專利名稱：噴氣靶激光等離子體軟x射線源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于短波光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種低碎屑的軟X射線激光等離子體光源，涉及一種對帶有噴氣靶的激光等離子體軟X射線源的改進(jìn)。
經(jīng)常使用的軟X射線光源有激光等離子體軟X射線源和同步輻射。與同步輻射相比，激光等離子體光源具有造價低、體積小、峰值亮度高、使用方便等優(yōu)點，使它更適用于一般條件的實驗室和商業(yè)環(huán)境，因而廣泛應(yīng)用于軟X射線顯微術(shù)、軟X射線投影光刻、天體物理、原子物理、輻射計量等各個領(lǐng)域。
常規(guī)的激光等離子體軟X射線源是把功率密度為1011～1013w/cm2的脈沖激光聚焦在金屬靶上，產(chǎn)生高溫等離子體，進(jìn)而由等離子體輻射出軟X射線。在等離子體形成的同時也伴隨著金屬碎屑的產(chǎn)生，最大的碎屑直徑可達(dá)50μm，最大速度達(dá)到640m/s，這些高速、高溫的碎屑會對鄰近光源的軟X射線光學(xué)元件造成損壞或降低其光學(xué)性能。F·Jin等人研究了Sn靶產(chǎn)生的碎屑對多層膜反射率的影響，把Mo/Si多層膜(中心波長為13nm)置于距等離子體光源75mm處，當(dāng)打靶次數(shù)為4.5×103次時，Mo/Si多層膜在13nm處的反射率降為零，因此必須研制低碎屑或無碎屑激光等離子體光源。設(shè)法阻止碎屑到達(dá)光學(xué)元件的表面和減少碎屑的產(chǎn)生首先被用來解決這一難題。專利號是4,872,189、4,837,793和5,151,928的美國專利使用類似普通錄音磁帶一樣薄的金屬片作等離子體光源的靶，在強激光作用下，這種靶生成的碎屑的體積比常規(guī)的金屬靶產(chǎn)生的碎屑的體積要小得多，但不能完全消除碎屑。M.S.Schulz等人采用在等離子體光源與光學(xué)元件之間放置一高速旋轉(zhuǎn)的斬片的方法來截獲速度在一定范圍內(nèi)的碎屑，此法也不能消除碎屑。專利號為5,577,091的美國專利把水蒸汽通入冷凍器凍成冰丸，以此為靶可以產(chǎn)生低碎屑等離子體，但靶丸生成速度慢，飛行精度低，難以保證激光聚焦在靶丸上。
專利號為5,577,092的美國專利“極紫外和軟X射線激光等離子體分子團束靶”(Cluster beam targets for laserplasma extreme ultraviolet and soft x-ray sources)的具體裝置如圖1所示它由混合氣體瓶1、真空室2、溫度控制的螺線管狀閥3、錐形噴嘴4、聚焦鏡5、真空泵6組成。動態(tài)過程為由混合氣體瓶1輸出的混合氣體(第一種是水蒸汽、CF4、CO2、HCL、F2、H2S、B2H6、O2、Ar、Xe中的一種，第二種是Ne、At中一種、第三種是Ne、Ar、Kr中的一種，這三種氣體混合形成的氣體)經(jīng)溫度控制的螺線管狀閥2從錐形噴嘴4中噴出，形成分子團束，以此分子團束為靶，由NdYAG或紅外激光器產(chǎn)生的功率密度為1011～1012w/cm2的激光束7經(jīng)聚焦鏡5聚焦在分子團束上，產(chǎn)生低碎屑激光等離子體。
此發(fā)明形成分子團束的方法是由上面提到的混合氣體在溫度控制的螺線管狀閥體3內(nèi)等熵膨脹，并由錐形噴嘴4超音速噴出，在噴射過程中氣體溫度降低，氣體分子間產(chǎn)生范德瓦爾斯力(Van der waals forces)，在此力作用下，形成由多個第一種氣體分子組成的分子團，無數(shù)個分子團形成分子團束。
本發(fā)明的目的是解決已有技術(shù)中氣體以脈沖形式從噴嘴中噴出時，由于溫度控制的噴嘴難以保證激光束正好聚焦在噴射氣體的峰值處，形成分子團簇的方法復(fù)雜，不易控制和操作不便的問題。本發(fā)明提供一種易控制和操作方便的噴氣靶激光等離子體軟X射線源。
本發(fā)明的裝置由圖2所示，它由真空靶室1、噴氣閥2、聚焦鏡3、差分室4、真空泵5、激光束6組成，噴氣閥2用螺釘固定在真空靶室1上，根據(jù)需要可以隨時從真空靶室1上拆卸下來，聚焦鏡3置于真空靶室1的一個窗口前面，真空泵5與真空靶室1固定相連，差分室4固定在真空靶室1上并與外部裝有光學(xué)元件的真空室相連，噴氣閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由入氣口7、絕緣桿8、密封桿9、彈簧10、彈簧11、壓電陶瓷振子12、噴嘴13、密封橡膠14、陽極15、噴嘴入口16、閥體17組成，入氣口7固定在閥體17上，密封桿9固定在壓電陶瓷振子12上，并保證其正好處于壓電陶瓷振子12的中心處，密封橡膠14固定在密封桿9上，可隨其一起運動。密封橡膠14處于密封桿9和噴嘴13上的噴嘴入口16之間，絕緣桿8固定在彈簧10上，彈簧10和彈簧11固定在閥體17上，噴嘴13用螺釘固定在閥體17上，可以隨時從閥體17上拆卸便于更換不同孔徑的噴嘴13，陽極15固定在閥體17上并用閥體17做其陰極。
本發(fā)明的動態(tài)過程由氣瓶通入20個大氣壓的氣體(CO2、Ar、Xe、O2中的一種)，氣體從入氣口7進(jìn)入噴氣閥2，此時壓電陶瓷振子12在彈簧10、彈簧11的作用下處于平衡位置，因此壓電陶瓷12上的密封桿9通過其上的密封橡膠14緊緊頂在噴嘴入口16上，使氣體不能從噴嘴13中噴出。當(dāng)用NdYAG激光器產(chǎn)生的脈沖激光束6打靶時，激光器在產(chǎn)生激光束6的同時，亦產(chǎn)生一個外觸發(fā)信號來觸發(fā)控制壓電陶瓷振子12的電源。壓電陶瓷振子12開始振動，并帶動密封桿9一起運動，當(dāng)密封桿9上的密封橡膠14離開噴嘴入口16時，氣體以音速從噴嘴13中絕熱膨脹噴出，噴出的氣體質(zhì)量隨時間近似高斯分布。當(dāng)氣體脈沖達(dá)到峰值時(約需150μm)，由NdYAG產(chǎn)生的功率密度為1011～1013w/cm2的脈沖激光束(脈寬5-9ns，周期10Hz)正好聚焦在氣體上，產(chǎn)生激光等離子體，再由激光等離子體輻射出軟X射線。激光束6焦點處的焦斑直徑約100μm，為避免激光束6打在金屬噴嘴13上，產(chǎn)生金屬碎屑，激光束6通常聚焦在噴嘴13下1mm處的氣體上。
本發(fā)明的積極效果已有技術(shù)中氣體以脈沖形式從噴嘴中噴出時，由于采用溫度控制噴嘴難以保證激光束正好聚焦在噴射氣體的峰值處，形成分子團簇的方法復(fù)雜，不易控制和操作不便。本發(fā)明采用激光器提供的外觸發(fā)電信號控制噴氣閥的電源解決了已有技術(shù)中溫度控制噴嘴帶來的問題，保證激光束準(zhǔn)確地聚焦在氣體噴射量的峰值處，產(chǎn)生強的軟X射線輻射，又使產(chǎn)生氣體靶的過程和方法操作簡單、易于控制。本發(fā)明適用于軟X射線顯微術(shù)、軟X射線投影光刻、天體物理、原子物理、輻射計量等各個領(lǐng)域。
本發(fā)明的


圖1是已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意3是噴氣閥結(jié)構(gòu)示意圖本發(fā)明的一個實施例如圖2和圖3所示真空靶室1是園柱體形狀，由純鋁制成，三面設(shè)有玻璃窗口，一面制成圓形孔并與裝有光學(xué)元件的外部真空室相連，真空靶室1的項部用于安裝噴氣閥2；噴氣閥2的閥體17由不銹鋼制成，整個噴氣閥2呈圓錐體形狀，它的入氣口7的內(nèi)直徑約10mm，長200mm，直接焊接在閥體17上，入氣口7的頂部有螺紋與外部的氣瓶相連；絕緣桿8、密封桿9均采用園柱狀聚四氟乙稀，密封桿9用特殊的膠粘在壓電陶瓷振子12上，彈簧10、彈簧11是鋼質(zhì)彈簧，壓電陶瓷振子12采用一般的壓電陶瓷晶體，壓電陶瓷振子12的振動頻率最高為400Hz，在噴嘴13的本體上制備噴嘴入口16并由銅制成，噴嘴13用螺絲釘固定在閥體17上，噴嘴13直徑為0.25～1.5mm。密封橡膠14制成園柱形狀并用特殊的膠粘在密封桿9。陽極15與閥體17絕緣固定連接，并用聚四氟乙稀導(dǎo)線焊接在壓電陶瓷振子12的表面。聚焦鏡3是石英透鏡，焦距為100mm，差分室4由銅加工而成，呈園錐形，錐頂有一針孔，真空泵5是FB-450型分子泵。激光束6由外部的NdYAG激光器產(chǎn)生，激光器的脈寬5-9ns，每個脈沖的能量為2焦耳。
權(quán)利要求
1.一種噴氣靶激光等離子體軟X射線源，它包括真空靶室1、聚焦鏡3、真空泵5和激光束6，其特征在于噴氣閥2用螺釘固定在真空靶室1上，聚焦鏡3置于真空靶室1的一個窗口前面，真空泵5與真空靶室1固定相連，差分室4固定在真空靶室1上并與外部裝有光學(xué)元件的真空室相連，噴氣閥2包括入氣口7、絕緣桿8、密封桿9、彈簧10、彈簧11、壓電陶瓷振子12、噴嘴13、密封橡膠14、陽極15、噴嘴入口16和閥體17，入氣口7固定在閥體17上，密封桿9固定在壓電陶瓷振子12上，密封桿9處于壓電陶瓷振子12的中心處，密封橡膠14固定在密封桿9上并可隨其一起運動。密封橡膠14處于密封桿9和噴嘴13上的噴嘴入口16之間，絕緣桿8固定在彈簧10上，彈簧10和彈簧11固定在閥體17上，噴嘴13用螺釘固定在閥體17上，陽極15固定在閥體17上并用閥體17做其陰極。
全文摘要
本發(fā)明屬于短波光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種對帶有噴氣靶的激光等離子體軟X射線源的改進(jìn)。它由真空靶室、噴氣閥、聚焦鏡、差分室、真空泵、激光束組成。本發(fā)明采用激光器提供的外觸發(fā)電信號控制噴氣閥的電源解決了已有技術(shù)中溫度控制噴嘴帶來的問題,保證了激光束準(zhǔn)確地聚焦在氣體噴射量的峰值處,產(chǎn)生強的軟X射線輻射,又使產(chǎn)生氣體靶的過程和方法操作簡單,易于控制。本發(fā)明適用于軟X射線顯微術(shù)、軟X射線投影光刻、輻射計量等各個領(lǐng)域。
文檔編號H05G2/00GK1300179SQ99126340
公開日2001年6月20日 申請日期1999年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月16日
發(fā)明者陳波, 林景全, 尼啟良 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所