальной пластины (далее - МКП), к требуемому расстоянию от ПО 1 до МКД 4.
Таким образом, рабочая длина  ПДР выбрана из соотношения:
где D - рабочий характеристический размер МКД,
а - расстояние от ПО до ПДР,
b - расстояние от ПДР до МКД.
Например, в случае использования промышленно выпускаемого МКД с диаметром МКП, равным 46 мм, при отношении расстояния от ПО до ПДР (а) к расстоянию от ПДР до МКП (b), равном ½, разумно применить ПДР с длиной  равной 20-23 мм.
Щели щелевой маски 2 выполняют в непрозрачном для MP и ЭУФ излучения шаблоне, а расстояние между щелями и расстояния аи b подбирают таким образом, чтобы воображаемые прямые линии, проходящие через соответствующие центры полосков (или середины разделительных нерабочих зон между соседними секторами, на которых излучение, прошедшее через одну щель, разворачивается в спектр), и соответствующие щели, сходились в одной точке, в которую и помещается центр исследуемого ПО 1. При этом эти воображаемые линии должны также проходить и через рабочую область ПДР 3.
Многополосковый (от англ. «multistrip») МКД (см., например, продукцию компании Kentech Instruments Ltd, Великобритания, http://www.kentech.co.uk/index.html?/&2 [2], или продукцию компании ООО «РнД-ИСАН», Россия, http://www.rnd-isan.ru/pribory/mkp-detektory [3]) представляет собой детектор, в котором, как правило, круглая входная МКП разделена на несколько горизонтальных полосков, к каждому из которых подводится независимое электрическое питание, и активироваться эти полоски могут в различные временные интервалы, определяемые заранее установленной электрической задержкой, что обеспечивает временное разрешение устройства. Четырехсекторный МКД (см., например, [3]) выполнен аналогичным образом, с отличием в том, что входная МКП разделена на четыре равных отдельных сектора, которые также могут активироваться с установленной задержкой (см. поз.5).
В предпочтительном варианте на участке сборного корпуса между ПДР 3 и МКД 4 может быть использовано гибкое (сильфонное) соединение. Это дает возможность, при желании, смещать изображение нулевого порядка ПДР 3 на полосках МКД 4 в сторону от их центров, за счет чего можно расширить спектральный диапазон регистрируемого излучения в сторону больших длин волн, а в случае использования четырехсекторного МКД 4 упростить смещение изображения нулевого порядка из разделительной нерабочей зоны между соседними секторами.
Устройство используют следующим образом.
Как известно, в общем случае ПДР 3 представляет собой периодическую структуру свободно подвешенных тонких проволочек, заполняющих узкую щель (см., в частности, Диагностика плотной плазмы под ред. Н.Г. Басова, Москва, «Наука», 1989, стр. 162-165).
Проходя сквозь такую структуру, излучение в результате дифракции разлагается по спектру в двух одинаковых и симметрично расположенных по отношению к нулевому порядку дифракции «крыльях».
Каждая спектральная развертка, полученная при прохождении излучения через щель щелевой маски 2 и соответствующий ей участок ПДР 3, будет попадать на соответствующий полосок МКП МКД 4. Таким образом, при активации полосков МКП в различные заданные моменты времени, мы сможем получить спектральные развертки излучения с пространственным разрешением и при этом получить столько разрешенных по времени спектральных разверток за одну плазменную вспышку, сколько полосков включает в себя МКП.
В случае использования четырехсекторного МКД 4, в частности, при вертикальном расположении штрихов ПДР 3 и горизонтальном щелей щелевой маски 2, каждой щели будут соответствовать два соседних расположенных по горизонтали сектора МКП. Таким образом, если ориентировать нулевой порядок ПДР 3 в промежуток между соседними расположенных по горизонтали секторами, то на каждом из них можно зарегистрировать свой спектр в отдельный момент времени.
Заявленное устройство позволяет получить спектральные изображения плазменного объекта одновременно с пространственным и временным разрешением, что актуально для исследования излучения от протяженного плазменного объекта с выделенной осью симметрии (например, Х- или Z-пинча), в случае, когда требуется раскрыть динамику процессов плазмообразования.