光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量

光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量周洪軍2009年4月正入射分支由超環(huán)面前置鏡和Seya-Namioka型單色器組成,完成60-400nm譜段的計(jì)量實(shí)驗(yàn)任務(wù)。該束線由前置鏡加正入射單色器構(gòu)成，光路如圖2所示。前置鏡距光源點(diǎn)10m，水平接收角1mrad，垂直接收角1mrad。同步輻射入射角30，單色器為1mSeya-Namioka型，2塊光柵可以覆蓋60nm～400nm，該束線光學(xué)元件的參數(shù)見表2。前置鏡的旋轉(zhuǎn)完成SR和待標(biāo)定光源的測量。待標(biāo)定光源與前置鏡距2m，因此SR與待測光源的像點(diǎn)不一致，通過單色器的平移達(dá)到兩束光均成像在入射狹縫處。Seya-Namioka正入射光束線圖2.正入射光路圖表2Seya-Namioka束線光學(xué)元件參數(shù)表

序號面形面形參數(shù)mm斜率誤差弧秒表面粗糙度nm線密度L/mm有效尺寸mm毛坯材料膜層入射角(o)光譜范圍nm1超環(huán)面R=1065.88ρ=799.413230×30×12.5熔石英SiC3060-1202超環(huán)面R=1065.88ρ=799.413230×30×12.5熔石英Al＋MgF30120-4003球面R=998.822120030×50熔石英SiC70.2560-1204球面R=998.82260030×50熔石英Al+MgF70.25120-400*球面復(fù)制閃耀光柵正入射分支偏振器由于被標(biāo)定的光源和同步輻射的偏振特性不一致，在定標(biāo)過程中需要確定偏振特性的影響，因此在單色器與出縫之間加入一偏振器，通過偏振器繞光軸旋轉(zhuǎn)90°，分別測得兩種狀態(tài)的光電流I(90°)和I(0°)，由下式得到偏振器在同步輻射測量過程中的偏振系數(shù)和測量氘燈過程中的偏振系數(shù)：兩種狀態(tài)下的光電流I要用束流進(jìn)行修正，因?yàn)閮Υ姝h(huán)束流是一直衰減的。偏振器SR正入射光束線實(shí)驗(yàn)站設(shè)備

傳遞標(biāo)準(zhǔn)源－氘燈探測器－光電倍增管氘燈結(jié)構(gòu)示意圖氣體電離室

計(jì)量線上安裝的是VUV/EUV無窗、流氣式電離室，可作為標(biāo)準(zhǔn)探測器（PrimaryStandard)。標(biāo)定傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器最簡單直接的辦法是將其與初級標(biāo)準(zhǔn)探測器在可調(diào)單色光源上比對。電離室的工作原理是基于入射光通過電離室內(nèi)的氣體時(shí)，光子被氣體原子吸收，氣體原子被電離，產(chǎn)生離子－電子對，通過測量光電離離子電流就可以得到入射光的輻射通量（絕對光強(qiáng)），并由此得到光譜輻射強(qiáng)度。Samson單電離室

假設(shè)I0為經(jīng)過單色器出射狹縫后入射光的輻射通量，I為經(jīng)過電離室后光束的輻射通量。i為測量到的電離室信號，電流的單位為安培。則光電產(chǎn)額(不考慮二次電離）:這種電離室的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要測量氣體的吸收系數(shù)。e

為電子電荷Samson雙電離室-絕對光強(qiáng)測量n為氣體的原子數(shù)密度為氣體的吸收常數(shù)為氣體的光吸收截面e為電子電荷。在30-95nm，近似為1。改進(jìn)的雙電離室

前端、兩收集極之間不加保護(hù)環(huán)，而使陽極與光闌片等電位（L1=0，L2=L=d

），這樣一來：或者：吸收系數(shù)μ為：光子能量較低，與氣體原子的第一電離能接近發(fā)生多重電離、多次電離的幾率都很小在VUV和極軟X波段:光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)額基本接近于1(Ep250eV)，即：每個(gè)光子可以產(chǎn)生一個(gè)離子-電子對真空紫外波段(VUV）氣體電離的特點(diǎn)md=snd=ln(i1/i2)我們采用的雙電離室結(jié)構(gòu)L1=LL2-L1=dL1L2d計(jì)量站電離室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)圖

電離室采用偏心圓筒式雙電離室結(jié)構(gòu)。

探測器主體與標(biāo)定裝置一體化。差分段電離室主體標(biāo)定裝置電離靈敏區(qū)電離靈敏區(qū)電場電離室主體采用偏心圓筒式設(shè)計(jì)，使電離室靈敏區(qū)電場相對較弱，從而減小二次電離的影響。同時(shí)為調(diào)光準(zhǔn)直方便，使機(jī)械中心線與光軸重合。氣體電離室外觀電離室測量儀器電離室的坪曲線11.ReflectanceSpectraofSingleMaterials ByW.R.Hunter所給出的是由光學(xué)常數(shù)計(jì)算得到的一些單一材料的反射比。其優(yōu)點(diǎn)是給出的波長范圍寬、可為任意入射角。實(shí)測反射比則做不到。缺點(diǎn)是如果光學(xué)常數(shù)是錯(cuò)的，那么得到的反射譜也是錯(cuò)的。89deg0degAl是一種準(zhǔn)自由電子金屬，它的等離子區(qū)振蕩約在840?。波長長于840?時(shí)，正入射的反射比為90％或更高。波長短于1000?時(shí)，反射比急劇下降，在500?時(shí)趨于0。掠入射時(shí)反射比很高。波長在500?時(shí)反射比仍在98％-99％。在840?時(shí)，反射比趨于最大值。反方向波長短于500?時(shí)，反射比逐漸下降直到Al的L2，3邊時(shí)為50％。波長再短時(shí)，反射比又開始增加直到8?的K邊。虛線所示是氧化鋁的反射譜。氧化層厚度約為30?。AlSi也是一種準(zhǔn)自由電子材料，它的等離子區(qū)振蕩約在760?。其正入射的反射譜和Al的很相似，反射比值較低（70％）。掠入射時(shí)反射比很高。在760?時(shí)，反射比趨于最大值。反方向波長較短時(shí)，反射比逐漸下降直到Al的L2，3邊時(shí)為30％-40％。波長再短時(shí)，反射比又開始增加直到6.7?的K邊，反射比又開始急劇下降。當(dāng)波長長于760?時(shí)，Si的掠入射反射比開始顯示偏振的兩部分。垂直偏振的反射比仍然很大，而水平偏振的反射比減小。虛線所示是氧化硅的反射譜。氧化層厚度約為30?。Si89deg0degC常常不是被用來做反射膜，而是作為鍍層上的污染物來研究。C污染在同步輻射設(shè)備上尤其嚴(yán)重。左圖所示為C的反射譜。正入射時(shí)反射比很低，但是在掠入射時(shí)，50?以上的長波和30-8?之間反射比都很高。在44?的K邊使反射比急劇下降。這一下降出現(xiàn)在C污染的反射面上，由于損失了束流強(qiáng)度使得在44?附近的測量很困難。波長短于、或長于K邊時(shí)，適當(dāng)厚度的C層可以增加反射比，但是有C污染時(shí)首先表現(xiàn)的是反射比降低，因此C污染層的厚度不可能讓其達(dá)到反射比增加的程度。C89deg0degSiC盡管在真空系統(tǒng)中碳是一種不受歡迎的材料，但是SiC確是一種非常有用的反射材料。如圖所示，正入射時(shí)，在600-2000?有比較高的反射比；掠入射時(shí)在7-2000?有很高的反射比。由于Si的L2，3和C的K邊存在，掠入射的反射比并不光滑。SiC在SR實(shí)驗(yàn)和太空極紫外研究中都是一種很好的材料，其重量輕、導(dǎo)熱好且機(jī)械上不易損壞。89deg0deg16.WindowsandFilter ByW.R.Hunter窗和濾片的共同特性是傳輸一定能量的光譜和承受一定的壓力差。傳輸濾片有三種不同的形態(tài)：電介質(zhì)、薄膜和氣體電介質(zhì)：很多具有大的能帶隙的絕緣體可以用作傳輸濾片。其傳輸范圍從紅外、近紅外到易被吸收的VUV。Materialc(?)Thickness(mm)Solubility(g/100cm3water)LiF10453.00.27MgF211303.00.0076CaF212201.00.0016LaF212451.1?BaF213400.80.12Syntheticsapphire14252.5InsolubleCulturedcrystalSiO214551.1InsolubleFusedSiO215251.3InsolubleTable.ShortWavelengthCutoff,orTransmittanceLimit,at20CofDielectricFilterMaterialsfortheVUV,normalincidenceCutoffWavelength:thatwavelengthatwhichthetransmittancehasdropedto0.5%.同一塊人造石英晶體、沿不同晶向切出來的厚度為1mm的樣品的傳輸比光輻照對傳輸比的影響Measuredtransmittanceof3-mm-thickLiFandMgF2platesbefore(solidlines)andafter(dashedlines)irradiationwith1-MeVelectronsasafunctionofwavelengthfrom1000to3000?.DoseforLiF=2x1014electrons/cm2,andforMgF2

=1x1015electrons/cm2.研究人員早就知道輻照損傷介質(zhì)材料。Heath和Sacher已經(jīng)研究了大量的VUV傳輸介質(zhì)材料，包括LiF和MgF2，以確定能夠用在衛(wèi)星上適應(yīng)于太空環(huán)境的介質(zhì)材料。在氟化物中，高純的BaF2抵抗射線的能力最強(qiáng)。人造藍(lán)寶石受電子轟擊的影響最小，僅顏色稍有變化（淺褐色），傳輸率沒有變化。輻照后融石英顏色沒有變化，但是波長短于3000?的傳輸比降低約10％。薄膜－ThinSolidFilmsasTransmittingFilterMeasuredtransmittanceofanumberounbackedthinmetalfilmsasafunctionofwavelength1918年，Wood發(fā)現(xiàn)鈉和鉀對真空紫外光具有傳輸性，進(jìn)一步的研究顯示堿金屬都具有對VUV的高傳輸性性質(zhì)。接下來人們對各種金屬薄膜的傳輸性進(jìn)行了大量的研究實(shí)驗(yàn)。Tomboulian和Bedo測量了Be、Mg、Al在50-500?的性能和Si及Ge在軟X射線范圍的性能。Hunter等研究了Al、In、Bi、Si、Mg和Ge。Codling等研究了Sn，等等。左圖所示是一些常用自支撐金屬的典型的傳輸比。說是自支撐金屬膜，但是這些膜一般做在一個(gè)支撐架上或常常做在金屬網(wǎng)上，如Ni網(wǎng)。氣體-GasesasTransmittingFilterElementIonizationpotential(eV)Wavelength(?)H13.598912He24.587504N14.534853O13.618910Cl12.968956F17.423712Ne21.564575Ar15.760787Kr14.000886Xe12.1301022Elementgasesthatmigthbeusefulasfilter,Theirfirstionizationpotential,andtheequivalentwavelengthin?氣體是很好的傳輸媒介。但是在一些孤立的波長處氣體的吸收很嚴(yán)重。在VUV范圍內(nèi)，這種波長出現(xiàn)的越來越頻繁直到電離限。某種氣體對所有短于其電離限波長的所有波長都有很強(qiáng)的吸收。左圖所示，給出了一些常見氣體的第一電離限及其相應(yīng)的波長。原則上這些氣體都可以用作吸收短于其電離限的光譜。但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)要考慮氫、氮、氧、氯、氟通常是以分子態(tài)存在，其吸收譜復(fù)雜，不能僅僅考慮其原子的電離限。另外氯、氟是活潑氣體，會(huì)損壞精密的光學(xué)元件。Absorptionspectrumoftheraregasesfrom1000-280?.TheverticallinesintheAr,Kr,Xespectrarepresentregionsofautoionization.(1967,J.A.R.Samson)左圖所示是1000-280?稀有氣體的吸收譜。吸收系數(shù)可能會(huì)有更新，但是曲線的形狀是一樣的。Ar、Kr、Xe譜上的一些豎直線是自電離發(fā)生區(qū)域。自電離區(qū)域的吸收系數(shù)會(huì)急劇下降。如果這些氣體用來吸收所有較短波長的譜，就要有足夠的壓力使自電離區(qū)域的譜能夠完全被吸收。

連續(xù)光譜的同步輻射光通過入射狹縫照射到光柵單色器后，在出射的單色光中總是不可避免的參雜有基波的高級次諧波n=/n，因?yàn)楦鶕?jù)光柵方程可知，這些高次諧波經(jīng)過單色器光柵分光也在同樣的方向上發(fā)生衍射。

計(jì)量站要求提供給實(shí)驗(yàn)用的光譜要盡可能的純。光譜的純度直接影響著定標(biāo)精度和光學(xué)元件性能測試準(zhǔn)確性。因此需要定量的了解高次諧波占基波的比例，采用簡單有效的手段濾除高次諧波、提高光譜純度。計(jì)量線高次諧波的定量研究計(jì)量線SGM分支光學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)量線的掠入射分支由超環(huán)面前置鏡(TM1)、入射狹縫(S1)、球面光柵單色器（SGM）、出射狹縫(S2)和超環(huán)面后置鏡組成(TM2)。SGM有三塊Laminar球面光柵(SG)分別是1800、600、200l/mm,覆蓋的波段分別是5-12nm、12-34nm和34-140nm。

研究方法

采用透射光柵(TG)分光，探測器(PD)做角度掃描記錄衍射峰信號強(qiáng)度曲線，以此估算高級次光在某一波段所占的比例。

透射光柵是本室自制的金膜、自支撐、抑制偶級次的840L/mm光柵，光柵的占空比為1：1，厚度為400nm左右，有效面積為1x5mm2

。探測器為IRD公司AXUV100G，為了提高分辨率，在探測器前裝有1mm左右的狹縫。在5-140nm范圍內(nèi)，短波時(shí)TG的衍射效率約為30%左右,長波時(shí)的衍射效率約為50-60%。840l/mm透射光柵的電鏡照片

而由理論計(jì)算可分別得到不同波長時(shí)各級次的衍射角。由光柵方程：T

為SR的入射角；T為衍射角；d為透射光柵常數(shù)；m為衍射級次；為入射波長。由于SR是垂直入射到光柵上的，故T＝0；透射光柵為840線/mm，故d＝(1000/840)um,由此得到：將T

和實(shí)際測得的進(jìn)行比較就可知是基波的幾級衍射或高次諧波的幾級衍射。

研究方法

在測試時(shí)將TG放在Axis位置，這時(shí)探測器繞樣品臺軸Axis轉(zhuǎn)過的角度就是衍射角。短波長（5－30nm）時(shí)用3000l/mm透射光柵。透射光柵與探測器的相對位置結(jié)構(gòu)和尺寸TGDetectorAxisSR研究方法上圖中可以很明顯、清晰的看出，一組組的峰群分別是單色器1800G所給定的波長（5.5nm-11.5nm,Step=2nm)的一級、三級衍射。偶級次被抑制，高次諧波所占的比例很小，不放大幾乎看不到高級次的衍射峰。5-30nm的高次諧波m=1,n=1m=2,n=1m=3,n=1m=1,n=1=7.5nm=11.5nmm=1,n=1m=3,n=1單色器光柵為1800G，波長為10nm和12nm時(shí)，有Zr濾片和無Zr濾片的比較。放大放大一級三級10、12nm有無Zr濾片的比較單色器光柵為600G，波長為15m時(shí)，有Zr濾片和無Zr濾片的比較。從圖上可以看出高級次仍然存在。因?yàn)?5nm的高級次7.5nmZr濾片無法濾除。（透射光柵在濾片位置）一級衍射峰三級15nm有無濾片的比較m=1,n=1m=3,n=1/2的一級衍射/3的一級衍射放大從測試曲線圖上可以看出高級次占了相當(dāng)?shù)谋壤貏e是在20nm附近。故在這一波段范圍要尋找合適的濾片來消除高級次的影響。15-30nm無濾片高次諧波13-20nm時(shí)用Si3N4+Mo+Si濾片可以有效的濾除高級次m=3,n=1三級m=1,n=1m=1,n=112-22nm有Si3N4濾片高次諧波單色器光柵為600G，波長為20nm，25nm和30nm時(shí)，有AL濾片和無AL濾片的比較。從曲線上可以看到，高級次得到較好的抑制。黑色曲線為無Al濾片時(shí)測得。25nm30nm20nmm=1,n=1m=1,n=1m=1,n=120-30nm有無Al濾片的比較不同波長應(yīng)選取的相應(yīng)濾片Wavelength5-9nm10-12nm13-20nm20-34nmFilter-ZrSi3N4+Mo+SiAl5-34nm波段的測試結(jié)果總結(jié)m=1,n=135-140nm高次諧波的研究m=1,n=1m=1,n=1m=1,n=1m=1,n=1m=1,n=2m=1,n=4m=1,n=3單色儀輸出波長為40nm時(shí)，探測器繞Axis做角度掃描得到的信號強(qiáng)度曲線。以此為例可以看到這時(shí)高次諧波情況比短波時(shí)要復(fù)雜的多，基波的1/2、1/3、1/4波長都有衍射峰。更長波長時(shí)高次諧波的衍射情況更加復(fù)雜，由于受分辨率的限制有些級次的衍射已無法分辨。40nm無濾片高次諧波WithMgF2windows117-140nmm=1,n=1m=2,n=1m=1,n=1130nm時(shí)有、無MgF窗的比較m=1,n=1m=2,n=1有無MgF2濾片的比較5-140nm波段無濾片時(shí)高次諧波測試結(jié)果總結(jié)不加濾片測得的高級次探測器信號占基波信號的積分面積比值。波長nm高級次/基波（兩者面積比值）波長nm高級次/基波（兩者面積比值）300.4978856.9780350.49189010.1978400.56989511.7399450.724410013.6246500.869910516.6032551.129411019.3227601.503111523.3033652.021712030.2334703.063313040.6091754.364414045.0528805.517030-140nm波段無濾片時(shí)高次諧波測試結(jié)果總結(jié)21曲線2為俄國P.N.LebedevPhysicalInstitute的SergeyV.Kuzin研究員在計(jì)量站用英國E2V公司生產(chǎn)的CCD和TG結(jié)合測得的高次諧波占基波的比例曲線。兩條曲線在波長大于70nm時(shí)離散較大，可能是因?yàn)殚L波時(shí)基波的信號較弱，高次諧波的信號較強(qiáng)，CCD曝光時(shí)間差異上引起的。SergeyV.Kuzin的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從側(cè)面驗(yàn)證了我們的實(shí)驗(yàn)。TG+PD與TG＋CCD測試結(jié)果的比較TG＋CCD（120nm），withMgF2filterCCD的分辨率為1nm，TG距CCD的距離為50－60mm。右圖為120nm時(shí)的CCD成像，（零級和一級衍射斑）。120nm時(shí)CCD成像不同厚度濾片對高次諧波的抑制作用不同厚度濾片對高次諧波的抑制作用波長nmNofilterAl200nmAl400nmAl600nm1756.6%16.9%001973.6%4.3%0021105.6%6.6%0023137.4%7.5%0025168.8%18.0%0027218.3%26.1%0029229.6%31.0%0031259.4%50.3%0.5%0.433282.3%81.4%1.7%1.0%波長nmNofilterAl200nmAl400nmAl600nm1722.6%6.3%001926.5%0.9%002124.8%1.8%002346.9%3.0%002567.8%5.7%002771.6%7.0%002972.1%6.7%003173.6%15.4%003372.2%26.6%0.6%0.6%表1.無濾片和有不同厚度的Al濾片時(shí)高次諧波信號強(qiáng)度占基波的百分比。表2.無濾片和有不同厚度的Al濾片經(jīng)探測器量子效率修正后高次諧波占基波的百分比.IntensitycurvesofdetectorwithSi3N4/Mo/Sifilterandwavelengthare13,15,17nm.IntensitycurvesofdetectorwithSi3N4/Mo/Si/Mo/Sifilterandwavelengthare13,15,17nm不同厚度的Mg濾片對30-50nm波段高次諧波的抑制。AL/Mg/Al15/150/15(nm)AL/Mg/Al15/250/15(nm)光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量光束線Seya-Namioka分支標(biāo)準(zhǔn)光源比對原理和方法SGM分支探測器標(biāo)準(zhǔn)傳遞氣體吸收截面測試反射率、透射率的測試光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量光束線的幾種實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)光源比對原理和方法測量原理:在儲存環(huán)電子能量、強(qiáng)度和電子束電流已知的情況下，可以計(jì)算出在一定水平和垂直發(fā)散角內(nèi)同步輻射光譜輻射功率（或稱光譜輻射通量）（W/nm）?；谶@一點(diǎn)，如果比較一定條件下同步輻射和被測光源對同一探測器（這里采用光電倍增管）產(chǎn)生的電流信號，就可以將同步輻射作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光源將光譜輻射亮度量值傳遞給被測光源。濾光片分為三片，其截止波長分別為115nm-230nm(MgF2)，200nm-320nm(熔石英)，310nm-400nm(顏色玻璃)。真空紫外偏振片采用三鏡式結(jié)構(gòu)，有兩片Al+MgF2反射鏡和一塊MgF2晶體組成。光電倍增管為英國生產(chǎn)的MgF2窗口的9402型，響應(yīng)波長為110nm-360nm。測量裝置示意圖

計(jì)量光闌在測量中是孔徑光闌，它限制了測量光束使用的立體角，只有其發(fā)射角度的一部分輻射才能通過計(jì)量光闌進(jìn)入到接收器-光電倍增管。

SD2同步輻射標(biāo)準(zhǔn)源－光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)同步輻射光譜功率空間分布計(jì)算同步輻射出射示意圖同步輻射是由平行偏振光和垂直偏振光組成的。根據(jù)同步輻射經(jīng)典理論（H.WinickandS.Doniach,SynchrotronRadiationResearch,PlenumPress,NewYork1980），可以知道：波長為的光子，在帶寬為k范圍內(nèi)，單位電子束流(mA)，單位水平發(fā)散角內(nèi)(mrad)，在與電子軌道平面垂直夾角為時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)(sec)，平行偏振光和垂直偏振光的光子數(shù)，單位為phs/(sec·k

·mA·mrad2)(2-1)同步輻射標(biāo)準(zhǔn)源－光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)其中，

——無量綱參數(shù)；

——無量綱參數(shù)；

——ModifiedBessel函數(shù)。E—儲存環(huán)電子能量（Gev）；B—磁場強(qiáng)度（T）。根據(jù)（2-1）式及普朗克定律，可以知道波長為的光子，在帶寬為1?范圍內(nèi)，單位電子束流(mA)，單位水平發(fā)散角內(nèi)(mrad)，在與電子軌道平面垂直夾角為時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)(sec)，平行偏振光和垂直偏振光的光子能量，單位為erg/(sec·?·mA·mrad2)：（2-2）

其中h為普朗克常數(shù)——6.62616E-27erg·s，c為真空中光速——299792458m/s

代入N,ND積分得（2-3）

圖2-4波長1000?時(shí)同步輻射垂直角度的光譜功率分布

從圖中可以看出，同步輻射具有極強(qiáng)的準(zhǔn)直性，對于國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的輻射源，當(dāng)垂直發(fā)散角大于4mrad后，強(qiáng)度就趨為零了。同步輻射標(biāo)準(zhǔn)源－光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)同步輻射偏振度：

—該參數(shù)也是計(jì)算氘燈光譜輻射亮度需要的參數(shù)。（2-4）圖（2-5）給出同步輻射在正入射（標(biāo)定光源）線上，此時(shí)實(shí)際接收垂直發(fā)散角內(nèi)(0.43576mrad)【后面部分有詳述】，波長從1000?至3500?時(shí)的同步輻射的偏振度。

圖2-5

同步輻射標(biāo)準(zhǔn)源－光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)波長為的光子，在帶寬為1?范圍內(nèi)，單位電子束流(mA)，單位水平發(fā)散角內(nèi)(mrad)，單位時(shí)間(sec)，在與電子軌道平面垂直夾角范圍內(nèi)，所有光子的能量，單位為erg/(sec·?·mA·mrad)：表示為圖（2-6）中的陰影部分面積。

圖2-6同步輻射標(biāo)準(zhǔn)源－光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)波長為的光子，在帶寬為1?范圍內(nèi)，單位電子束流(mA)，單位水平發(fā)散角內(nèi)(mrad)，單位時(shí)間(sec)，垂直于電子軌道平面的發(fā)散角內(nèi)，所有光子的能量，單位為：erg/(sec·?·mA·mrad)：同步輻射標(biāo)準(zhǔn)源－光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)圖（2-7）國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室(NSRL)儲存環(huán)電子能量E=0.8Gev，磁場強(qiáng)度B=1.2T時(shí)，波長為的光子，在帶寬為1?范圍內(nèi)，單位電子束流(mA)，單位水平發(fā)散角內(nèi)(mrad)，單位時(shí)間(sec)，垂直于電子軌道平面的發(fā)散角內(nèi)，所有光子的能量的計(jì)算結(jié)果

光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)燈—氘燈

氘燈結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)圖2-8氘燈結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)氘燈工作時(shí)，即燈絲通電加熱后，發(fā)射出自由電子，陽極加上電壓，這時(shí)，自由電子在電場的加速下向陽極運(yùn)動(dòng)。在這過程中，自由電子與氘分子發(fā)生非彈性碰撞，使氘分子處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)其返回原來的狀態(tài)或較低的能態(tài)時(shí)，就以輻射的形式發(fā)出能量而發(fā)光。

氘燈的種類很多，按窗口的形式分類可以分為端窗和側(cè)窗兩種。雖然因使用的要求和加工的工藝不同每種氘燈有所不同，但其基本的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是相同的。窗口是由熔融石英、紫外透過玻璃、人造合成石英和氟化鎂等材料作成。Cathodeon公司生產(chǎn)的V系列氘燈是一種性能非常好的燈，現(xiàn)在許多用戶用它作紫外特別是真空紫外的標(biāo)準(zhǔn)燈。計(jì)量站用這種V系列的氘燈，其結(jié)構(gòu)如圖(2-8)所示。如果將光電探測器接收到的同步輻射的光譜功率定義為，產(chǎn)生的光電流為；光電探測器接收到的氘燈的光譜功率定義為，產(chǎn)生的光電流為。可知:其中為光電探測器的光譜響應(yīng)度，為光譜儀的分辨函數(shù)?？紤]到同步輻射光為偏振光，引入同步輻射偏振度,輻射計(jì)的偏振系數(shù)。由于，，，在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)可以認(rèn)為是常數(shù)，而在大于165nm的范圍是連續(xù)的，在帶寬范圍內(nèi)也可以認(rèn)為是常數(shù)。（在小于165nm情況下，氘燈光譜輻射功率是線譜，需要引入修正因子進(jìn)行考慮。）。由此上兩式可以轉(zhuǎn)化為：利用同步輻射源標(biāo)定氘燈光譜輻射亮度

比對方法

其中利用同步輻射源標(biāo)定氘燈光譜輻射亮度

由于氘燈光譜功率具有如下關(guān)系：其中就是氘燈光譜輻射亮度，為接收的氘燈輻射立體角，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)有：FD2為測量氘燈時(shí)計(jì)量光闌在前置鏡上的投影面積在軸線垂直位置的分量，F(xiàn)SR為測量同步輻射時(shí)計(jì)量光闌在前置鏡上的投影面積在軸線垂直位置的分量，SD2為前置鏡到氘燈的距離。dD2為測量氘燈時(shí)入射針孔到前置鏡的距離。dSR為測量同步輻射時(shí)入射針孔到前置鏡的距離。AD2是入射針孔投影到氘燈上的面積，存在如下關(guān)系：AEPH是入射針孔面積。由此可以得出：最終可以轉(zhuǎn)化為如下公式：其中同步輻射光通量（W/?）其中為垂直發(fā)散角(mrad)，為水平發(fā)散角(mrad)，I為同步輻射電子束流(mA)。后面將介紹如何求得垂直發(fā)散角、和水平發(fā)散角。測量裝置示意圖

SD2垂直發(fā)散角的確定

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，計(jì)量光闌垂直長度a’，同步輻射光束至前置鏡距離LSR是已知的，由圖中幾何關(guān)系可看出：利用同步輻射源標(biāo)定氘燈光譜輻射亮度

LSR水平發(fā)散角的確定根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)

可得水平發(fā)散角：利用同步輻射源標(biāo)定氘燈光譜輻射亮度

由求得d由求得d’由由求得b求得b’得：利用同步輻射源標(biāo)定氘燈光譜輻射亮度

氘燈的光譜輻射亮度可以表示為：P()，，F(xiàn)SR，W()，，AEPH都是固定實(shí)驗(yàn)條件下的已知量

，（前面都已經(jīng)討論過了），所以我們在實(shí)驗(yàn)中只需測量出：（測量中要考慮同步輻射光是高度偏振的，因此要測量偏振片在水平和垂直兩種狀態(tài)時(shí)的參數(shù)）。光電倍增管不同波長下接收氘燈的電流信號。光電倍增管不同波長下接收同步輻射的的電流信號。

計(jì)算出SR的平面偏振度。（前面已經(jīng)討論過）計(jì)算輻射計(jì)的偏振系數(shù)。（后面將敘述）輻射計(jì)偏振系數(shù)pRad輻射計(jì)是由偏振器、前置鏡和光柵組成的系統(tǒng)。輻射計(jì)偏振系數(shù)pRad是氘燈定標(biāo)過程中必須考慮的一個(gè)參數(shù)。在紫外和真空紫外波段，輻射計(jì)在不同的波長具有不同的偏振系數(shù)，需要測量和計(jì)算得到。根據(jù)Stokes公式，輻射計(jì)的偏振系數(shù)pRad為：Phv測量輻射的偏振度：在同步輻射測量過程中：phv=pSR>0.991(SR高偏振性）在氘燈測量過程中：phv=0（氘燈非偏振光）得到輻射計(jì)偏振系數(shù)：分別代入上式并消去ppol項(xiàng)利用同步輻射源標(biāo)定氘燈光譜輻射亮度

氘燈光譜輻射亮度測量結(jié)果

—中國計(jì)量院

反射率、透射率的測試反射率

R＝Ii/I0R

反射率Ii

弱電流計(jì)測得的反射信號I0

弱電流計(jì)測得的直通光信號因在測試過程中同步輻射光一直在衰減，設(shè)測試初始流強(qiáng)為J1，終了流強(qiáng)為JN。則用束流強(qiáng)度修正后的反射率為：為第i個(gè)能點(diǎn)的直通光束流修正因子為第i個(gè)能點(diǎn)的反射光束流修正因子i=[1,2,3,…N]測量氣體吸收截面和光電離效率(或量子產(chǎn)額)I0I1I2I3L1L0L0如圖是光電離室多級電極示意圖。假設(shè)進(jìn)入多級電極前的光通量為I0，進(jìn)入第一陰極的光通量為I1，進(jìn)入第二陰極的光通量為I2，進(jìn)入第三陰極的光通量I3，根據(jù)Lambert—Beer吸收定律和光電離效率(或量子產(chǎn)率)定義，有:光電離室多級電極示意圖

為吸收截面

:n=P/kT傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器——硅光電二極管（PD）

硅光電二極管具有量子效率高，噪音低，測量時(shí)不需要外加電壓，對外磁場不敏感，是內(nèi)光電效應(yīng)作用，所以對真空環(huán)境的污染不敏感，甚至可以在氣體環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)，此外，硅光電二極管耐輻射損傷，造價(jià)低，重量輕，操作簡便，一些國外實(shí)驗(yàn)室，如NIST、PTB都用硅光電二極管作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。所謂量子效率，即指（以外部光電流表現(xiàn)的）平均一個(gè)入射光子所產(chǎn)生的載流子對數(shù)。

計(jì)量線用美國IRD公司的硅光電二極管AXUV-100G作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測器，結(jié)構(gòu)如圖。硅光電二極管對入射光子的響應(yīng)過程如下：當(dāng)入射光子的能量 時(shí)，會(huì)在二極管內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對，這些載流子對被p-n結(jié)電場分開，并在外電路上輸出電流，此時(shí)硅光電二極管的作用相當(dāng)于一個(gè)光電池

標(biāo)定光電二極管的量子效率在50-92nm范圍,稀有氣體電離室的使用是相當(dāng)簡單的，因?yàn)樵谠摬ǘ蜗藖碜怨鈻诺亩魏洼^高次輻射成分的出現(xiàn)。同時(shí)，光子能量不足以引起合適的稀有氣體的二次電離，而由電離事件產(chǎn)生的電子具有的能量不足以引起氣體的二次電離。因此入射光強(qiáng)的基本測量方程是（SamsonJAR.J.OptSocAm.1964,54:6)：被標(biāo)定的光電二極管的量子效率：或iD為光電二極管陰極發(fā)射的電子電流。多層膜反射比在NSRL和BESSYII測試結(jié)果的比較圖1所示的兩條曲線是同一多層膜測試樣品(Mo/Si多層膜，由同濟(jì)大學(xué)物理系制備)。在德國BESSYII（黑色曲線）和在國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（NSRL）（紅色曲線）的測試結(jié)果。該多層膜反射鏡可應(yīng)用于下一代極紫外光刻系統(tǒng)和軟x射線激光等離子體干涉實(shí)驗(yàn)中。圖中分別給出了：在BESSYII測得峰值波長點(diǎn)為13.3nm，最高反射率為61.1％。在NSRL測得峰值波長點(diǎn)為13.2nm，最高反射率為60.0％。Fig.1.CompareoftestresultsinNSRLandBESSYII如圖2所示為同濟(jì)大學(xué)物理系制備的Mo/Si寬角度高反射比多層膜的測試曲線。波長分別定在在13、14、14.5、15、16nm，探測器做角度掃描，范圍為40－75度

Fig.2.BroadangleMo/Simultilayerreflectivityindifferentwavelength.用戶實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tonarrowthereflectivityspectralwidth:Etchingthemultilayerintothelamellargrating.Decreasingthethicknessoftheabsorberlayer,andusingthehigherorderreflectivity.UsingaDCmagnetronsputtering,theseMo/Simultilayermirrorsworkinginthe1st,2nd,3th,4th,5thorderforthethicknessofMolayerof2nmand3nmarefabricated.TheperformanceoftheseMo/SinarrowbandmultilayermirrorswereshowninleftFigs.Thespectralwidthdecreasewiththeincreaseof