CN1300179A

CN1300179A - 喷气靶激光等离子体软x射线源

Info

Publication number: CN1300179A
Application number: CN 99126340
Authority: CN
Inventors: 陈波; 林景全; 尼启良
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2001-06-20

Abstract

本发明属于短波光学技术领域,涉及一种对带有喷气靶的激光等离子体软X射线源的改进。它由真空靶室、喷气阀、聚焦镜、差分室、真空泵、激光束组成。本发明采用激光器提供的外触发电信号控制喷气阀的电源解决了已有技术中温度控制喷嘴带来的问题,保证了激光束准确地聚焦在气体喷射量的峰值处,产生强的软X射线辐射,又使产生气体靶的过程和方法操作简单,易于控制。本发明适用于软X射线显微术、软X射线投影光刻、辐射计量等各个领域。

Description

喷气靶激光等离子体软X射线源

本发明属于短波光学技术领域，是一种低碎屑的软X射线激光等离子体光源，涉及一种对带有喷气靶的激光等离子体软X射线源的改进。

经常使用的软X射线光源有激光等离子体软X射线源和同步辐射。与同步辐射相比，激光等离子体光源具有造价低、体积小、峰值亮度高、使用方便等优点，使它更适用于一般条件的实验室和商业环境，因而广泛应用于软X射线显微术、软X射线投影光刻、天体物理、原子物理、辐射计量等各个领域。

常规的激光等离子体软X射线源是把功率密度为10¹¹～10¹³w/cm²的脉冲激光聚焦在金属靶上，产生高温等离子体，进而由等离子体辐射出软X射线。在等离子体形成的同时也伴随着金属碎屑的产生，最大的碎屑直径可达50μm，最大速度达到640m/s，这些高速、高温的碎屑会对邻近光源的软X射线光学元件造成损坏或降低其光学性能。F·Jin等人研究了Sn靶产生的碎屑对多层膜反射率的影响，把Mo/Si多层膜(中心波长为13nm)置于距等离子体光源75mm处，当打靶次数为4.5×10³次时，Mo/Si多层膜在13nm处的反射率降为零，因此必须研制低碎屑或无碎屑激光等离子体光源。设法阻止碎屑到达光学元件的表面和减少碎屑的产生首先被用来解决这一难题。专利号是4,872,189、4,837,793和5,151,928的美国专利使用类似普通录音磁带一样薄的金属片作等离子体光源的靶，在强激光作用下，这种靶生成的碎屑的体积比常规的金属靶产生的碎屑的体积要小得多，但不能完全消除碎屑。M.S.Schulz等人采用在等离子体光源与光学元件之间放置一高速旋转的斩片的方法来截获速度在一定范围内的碎屑，此法也不能消除碎屑。专利号为5,577,091的美国专利把水蒸汽通入冷冻器冻成冰丸，以此为靶可以产生低碎屑等离子体，但靶丸生成速度慢，飞行精度低，难以保证激光聚焦在靶丸上。

专利号为5,577,092的美国专利“极紫外和软X射线激光等离子体分子团束靶”(Cluster beam targets for laserplasma extreme ultraviolet and soft x-ray sources)的具体装置如图1所示：它由混合气体瓶1、真空室2、温度控制的螺线管状阀3、锥形喷嘴4、聚焦镜5、真空泵6组成。动态过程为：由混合气体瓶1输出的混合气体(第一种是水蒸汽、CF₄、CO₂、HCL、F₂、H₂S、B₂H₆、O₂、Ar、Xe中的一种，第二种是Ne、At中一种、第三种是Ne、Ar、Kr中的一种，这三种气体混合形成的气体)经温度控制的螺线管状阀2从锥形喷嘴4中喷出，形成分子团束，以此分子团束为靶，由Nd：YAG或红外激光器产生的功率密度为10¹¹～10¹²w/cm²的激光束7经聚焦镜5聚焦在分子团束上，产生低碎屑激光等离子体。

此发明形成分子团束的方法是由上面提到的混合气体在温度控制的螺线管状阀体3内等熵膨胀，并由锥形喷嘴4超音速喷出，在喷射过程中气体温度降低，气体分子间产生范德瓦尔斯力(Van der waals forces)，在此力作用下，形成由多个第一种气体分子组成的分子团，无数个分子团形成分子团束。

本发明的目的是解决已有技术中气体以脉冲形式从喷嘴中喷出时，由于温度控制的喷嘴难以保证激光束正好聚焦在喷射气体的峰值处，形成分子团簇的方法复杂，不易控制和操作不便的问题。本发明提供一种易控制和操作方便的喷气靶激光等离子体软X射线源。

本发明的装置由图2所示，它由真空靶室1、喷气阀2、聚焦镜3、差分室4、真空泵5、激光束6组成，喷气阀2用螺钉固定在真空靶室1上，根据需要可以随时从真空靶室1上拆卸下来，聚焦镜3置于真空靶室1的一个窗口前面，真空泵5与真空靶室1固定相连，差分室4固定在真空靶室1上并与外部装有光学元件的真空室相连，喷气阀的结构如图3所示，它由入气口7、绝缘杆8、密封杆9、弹簧10、弹簧11、压电陶瓷振子12、喷嘴13、密封橡胶14、阳极15、喷嘴入口16、阀体17组成，入气口7固定在阀体17上，密封杆9固定在压电陶瓷振子12上，并保证其正好处于压电陶瓷振子12的中心处，密封橡胶14固定在密封杆9上，可随其一起运动。密封橡胶14处于密封杆9和喷嘴13上的喷嘴入口16之间，绝缘杆8固定在弹簧10上，弹簧10和弹簧11固定在阀体17上，喷嘴13用螺钉固定在阀体17上，可以随时从阀体17上拆卸便于更换不同孔径的喷嘴13，阳极15固定在阀体17上并用阀体17做其阴极。

本发明的动态过程：由气瓶通入20个大气压的气体(CO₂、Ar、Xe、O₂中的一种)，气体从入气口7进入喷气阀2，此时压电陶瓷振子12在弹簧10、弹簧11的作用下处于平衡位置，因此压电陶瓷12上的密封杆9通过其上的密封橡胶14紧紧顶在喷嘴入口16上，使气体不能从喷嘴13中喷出。当用Nd：YAG激光器产生的脉冲激光束6打靶时，激光器在产生激光束6的同时，亦产生一个外触发信号来触发控制压电陶瓷振子12的电源。压电陶瓷振子12开始振动，并带动密封杆9一起运动，当密封杆9上的密封橡胶14离开喷嘴入口16时，气体以音速从喷嘴13中绝热膨胀喷出，喷出的气体质量随时间近似高斯分布。当气体脉冲达到峰值时(约需150μm)，由Nd：YAG产生的功率密度为10¹¹～10¹³w/cm²的脉冲激光束(脉宽5-9ns，周期10Hz)正好聚焦在气体上，产生激光等离子体，再由激光等离子体辐射出软X射线。激光束6焦点处的焦斑直径约100μm，为避免激光束6打在金属喷嘴13上，产生金属碎屑，激光束6通常聚焦在喷嘴13下1mm处的气体上。

本发明的积极效果：已有技术中气体以脉冲形式从喷嘴中喷出时，由于采用温度控制喷嘴难以保证激光束正好聚焦在喷射气体的峰值处，形成分子团簇的方法复杂，不易控制和操作不便。本发明采用激光器提供的外触发电信号控制喷气阀的电源解决了已有技术中温度控制喷嘴带来的问题，保证激光束准确地聚焦在气体喷射量的峰值处，产生强的软X射线辐射，又使产生气体靶的过程和方法操作简单、易于控制。本发明适用于软X射线显微术、软X射线投影光刻、天体物理、原子物理、辐射计量等各个领域。

本发明的附图说明：

图1是已有技术的结构示意图

图2是本发明的结构示意图

图3是喷气阀结构示意图

本发明的一个实施例如图2和图3所示：真空靶室1是园柱体形状，由纯铝制成，三面设有玻璃窗口，一面制成圆形孔并与装有光学元件的外部真空室相连，真空靶室1的项部用于安装喷气阀2；喷气阀2的阀体17由不锈钢制成，整个喷气阀2呈圆锥体形状，它的入气口7的内直径约10mm，长200mm，直接焊接在阀体17上，入气口7的顶部有螺纹与外部的气瓶相连；绝缘杆8、密封杆9均采用园柱状聚四氟乙稀，密封杆9用特殊的胶粘在压电陶瓷振子12上，弹簧10、弹簧11是钢质弹簧，压电陶瓷振子12采用一般的压电陶瓷晶体，压电陶瓷振子12的振动频率最高为400Hz，在喷嘴13的本体上制备喷嘴入口16并由铜制成，喷嘴13用螺丝钉固定在阀体17上，喷嘴13直径为0.25～1.5mm。密封橡胶14制成园柱形状并用特殊的胶粘在密封杆9。阳极15与阀体17绝缘固定连接，并用聚四氟乙稀导线焊接在压电陶瓷振子12的表面。聚焦镜3是石英透镜，焦距为100mm，差分室4由铜加工而成，呈园锥形，锥顶有一针孔，真空泵5是FB-450型分子泵。激光束6由外部的Nd：YAG激光器产生，激光器的脉宽5-9ns，每个脉冲的能量为2焦耳。

Claims

1、一种喷气靶激光等离子体软X射线源，它包括真空靶室1、聚焦镜3、真空泵5和激光束6，其特征在于：喷气阀2用螺钉固定在真空靶室1上，聚焦镜3置于真空靶室1的一个窗口前面，真空泵5与真空靶室1固定相连，差分室4固定在真空靶室1上并与外部装有光学元件的真空室相连，喷气阀2包括入气口7、绝缘杆8、密封杆9、弹簧10、弹簧11、压电陶瓷振子12、喷嘴13、密封橡胶14、阳极15、喷嘴入口16和阀体17，入气口7固定在阀体17上，密封杆9固定在压电陶瓷振子12上，密封杆9处于压电陶瓷振子12的中心处，密封橡胶14固定在密封杆9上并可随其一起运动。密封橡胶14处于密封杆9和喷嘴13上的喷嘴入口16之间，绝缘杆8固定在弹簧10上，弹簧10和弹簧11固定在阀体17上，喷嘴13用螺钉固定在阀体17上，阳极15固定在阀体17上并用阀体17做其阴极。