WO2010086324A1 - Spectrograph with an elliptical mirror - Google Patents

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WO2010086324A1
WO2010086324A1 PCT/EP2010/050919 EP2010050919W WO2010086324A1 WO 2010086324 A1 WO2010086324 A1 WO 2010086324A1 EP 2010050919 W EP2010050919 W EP 2010050919W WO 2010086324 A1 WO2010086324 A1 WO 2010086324A1
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WO
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diffraction grating
radiation
diffraction
spectrograph
detector
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/050919
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French (fr)
Inventor
Gheorghe Sorin Chiuzbaian
Coryn Frank Hague
Original Assignee
Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6)
Centre National De La Recherche Scientifique
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Publication date
Application filed by Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6), Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6)
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1804Plane gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0216Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using light concentrators or collectors or condensers

Definitions

  • the invention relates to a spectrograph working in the field of X-rays (that is to say for radiation whose energy E is substantially between a few electron volts and 1200 electron volts, which corresponds to at wavelengths ⁇ between approximately 1 and 250 nanometers).
  • the resolution of a spectrograph is the elementary quantity of energy ⁇ E or wavelength ⁇ that the spectrograph is able to discriminate.
  • the angular dispersion of a network is the quantity d ⁇ / d ⁇ where ⁇ is the diffraction angle.
  • the reciprocal angular dispersion is the quantity d ⁇ / d ⁇ .
  • the efficiency of a mirror is the ratio between the number of photons reflected by the mirror and the number of photons intercepted by the mirror, and the efficiency of a network is the number of photons diffracted by the grating, for one order given diffraction, and the number of photons intercepted by the network.
  • the angular acceptance of the spectrograph corresponds to the solid angle of the cone formed by the photons coming from a point source.
  • the actual acceptance takes into account the reflectivity of the mirror.
  • the diffraction grating comprises lines extending in a variable pitch, which makes it possible to compensate for the variation of angle of incidence of the rays striking the grating, and also to compensate for the optical aberrations generated by the grating. mirror.
  • the object of the invention is to propose a spectrograph allowing both a high resolution and a large angular acceptance to treat a strongly divergent source.
  • a spectrograph comprising means for focusing a secondary radiation emitted by a sample illuminated by an X-UV radiation source, followed by diffraction means.
  • focused radiation in which, according to the invention, the diffraction means comprise a plane-to-dash diffraction grating and the focusing means comprise an elliptical mirror having a reflective surface extending along an ellipsoidal surface, the sample being placed at one of the ellipsoid surface foci.
  • the sample forms a source of secondary radiation whose photons are reflected by the elliptical mirror towards the plane diffraction grating which returns the diffracted photons to a focal point which turns out to be an image of the second focus of the ellipsoid surface, which thus constitutes a virtual image of the source.
  • the variation of the pitch of the lines of the diffraction grating may be chosen to compensate for the angle of incidence variation of the convergent beam of photons reflected by the elliptical mirror and approaching the diffraction grating.
  • the inventors have realized that in the spectrograph of the invention, the optimal arrangement of the lines of the diffraction grating with variable pitch, that which minimizes High order optical aberrations, is substantially independent of the energy of the incident radiation, so that a same diffraction grating can cover a broad spectrum of radiation energy.
  • the placement of the sample at the first focus of the ellipse provides a virtual image at the second focus that is near perfect.
  • the rays diffracted by the diffraction grating are received by a detector placed downstream of the diffraction grating.
  • the range of energy that it is desired to detect by means of the detector is selected by rotating the diffraction grating around an axis parallel to the lines of the latter, which has the effect of effect of modifying the angle of incidence of the rays reaching the diffraction grating. This selection is then made constant deflection angle.
  • the change of deflection angle leads to a change in the focal length (i.e., the distance at which the diffracted rays are focused).
  • the detector will then be advantageously moved in conjunction with the rotation of the diffraction grating so that the plane of the detector coincides with the focal plane in which the image is formed. In all rigor the detector must then be oriented a few degrees to fit the focal plane, but in general, the depth of field of the focusing is sufficient to allow the perpendicularity of the plane of the detector with respect to the focal axis, given its small size.
  • the inventors have furthermore noted that the optimum arrangement of the lines of the diffraction grating with variable pitch, that which minimizes the high order optical aberrations for a given incidence, remains valid for a wide range of angles of incidence.
  • the same diffraction grating makes it possible to cover both a wide range of energy and a wide range of deflection angles, or, which amounts to the same, a wide range of diffraction angles.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the spectrograph according to the invention, the angles and the pitch of the lines on the network; diffraction has been exaggerated for the sake of clarity;
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the spectrograph of FIG. 1, showing the diffraction grating in a distinct angular position corresponding to a different deflection angle;
  • FIG. 3 is a graph illustrating the acceptance of the elliptical mirror used as a function of the energy of the incident radiation
  • FIG. 4 is a graph illustrating the absolute efficiency of the variable pitch diffraction grating as a function of the energy of the incident radiation
  • FIG. 5 is a graph showing the width at half height of the Gaussian adjusted at best to the image as a function of the energy of the incident radiation;
  • FIG. 6 is a graph showing, as a function of the dispersion in the focal plane, on the one hand the intensity of the image in the form of a curve, and on the other hand the intensity per pixel in the form of crenels, for different radiation energies.
  • FIGS. 7a, 7b, 7c, 7d are graphs illustrating, as a function of the dispersion in the plane of the detector, the intensity of the image for different radiation energies, on the one hand for the elliptical mirror spectrograph according to the invention as illustrated in Figure 1 and on the other hand for spherical mirror or toroidal spectrographs of the prior art, all things being equal.
  • DETAILED DESCRIPTION OF THE PRINCIPLE OF THE INVENTION With reference to FIG. 1, the spectrograph of the invention is associated with a radiation beam of the X-UV 1 domain, suitable for examining the electronic structure of complex materials.
  • This X-UV beam is generally provided by a synchrotron and is processed by a monochromator to provide an intense beam of photons with a predetermined energy.
  • the X-UV beam thus calibrated illuminates a sample 2.
  • the atoms of the sample thus illuminated undergo electron-photon interactions giving rise to the emission of photons of various wavelengths, that is identical to that of the incident radiation (collisions elastic), or different (inelastic collisions).
  • Sample 2 thus forms the source of a secondary X-ray, whose photons are scattered in all directions. It is then a question of recovering as much as possible.
  • a collecting mirror 3 which has a reflection surface extending along an ellipsoidal surface.
  • the photons coming from the sample and reflecting on the elliptical mirror are focused, according to a well-known geometric property, towards the second focus F2 of the elliptical surface.
  • the second focus F2 is the place of an almost perfect image of the source, whatever the wavelength of the radiation used.
  • the path of the rays focused by the elliptical mirror 3 is cut by a diffraction plane grating with variable pitch 4, arranged across the beam converging to the second focus F2 as illustrated. The rays are thus diffracted by the diffraction grating 4 to a focal point F 'which is an image of the focus F2, so that the latter acts as a virtual source.
  • the photons which approach the diffraction grating 4 at one of its edges do not have the same incidence as the photons which approach the diffraction grating at the other of its edges.
  • the angle ⁇ is smaller than the angle LL2. It is therefore appropriate to choose the pitch of the lines of the diffraction grating 4 so as to compensate for this difference in angle of incidence, and the possible optical aberrations induced by the elliptical mirror 3.
  • the plane diffraction grating 4 is rotatably mounted, here around a median axis Z (seen in end in FIG. 2).
  • the rotation of the grating makes it possible to vary the angle of incidence of the beam reflected by the elliptical mirror 3 and which approaches the diffraction grating 4, and thus also the diffraction angle ⁇ of the diffracted radii by the grating.
  • the diffraction grating was rotated by an angle ⁇ and the detector moved so that the deflection angle is increased.
  • the increase or decrease of the deflection angle makes it possible to vary the spectral range of the radiation received by the detector 5 since it causes the change of the diffraction angle ⁇ .
  • This is a zoom effect particularly interesting and very simple to implement.
  • the rotation of the diffraction grating 3 causes a displacement of the focal point F ', as illustrated in FIG. 2. It is therefore expedient to move the detector
  • the detector 5 is preferably mounted on a moving element provided with various degrees of freedom whose displacements are slaved to the rotation of the diffraction grating 4.
  • the following description relates to a spectrograph produced by the inventors at the Laboratory of Physical Chemistry-Matter and Radiation of the University Pierre and Marie Curie / PARIS VI.
  • the elliptical mirror is cut along an ellipsoid surface having a half-major axis of 1550 millimeters and a half-minor axis of 61.38 millimeters.
  • the elliptical mirror is about 900 millimeters away from the secondary source, which is placed at one of the Fl foci of the ellipsoid surface.
  • variable pitch diffraction grating which intercepts the rays reflected by the elliptical mirror is placed at substantially 200 millimeters thereof. Only radiation diffracted in external order (negative order) is taken into consideration.
  • the focal plane in which the image of the secondary source is focused is located substantially 2000 millimeters away from the diffraction grating.
  • the angle of incidence ⁇ on the grating is smaller than the modulus of the diffraction angle ⁇ (the angles are measured with respect to the normal and by convention ⁇ takes negative values), so that to intercept all the radiation reflected by the elliptical mirror, the length of the network required is only 120 millimeters. Thus, for a moderate network length, the radiation intercepted by a mirror is collected more than twice its length.
  • the diffracted angle remains within a range limited since ⁇ ⁇
  • ⁇ ).
  • the range of energy covered by the diffraction grating is extended by making ⁇ variable, by rotating the variable-pitch diffraction grating as explained above. As indicated, this extension of energy range is achieved without loss of resolution thanks to the use according to the invention of an elliptical mirror coupled to the diffraction
  • the inventors have determined the variation of the pitch of the lines of the diffraction grating by determining the parameters of a fourth degree polynomial which defines the optimum variation of the pitch of the lines for an average wavelength corresponding to an energy of 700 electron volts. , and a value of 2 ⁇ average of 174 degrees.
  • the diffraction grating used has a line density of 1800 lines per millimeter at its center.
  • the inventors have found that the same reciprocal angular dispersion can be maintained for an energy range of 280 electron volts.
  • the detector is mounted on a table that can move 400 millimeters Y and 300 millimeters X, which covers a variation of 2 ⁇ ranging from 176 ° to 165 ° (a variation of the deflection angle from 4 ° to 15 °).
  • Figure 4 presents the efficiency calculated (using the NEPHIERE calculation code put online by the Canadian Light Source) of a variable-pitch diffraction grating of 1800 lines / millimeter in various configurations made possible by the invention.
  • PR very high resolving power
  • the resolving power depends on the size of the source, the quality of the optics and the resolution of the detector.
  • the resolving power of an optical system is often defined according to the Rayleigh criterion: two spectral lines separated by ⁇ will be resolved if
  • 2,643. ⁇ image . (d ⁇ / d ⁇ ) where ⁇ image is the standard deviation of the Gaussian form adjusted best to the image. At order -1 the resolving power is equal to:
  • Figure 6 presents simulations (performed using SHADOW which is a code of X-ray X-ray Domain Optics Simulation Distributed by the Center for Nanotechnology, University of Wisconsin) integrating source size and slope and roughness error values for the optics specified for the spectrograph.
  • SHADOW is a code of X-ray X-ray Domain Optics Simulation Distributed by the Center for Nanotechnology, University of Wisconsin
  • Figure 6 presents simulations (performed using SHADOW which is a code of X-ray X-ray Domain Optics Simulation Distributed by the Center for Nanotechnology, University of Wisconsin) integrating source size and slope and roughness error values for the optics specified for the spectrograph.
  • the resolution will depend on the performance of the detector used.
  • the slots forming rectangles represent a pixel width of 13 ⁇ m. It will be advantageous to use known methods to reduce the effective size of the pixels if necessary. This is done either geometrically by a slight rotation of the detector or electronically by measuring the charge induced on neighboring pixels.
  • FIGS. 7a and 7b each illustrate a simulation performed for a radiation energy belonging to the radiation energy range in which the arrangement of the lines of the diffraction grating with variable pitch is optimal, while FIGS. 7c and 7d each illustrate a simulation performed for radiation energy outside this range.

Abstract

The invention relates to a spectrograph comprising a means (3) for focussing radiation emitted by a sample illuminated by a source of radiation, and a means (4) for diffracting the focussed radiation, in which, according to the invention, the diffraction means includes a flat diffraction network with a variable pitch, and the focussing means includes an elliptical mirror, the sample being placed in one of the focal points (F1) of an ellipsoid surface defining the elliptical mirror.

Description

Spectrographe à miroir elliptique Elliptical mirror spectrograph
L' invention est relative à un spectrographe travaillant dans le domaine des rayons X-UV (c'est-à-dire pour des rayonnements dont l'énergie E est comprise sensiblement entre quelques électron-volts et 1200 électron-volts, ce qui correspond à des longueurs d'onde λ entre approximativement 1 et 250 nanomètres) .The invention relates to a spectrograph working in the field of X-rays (that is to say for radiation whose energy E is substantially between a few electron volts and 1200 electron volts, which corresponds to at wavelengths λ between approximately 1 and 250 nanometers).
Pour la suite on donne les définitions suivantes. La résolution d'un spectrographe est la quantité élémentaire d'énergie ΔE ou de longueur d'onde Δλ que le spectrographe est capable de discriminer.For the following we give the following definitions. The resolution of a spectrograph is the elementary quantity of energy ΔE or wavelength Δλ that the spectrograph is able to discriminate.
Le pouvoir résolvant PR d'un tel spectrographe est le rapport λ/Δλ ou E/ΔE (il est rappelé que l'énergie E et la longueur d'onde λ d'un rayonnement sont liés par la relation E.λ = 1239,8 pour E exprimé en électron-volts et λ en nanomètres) .The resolving power PR of such a spectrograph is the ratio λ / Δλ or E / ΔE (it is recalled that the energy E and the wavelength λ of a radiation are linked by the relation E.λ = 1239, 8 for E expressed in electron volts and λ in nanometers).
La dispersion angulaire d'un réseau est la quantité dβ/dλ où β est l'angle de diffraction. La dispersion angulaire réciproque est la quantité dλ/dβ . L'efficacité d'un miroir est le rapport entre le nombre de photons réfléchis par le miroir et le nombre de photons interceptés par le miroir, et l'efficacité d'un réseau est le nombre de photons diffractés par le réseau, pour un ordre de diffraction donné, et le nombre de photons interceptés par le réseau.The angular dispersion of a network is the quantity dβ / dλ where β is the diffraction angle. The reciprocal angular dispersion is the quantity dλ / dβ. The efficiency of a mirror is the ratio between the number of photons reflected by the mirror and the number of photons intercepted by the mirror, and the efficiency of a network is the number of photons diffracted by the grating, for one order given diffraction, and the number of photons intercepted by the network.
Enfin, l'acceptance angulaire du spectrographe correspond à l'angle solide du cône formé par les photons issus d'une source ponctuelle. L'acceptance effective tient compte de la réflectivité du miroir. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTIONFinally, the angular acceptance of the spectrograph corresponds to the solid angle of the cone formed by the photons coming from a point source. The actual acceptance takes into account the reflectivity of the mirror. BACKGROUND OF THE INVENTION
Le développement de tels spectrographes s'est accéléré ces vingt dernières années avec la disponibilité grandissante de sources synchrotron, permettant une analyse d'échantillons par diffusion quasi élastique et inélastique de photons provenant d'une telle source. A cet égard, l'utilisation de réseaux de diffraction est connue depuis au moins le XIXe siècle, et en particulier, des réseaux de diffraction sphériques fonctionnant selon la géométrie de Rowland. La source de rayonnement et le détecteur sont positionnés avec précision sur un cercle dont le diamètre est égal au rayon du réseau de diffraction sphérique. Ce dernier comporte des traits uniformément espacés et joue à la fois le rôle de diffuseur et le rôle de focalisateur . Cependant, cette configuration implique que le détecteur soit placé tangentiellement au cercle de Rowland, de sorte qu' il reçoive les rayonnements en incidence rasante. Les capteurs modernes de type CCD voient leur efficacité chuter lorsqu' ils travaillent de la sorte.The development of such spectrographs has accelerated over the last twenty years with the increasing availability of synchrotron sources, allowing samples to be analyzed by quasi-elastic and inelastic scattering of photons from such a source. In this respect, the use of diffraction gratings has been known since at least the nineteenth century, and in particular, spherical diffraction gratings operating according to the Rowland geometry. The radiation source and the detector are precisely positioned on a circle whose diameter is equal to the radius of the spherical diffraction grating. The latter has uniformly spaced lines and plays both the role of diffuser and the role of focus. However, this configuration implies that the detector is placed tangentially to the Rowland circle, so that it receives the rays in grazing incidence. Modern CCD sensors have their effectiveness drop when they work in this way.
Pour s'affranchir de la géométrie de Rowland il a été proposé de remplacer les traits uniformément espacés du réseau de diffraction sphérique par des traits gravés selon un pas variable. On peut obtenir ainsi une courbe focale redressée. En outre, la variation du pas des traits permet de compenser au moins partiellement les aberrations optiques. Un certain nombre d'instruments basés sur ce schéma sont en opération ou sont sur le point d'entrer en service. Cependant, le principal inconvénient de ce type d'instrument réside dans la correction médiocre des aberrations optiques d'ordre élevé pour des réseaux de diffraction sphérique de grande taille. Seules des portions courtes du réseau de diffraction peuvent être utilisées pour atteindre une résolution élevée, ce qui limite l'acceptance angulaire de l'instrument. De plus les corrections apportées par la variation du pas sont valables sur une plage d'énergie assez restreinte.To overcome the Rowland geometry, it has been proposed to replace the uniformly spaced lines of the spherical diffraction grating by lines engraved in a variable pitch. Thus, a rectified focal curve can be obtained. In addition, the variation of the pitch of the lines makes it possible to at least partially compensate for the optical aberrations. A number of instruments based on this scheme are in operation or are about to enter service. However, the main disadvantage of this type of instrument lies in the poor correction of high order optical aberrations for large spherical diffraction gratings. Only short portions of the diffraction grating can be used to achieve a high resolution, which limits the angular acceptance of the instrument. In addition, the corrections made by the variation of the pitch are valid over a rather limited range of energy.
Il est par ailleurs connu du document « A high efficiency ultrahigh vacuum compatible flat field spectrometer for extrême ultraviolet wavelengths » issu de la revue REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENT Vol. 76, 20 juillet 2005 de séparer les fonctions de focalisation et de dispersion en prévoyant un miroir focalisant sphérique et un réseau de diffraction sphérique distinct du miroir focalisant .It is also known from the document "A high efficiency ultrahigh vacuum compatible flat field spectrometer for extreme ultraviolet wavelengths "from REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENT Vol. 76, July 20, 2005 to separate the focusing and dispersion functions by providing a spherical focusing mirror and a spherical diffraction grating distinct from the focusing mirror.
Il est également connu du document US 4 776 696 de séparer les fonctions de focalisation et de dispersion en prévoyant des miroirs focalisants sphériques et un réseau de diffraction distinct des miroirs focalisants.It is also known from US 4,776,696 to separate the focus and dispersion functions by providing spherical focusing mirrors and a diffraction grating distinct from the focusing mirrors.
Dans ces deux documents, le réseau de diffraction comporte des traits s' étendant selon un pas variable, ce qui permet de compenser la variation d' angle d' incidence des rayons qui frappent le réseau, et également de compenser les aberrations optiques générées par le miroir .In these two documents, the diffraction grating comprises lines extending in a variable pitch, which makes it possible to compensate for the variation of angle of incidence of the rays striking the grating, and also to compensate for the optical aberrations generated by the grating. mirror.
Cependant, de tels spectrographes comportent certaines limitations. En effet, une augmentation de l'acceptance angulaire implique l'utilisation de grandes optiques. Mais les aberrations générées par un grand miroir sphérique ne peuvent être entièrement corrigées, de sorte que lorsque la taille du miroir augmente, ces aberrations conduisent en pratique à une résolution moindre. Qui plus est, une optimisation du couple miroir sphérique/réseau de diffraction à pas variable ne peut être menée que pour une énergie de rayonnement déterminée .However, such spectrographs have certain limitations. Indeed, an increase in angular acceptance implies the use of large optics. But the aberrations generated by a large spherical mirror can not be fully corrected, so that when the size of the mirror increases, these aberrations lead in practice to a lower resolution. Moreover, optimization of the spherical mirror torque / variable pitch diffraction grating can only be carried out for a determined radiation energy.
Il est également connu du document « Instrumentation for analysis and utilization of extrême-ultraviolet and soft x-ray high-order harmonies » issu de la revue REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS Vol.75, n°ll, 29 octobre 2004 de séparer les fonctions de focalisation et de dispersion en prévoyant un miroir focalisant toroïdal et un réseau de diffraction plan à traits s' étendant selon un pas variable, distinct du miroir focalisant. Là encore, une optimisation du couple miroir toroïdal/réseau de diffraction à pas variable ne peut être menée que pour une énergie de rayonnement déterminée. Ainsi seules des portions courtes du réseau de diffraction peuvent être utilisées pour atteindre une résolution élevée, ce qui limite l'acceptance angulaire de l'instrument.It is also known from the document "Instrumentation for analysis and utilization of extreme-ultraviolet and soft x-ray high-order harmonies" issued from REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS Vol.75, No. ll, October 29, 2004 to separate the functions of focusing and dispersing by providing a toroidal focusing mirror and a diffraction plane plane with dashes extending in a variable pitch, distinct from the focusing mirror. Again, a Optimization toroidal mirror torque / diffraction grating variable pitch can be conducted for a specific radiation energy. Thus only short portions of the diffraction grating can be used to achieve a high resolution, which limits the angular acceptance of the instrument.
Dans le domaine cousin des monochromateurs, il est connu du document US 4 553 253 d'utiliser un réseau de diffraction plan pour diffuser un rayonnement, puis de focaliser au moyen d'un miroir elliptique. Un miroir plan amont reflète la source de rayonnement pour la renvoyer sur le réseau de diffraction plan de sorte que les rayons diffractés semblent venir de l'un des foyers de la surface ellipsoïde définissant le miroir elliptique. Celui-ci focalise les rayonnements vers l'autre foyer de la surface ellipsoïde. La particularité de tels monochromateurs est de traiter le rayonnement provenant d'une source très lointaine et donc un faisceau quasi parallèle. De plus une fente étroite sélectionne le rayonnement de longueur d'onde désirée. Dans l'exemple illustré dans ce document, le réseau de diffraction est un réseau à pas constant à 1200 traits par millimètre.In the cousin field of monochromators, it is known from US 4,553,253 to use a plane diffraction grating to diffuse radiation and then to focus by means of an elliptical mirror. An upstream plane mirror reflects the radiation source back to the plane diffraction grating so that the diffracted rays appear to come from one of the ellipsoid surface foci defining the elliptical mirror. This focuses the radiation to the other focus of the ellipsoid surface. The peculiarity of such monochromators is to treat the radiation coming from a very distant source and therefore an almost parallel beam. In addition, a narrow slot selects the desired wavelength radiation. In the example illustrated in this document, the diffraction grating is a constant pitch network at 1200 lines per millimeter.
OBJET DE L'INVENTION L' invention vise à proposer un spectrographe permettant à la fois une grande résolution et une grande acceptance angulaire pour traiter une source fortement divergente .OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to propose a spectrograph allowing both a high resolution and a large angular acceptance to treat a strongly divergent source.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, il est proposé un spectrographe comportant des moyens de focalisation d'un rayonnement secondaire émis par un échantillon éclairé par une source de rayonnement X-UV, suivis par des moyens de diffraction du rayonnement focalisé, dans lequel, selon l'invention, les moyens de diffraction comprennent un réseau de diffraction plan à traits s' étendant selon un pas variable, et les moyens de focalisation comprennent un miroir elliptique ayant une surface réfléchissante s' étendant selon une surface ellipsoïde, l'échantillon étant placé à l'un des foyers de la surface ellipsoïde.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION In order to achieve this goal, a spectrograph is proposed comprising means for focusing a secondary radiation emitted by a sample illuminated by an X-UV radiation source, followed by diffraction means. focused radiation, in which, according to the invention, the diffraction means comprise a plane-to-dash diffraction grating and the focusing means comprise an elliptical mirror having a reflective surface extending along an ellipsoidal surface, the sample being placed at one of the ellipsoid surface foci.
Ainsi, l'échantillon forme une source de rayonnement secondaire dont les photons sont réfléchis par le miroir elliptique vers le réseau de diffraction plan qui renvoie les photons diffractés vers un point focal qui s'avère être une image du deuxième foyer de la surface ellipsoïde, qui constitue ainsi une image virtuelle de la source. La variation du pas des traits du réseau de diffraction peut être choisie pour compenser la variation d'angle d'incidence du faisceau convergent de photons réfléchis par le miroir elliptique et abordant le réseau de diffraction.Thus, the sample forms a source of secondary radiation whose photons are reflected by the elliptical mirror towards the plane diffraction grating which returns the diffracted photons to a focal point which turns out to be an image of the second focus of the ellipsoid surface, which thus constitutes a virtual image of the source. The variation of the pitch of the lines of the diffraction grating may be chosen to compensate for the angle of incidence variation of the convergent beam of photons reflected by the elliptical mirror and approaching the diffraction grating.
Contrairement au spectrographe de l'art antérieur à miroir sphérique et réseau de diffraction à pas variable, les inventeurs se sont aperçus que dans le spectrographe de l'invention, la disposition optimale des traits du réseau de diffraction à pas variable, celle qui minimise les aberrations optiques d'ordre élevé, est sensiblement indépendante de l'énergie du rayonnement incident, de sorte qu'un même réseau de diffraction peut couvrir un large spectre d'énergie de rayonnement.Unlike the spectrograph of the prior art with a spherical mirror and a variable pitch diffraction grating, the inventors have realized that in the spectrograph of the invention, the optimal arrangement of the lines of the diffraction grating with variable pitch, that which minimizes High order optical aberrations, is substantially independent of the energy of the incident radiation, so that a same diffraction grating can cover a broad spectrum of radiation energy.
En outre, le placement de l'échantillon au premier foyer de l'ellipse fournit une image virtuelle au second foyer qui est quasi parfaite. Ainsi, il est possible d'utiliser des miroirs elliptiques longs et des réseaux de diffraction de longueur adaptée, dont toute la longueur peut être exploitée, ce qui permet une augmentation notable de l'ouverture de l'instrument.In addition, the placement of the sample at the first focus of the ellipse provides a virtual image at the second focus that is near perfect. Thus, it is possible to use long elliptical mirrors and diffraction gratings of suitable length, whose entire length can be exploited, which allows a significant increase in the opening of the instrument.
De préférence, les rayons diffractés par le réseau de diffraction sont reçus par un détecteur, placé en aval du réseau de diffraction. Selon un aspect particulier de l'invention, la gamme d'énergie que l'on souhaite détecter au moyen du détecteur est sélectionnée en faisant pivoter le réseau de diffraction autour d'un axe parallèle aux traits de celui-ci, ce qui a pour effet de modifier l'angle d' incidence des rayons atteignant le réseau de diffraction. Cette sélection est alors réalisée à angle de déviation constant.Preferably, the rays diffracted by the diffraction grating are received by a detector placed downstream of the diffraction grating. According to one particular aspect of the invention, the range of energy that it is desired to detect by means of the detector is selected by rotating the diffraction grating around an axis parallel to the lines of the latter, which has the effect of effect of modifying the angle of incidence of the rays reaching the diffraction grating. This selection is then made constant deflection angle.
Il est également possible de sélectionner un angle de déviation différent en déplaçant le détecteur, de sorte qu' il est possible de sélectionner un nouveau couple d'angle d'incidence et d'angle de diffraction.It is also possible to select a different deflection angle by moving the detector, so that it is possible to select a new angle of incidence and diffraction angle pair.
Le changement d' angle de déviation conduit à un changement de la longueur focale (c'est-à-dire de la distance à laquelle les rayons diffractés sont focalisés) . On déplacera alors avantageusement le détecteur de concert avec la rotation du réseau de diffraction afin que le plan du détecteur coïncide avec le plan focal dans lequel se forme l'image. En toute rigueur le détecteur doit alors être orienté de quelques degrés pour épouser le plan focal, mais en général, la profondeur de champ de la focalisation est suffisante pour permettre le maintien de la perpendicularité du plan du détecteur par rapport à l'axe focal, compte tenu de ses faibles dimensions.The change of deflection angle leads to a change in the focal length (i.e., the distance at which the diffracted rays are focused). The detector will then be advantageously moved in conjunction with the rotation of the diffraction grating so that the plane of the detector coincides with the focal plane in which the image is formed. In all rigor the detector must then be oriented a few degrees to fit the focal plane, but in general, the depth of field of the focusing is sufficient to allow the perpendicularity of the plane of the detector with respect to the focal axis, given its small size.
Les inventeurs ont en outre remarqué que la disposition optimale des traits du réseau de diffraction à pas variable, celle qui minimise les aberrations optiques d'ordre élevé pour une incidence donnée, reste valable pour un large intervalle d'angles incidences.The inventors have furthermore noted that the optimum arrangement of the lines of the diffraction grating with variable pitch, that which minimizes the high order optical aberrations for a given incidence, remains valid for a wide range of angles of incidence.
Ainsi, un même réseau de diffraction permet de couvrir à la fois un large intervalle d'énergie et un large intervalle d'angles de déviation, ou, ce qui revient au même, un large intervalle d'angles de diffraction. BREVE DESCRIPTION DES DESSINSThus, the same diffraction grating makes it possible to cover both a wide range of energy and a wide range of deflection angles, or, which amounts to the same, a wide range of diffraction angles. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
L' invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et des figures des dessins annexés, parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma de principe du spectrographe selon l'invention, les angles et le pas des traits sur le réseau de diffraction ayant été exagérés pour plus de clarté ;The invention will be better understood in the light of the description which follows and the figures of the appended drawings, among which: FIG. 1 is a schematic diagram of the spectrograph according to the invention, the angles and the pitch of the lines on the network; diffraction has been exaggerated for the sake of clarity;
- la figure 2 est un schéma de principe du spectrographe de la figure 1, montrant le réseau de diffraction dans une position angulaire distincte correspondant à un angle de déviation différent ;FIG. 2 is a schematic diagram of the spectrograph of FIG. 1, showing the diffraction grating in a distinct angular position corresponding to a different deflection angle;
- la figure 3 est un graphe illustrant l'acceptance du miroir elliptique utilisé en fonction de l'énergie du rayonnement incident ;FIG. 3 is a graph illustrating the acceptance of the elliptical mirror used as a function of the energy of the incident radiation;
- la figure 4 est un graphe illustrant l'efficacité absolue du réseau de diffraction à pas variable en fonction de l'énergie du rayonnement incident ;FIG. 4 is a graph illustrating the absolute efficiency of the variable pitch diffraction grating as a function of the energy of the incident radiation;
- la figure 5 est un graphe montrant la largeur à mi- hauteur de la gaussienne ajustée au mieux à l'image en fonction de l'énergie du rayonnement incident ;FIG. 5 is a graph showing the width at half height of the Gaussian adjusted at best to the image as a function of the energy of the incident radiation;
- la figure 6 est un graphe montrant, en fonction de la dispersion dans le plan focal, d'une part l'intensité de l'image sous forme d'une courbe, et d'autre part l'intensité par pixel sous forme de créneaux, pour différentes énergies de rayonnement.FIG. 6 is a graph showing, as a function of the dispersion in the focal plane, on the one hand the intensity of the image in the form of a curve, and on the other hand the intensity per pixel in the form of crenels, for different radiation energies.
- les figures 7a, 7b, 7c, 7d sont des graphes illustrant, en fonction de la dispersion dans le plan du le détecteur, l'intensité de l'image pour différentes énergies de rayonnement, d'une part pour le spectrographe à miroir elliptique selon l'invention tel qu'illustré à la figure 1 et d'autre part pour des spectrographes à miroir sphérique ou toroïdal de l'art antérieur, toutes choses étant égales par ailleurs. DESCRIPTION DETAILLEE DU PRINCIPE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le spectrographe de l'invention est associé à un faisceau de rayonnement du domaine X-UV 1, adaptés à l'examen de la structure électronique de matériaux complexes. Ce faisceau X-UV est généralement fourni par un synchrotron et est traité par un monochromateur de façon à fournir un faisceau intense de photons d'une énergie prédéterminée .FIGS. 7a, 7b, 7c, 7d are graphs illustrating, as a function of the dispersion in the plane of the detector, the intensity of the image for different radiation energies, on the one hand for the elliptical mirror spectrograph according to the invention as illustrated in Figure 1 and on the other hand for spherical mirror or toroidal spectrographs of the prior art, all things being equal. DETAILED DESCRIPTION OF THE PRINCIPLE OF THE INVENTION With reference to FIG. 1, the spectrograph of the invention is associated with a radiation beam of the X-UV 1 domain, suitable for examining the electronic structure of complex materials. This X-UV beam is generally provided by a synchrotron and is processed by a monochromator to provide an intense beam of photons with a predetermined energy.
Le faisceau X-UV ainsi calibré éclaire un échantillon 2. Les atomes de l'échantillon ainsi éclairés subissent des interactions électron-photon donnant lieu à l'émission de photons de diverses longueurs d'onde, soit identiques à celle du rayonnement incident (collisions élastiques) , soit différentes (collisions inélastiques) . L'échantillon 2 forme ainsi la source d'un rayonnement X secondaire, dont les photons sont diffusés dans toutes les directions. Il s'agit alors d'en récupérer le plus possible .The X-UV beam thus calibrated illuminates a sample 2. The atoms of the sample thus illuminated undergo electron-photon interactions giving rise to the emission of photons of various wavelengths, that is identical to that of the incident radiation (collisions elastic), or different (inelastic collisions). Sample 2 thus forms the source of a secondary X-ray, whose photons are scattered in all directions. It is then a question of recovering as much as possible.
A cet effet, on utilise un miroir collecteur 3, qui a une surface de réflexion s' étendant selon une surface ellipsoïde. On parlera ici de miroir elliptique 3. Il est à remarquer que l'échantillon 2 est placé précisément à l'un des foyers Fl de la surface ellipsoïde. Les photons issus de l'échantillon et se réfléchissant sur le miroir elliptique sont focalisés, selon une propriété géométrique bien connue, vers le second foyer F2 de la surface elliptique. Le second foyer F2 est le lieu d'une image quasi parfaite de la source, quelle que soit la longueur d'onde du rayonnement utilisé. Le trajet des rayons focalisés par le miroir elliptique 3 est coupé par un réseau de diffraction plan à pas variable 4, disposé en travers du faisceau convergent vers le second foyer F2 comme illustré. Les rayons sont ainsi diffractés par le réseau de diffraction 4 vers un point focal F' qui est une image du foyer F2, de sorte que ce dernier fait office de source virtuelle.For this purpose, a collecting mirror 3 is used, which has a reflection surface extending along an ellipsoidal surface. We shall speak here of elliptical mirror 3. It should be noted that the sample 2 is placed precisely at one of the foci Fl of the ellipsoid surface. The photons coming from the sample and reflecting on the elliptical mirror are focused, according to a well-known geometric property, towards the second focus F2 of the elliptical surface. The second focus F2 is the place of an almost perfect image of the source, whatever the wavelength of the radiation used. The path of the rays focused by the elliptical mirror 3 is cut by a diffraction plane grating with variable pitch 4, arranged across the beam converging to the second focus F2 as illustrated. The rays are thus diffracted by the diffraction grating 4 to a focal point F 'which is an image of the focus F2, so that the latter acts as a virtual source.
Comme cela est visible ici, les photons qui abordent le réseau de diffraction 4 à l'un de ses bords n'ont pas la même incidence que les photons qui abordent le réseau de diffraction à l'autre de ses bords. Ainsi, comme illustré, l'angle ai est-il plus petit que l'angle 0L2. Il convient donc de choisir le pas des traits du réseau de diffraction 4 de façon à compenser cette différence d'angle d'incidence, et les éventuelles aberrations optiques induites par le miroir elliptique 3.As can be seen here, the photons which approach the diffraction grating 4 at one of its edges do not have the same incidence as the photons which approach the diffraction grating at the other of its edges. Thus, as illustrated, the angle α is smaller than the angle LL2. It is therefore appropriate to choose the pitch of the lines of the diffraction grating 4 so as to compensate for this difference in angle of incidence, and the possible optical aberrations induced by the elliptical mirror 3.
Un détecteur 5, en l'occurrence ici un capteur CCD, est disposé de sorte que son plan coïncide avec le plan focal P de formation de l'image. Selon un aspect particulier de l'invention, le réseau de diffraction plan 4 est monté rotatif, ici autour d'un axe médian Z (vu en bout sur la figure 2) . La rotation du réseau permet de faire varier l'angle d' incidence du faisceau réfléchi par le miroir elliptique 3 et qui aborde le réseau de diffraction 4, et donc également l'angle de diffraction β des rayons diffractés par le réseau. Comme visible à la figure 2, le réseau de diffraction a été pivoté d'un angle ψ et le détecteur déplacé de sorte que l'angle de déviation est augmenté. L'augmentation ou la diminution de l'angle de déviation permet de varier la plage spectrale du rayonnement reçu par le détecteur 5 puisqu' il entraîne le changement de l'angle de diffraction β. Il s'agit d'un effet de zoom particulièrement intéressant et très simple à mettre en œuvre. Bien sûr, la rotation du réseau de diffraction 3 provoque un déplacement du point focal F' , comme illustré à la figure 2. Il convient donc de déplacer le détecteurA detector 5, in this case a CCD sensor, is arranged so that its plane coincides with the focal plane P of formation of the image. According to a particular aspect of the invention, the plane diffraction grating 4 is rotatably mounted, here around a median axis Z (seen in end in FIG. 2). The rotation of the grating makes it possible to vary the angle of incidence of the beam reflected by the elliptical mirror 3 and which approaches the diffraction grating 4, and thus also the diffraction angle β of the diffracted radii by the grating. As seen in Figure 2, the diffraction grating was rotated by an angle ψ and the detector moved so that the deflection angle is increased. The increase or decrease of the deflection angle makes it possible to vary the spectral range of the radiation received by the detector 5 since it causes the change of the diffraction angle β. This is a zoom effect particularly interesting and very simple to implement. Of course, the rotation of the diffraction grating 3 causes a displacement of the focal point F ', as illustrated in FIG. 2. It is therefore expedient to move the detector
5 de concert avec la rotation du réseau de diffraction 3 de sorte que le détecteur soit dans l'axe focal moyen, et que son plan coïncide avec le plan P' de formation de l'image au nouveau point focal F".5 in conjunction with the rotation of the diffraction grating 3 so that the detector is in the mean focal axis, and that his plane coincides with the plane P 'of formation of the image at the new focal point F ".
Il est possible de déterminer une relation entre l'angle ψ de rotation du réseau de diffraction 4 et la position du point focal F, ainsi qu'entre ce même angle ψ et la direction de l'axe focal moyen A. Il est donc possible de déterminer, pour chaque position angulaire du réseau de diffraction, la position optimale du détecteur 5. Ainsi il est très simple de lier de façon automatique la rotation du réseau de diffraction 4 avec le déplacement dans l'espace du détecteur 5. A cet effet, le détecteur 5 est de préférence monté sur un équipage mobile doté de divers degrés de liberté dont les déplacements sont asservis à la rotation du réseau de diffraction 4.It is possible to determine a relation between the angle ψ of rotation of the diffraction grating 4 and the position of the focal point F, as well as between this same angle ψ and the direction of the mean focal axis A. It is therefore possible to determine, for each angular position of the diffraction grating, the optimal position of the detector 5. Thus it is very simple to automatically link the rotation of the diffraction grating 4 with the displacement in the space of the detector 5. For this purpose , the detector 5 is preferably mounted on a moving element provided with various degrees of freedom whose displacements are slaved to the rotation of the diffraction grating 4.
De façon remarquable, il est ainsi possible de couvrir avec un même réseau de diffraction des rayonnements de 180 à 1500 électron-volts, avec une variation d'angle de déviation d'environ 11 degrés (on rappelle que l'angle de déviation est égal au complément à 180° de la somme des modules de l'angle d'incidence α et de l'angle de diffraction β ou, ce qui revient au même, à 180 - (α - β) , puisque β est conventionnellement compté négativement) . Dans une autre réalisation, les inventeurs ont réussi à couvrir la gamme d'énergie de 50 à 1500 électron-volts avec uniquement deux réseaux de diffraction différents tout en assurant une très haute résolution . DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATIONRemarkably, it is thus possible to cover with the same diffraction grating radiation from 180 to 1500 electron volts, with a deviation angle variation of about 11 degrees (it is recalled that the deflection angle is equal to to the 180 ° complement of the sum of the moduli of the angle of incidence α and the diffraction angle β or, which amounts to the same, to 180 - (α - β), since β is conventionally counted negatively) . In another embodiment, the inventors have succeeded in covering the energy range of 50 to 1500 electron volts with only two different diffraction gratings while ensuring a very high resolution. DETAILED DESCRIPTION OF AN EXEMPLARY EMBODIMENT
La description qui suit concerne un spectrographe réalisé par les inventeurs au Laboratoire de Chimie Physique-Matière et Rayonnement de l'Université Pierre et Marie Curie/PARIS VI. Un faisceau de rayonnement X provenant d'une ligne de rayonnement synchrotron est focalisé en un point sur un échantillon, qui forme une source de rayonnement secondaire ayant une distribution en intensité de forme gaussienne avec un écart-type de sensiblement σ = 1,1 micromètres, et émettant dans toutes les directions .The following description relates to a spectrograph produced by the inventors at the Laboratory of Physical Chemistry-Matter and Radiation of the University Pierre and Marie Curie / PARIS VI. An X-ray beam from a synchrotron radiation line is focused at a point on a sample, which forms a secondary radiation source having a Gaussian intensity distribution with a standard deviation of substantially σ = 1.1 micrometers , and emitting in all directions.
Le miroir elliptique est taillé selon une surface ellipsoïde ayant un demi-grand axe de 1550 millimètres et un demi-petit axe de 61,38 millimètres. Le miroir elliptique est éloigné d'environ 900 millimètres de la source secondaire, qui est placée à l'un des foyers Fl de la surface ellipsoïde. Le miroir elliptique a une longueur de 250 millimètres et est placé relativement à la source secondaire de sorte qu'un rayonnement incident provenant de la source secondaire et atteignant le centre du miroir fasse un angle Φ = 87,5° par rapport à la normale du miroir en son centre.The elliptical mirror is cut along an ellipsoid surface having a half-major axis of 1550 millimeters and a half-minor axis of 61.38 millimeters. The elliptical mirror is about 900 millimeters away from the secondary source, which is placed at one of the Fl foci of the ellipsoid surface. The elliptical mirror has a length of 250 millimeters and is placed relative to the secondary source so that incident radiation from the secondary source and reaching the center of the mirror makes an angle Φ = 87.5 ° with respect to the normal of the mirror. mirror in the center.
Le réseau de diffraction plan à pas variable qui intercepte les rayons réfléchis par le miroir elliptique est placé à sensiblement 200 millimètres de celui-ci. Seul le rayonnement diffracté en ordre externe (ordre négatif) est pris en considération. Le plan focal dans lequel est focalisée l'image de la source secondaire est situé à sensiblement 2000 millimètres du réseau de diffraction. L'angle d'incidence α sur le réseau est plus petit que le module de l'angle de diffraction β (on mesure les angles par rapport à la normale et par convention β prend des valeurs négatives) , de sorte que pour intercepter tout le rayonnement réfléchi par le miroir elliptique, la longueur du réseau nécessaire n'est que de 120 millimètres. Ainsi pour une longueur de réseau modérée on recueille le rayonnement intercepté par un miroir de plus de deux fois sa longueur. En contrepartie, l'angle diffracté reste à l'intérieur d'une fourchette limitée puisque θ < |β| < 90° (où 2Θ est le complément à 180° de l'angle de déviation ou, ce qui revient au même, 2Θ = α - β et pour l'ordre zéro α = |β|= θ).The variable pitch diffraction grating which intercepts the rays reflected by the elliptical mirror is placed at substantially 200 millimeters thereof. Only radiation diffracted in external order (negative order) is taken into consideration. The focal plane in which the image of the secondary source is focused is located substantially 2000 millimeters away from the diffraction grating. The angle of incidence α on the grating is smaller than the modulus of the diffraction angle β (the angles are measured with respect to the normal and by convention β takes negative values), so that to intercept all the radiation reflected by the elliptical mirror, the length of the network required is only 120 millimeters. Thus, for a moderate network length, the radiation intercepted by a mirror is collected more than twice its length. In return, the diffracted angle remains within a range limited since θ <| β | <90 ° (where 2Θ is the 180 ° complement of the deflection angle or, which amounts to the same, 2Θ = α - β and for the zero order α = | β | = θ).
On rappelle la formule des réseaux : N.λ = d. (sinα + sinβ) où λ est la longueur d'onde diffractée (en nanomètres) , N l'ordre de diffraction (ici N = -1) et d est le pas entre les traits au centre du réseau de diffraction à pas variable (ici 1/1800 millimètres soit 556 nanomètres) . La gamme d'énergie couverte par le réseau de diffraction est étendue en rendant θ variable, en faisant pivoter le réseau de diffraction à pas variable comme expliqué ci-avant. Comme indiqué, cette extension de gamme d'énergie est réalisée sans perte de résolution grâce à l'utilisation selon l'invention d'un miroir elliptique couplé au réseau de diffraction à pas variable, ce qui s'avère impossible avec un miroir sphérique ou toroïdal.We recall the formula of networks: N.λ = d. (sinα + sinβ) where λ is the diffracted wavelength (in nanometers), N is the diffraction order (here N = -1) and d is the pitch between the lines at the center of the variable-pitch diffraction grating ( here 1/1800 millimeters or 556 nanometers). The range of energy covered by the diffraction grating is extended by making θ variable, by rotating the variable-pitch diffraction grating as explained above. As indicated, this extension of energy range is achieved without loss of resolution thanks to the use according to the invention of an elliptical mirror coupled to the diffraction grating with variable pitch, which proves impossible with a spherical mirror or toroidal.
Les inventeurs ont déterminé la variation du pas des traits du réseau de diffraction en déterminant les paramètres d'un polynôme du quatrième degré qui définit la variation optimale du pas des traits pour une longueur d'onde moyenne correspondant à une énergie de 700 électron-volts, et une valeur de 2Θ moyenne de 174 degrés. Le réseau de diffraction utilisé présente une densité de traits de 1800 traits par millimètre en son centre .The inventors have determined the variation of the pitch of the lines of the diffraction grating by determining the parameters of a fourth degree polynomial which defines the optimum variation of the pitch of the lines for an average wavelength corresponding to an energy of 700 electron volts. , and a value of 2Θ average of 174 degrees. The diffraction grating used has a line density of 1800 lines per millimeter at its center.
Pour la distribution des traits du réseau ainsi déterminée, les inventeurs ont constaté que la même dispersion angulaire réciproque peut être maintenue pour une gamme d'énergie de 280 électron-voltsFor the distribution of the lines of the network thus determined, the inventors have found that the same reciprocal angular dispersion can be maintained for an energy range of 280 electron volts.
(4,4 nanomètres) à 950 électron-volts (13 nanomètres) sans affecter la qualité de la focalisation, à condition bien sûr de déplacer le détecteur pour tenir compte de la variation de l'angle 2Θ et de celle de la distance focale. En pratique, le détecteur est monté sur une table pouvant se déplacer de 400 millimètres en Y et 300 millimètres en X, ce qui permet de couvrir une variation de 2Θ allant de 176° à 165° (soit une variation de l'angle de déviation de 4° à 15°) .(4.4 nanometers) to 950 electron volts (13 nanometers) without affecting the quality of the focus, provided of course to move the detector to account for the variation of the angle 2Θ and that of the distance Focal. In practice, the detector is mounted on a table that can move 400 millimeters Y and 300 millimeters X, which covers a variation of 2Θ ranging from 176 ° to 165 ° (a variation of the deflection angle from 4 ° to 15 °).
On montre par ailleurs que la dispersion angulaire réciproque dλ/dβ est proportionnelle à cosβ pour une valeur de θ donnée. La dispersion angulaire réciproque maximum est donc obtenue pour cosβ tendant vers zéro, ou pour β tendant vers 90 degrés. En pratique on choisit β < I 89, 3 I degrés pour éviter une trop importante contribution de la diffusion diffuse du réseau lui-même.It is also shown that the reciprocal angular dispersion dλ / dβ is proportional to cosβ for a given value of θ. The maximum reciprocal angular dispersion is therefore obtained for cosβ tending towards zero, or for β tending towards 90 degrees. In practice one chooses β <I 89, 3 I degrees to avoid a too important contribution of diffuse diffusion of the network itself.
Comme cela a été expliqué, la possibilité de varier θ et β par pivotement du réseau de diffraction sans affecter la qualité de la focalisation permet d'étudier une plage spectrale, étendue ou étroite, selon le choix de β. Il s'agit d'un effet de zoom. Alternativement il est possible de choisir l'angle d'incidence et l'angle de diffraction afin de satisfaire la condition de blaze sur toute la gamme d'énergie couverte par le réseau de diffraction, pour une efficacité maximum. 1/ EFFICACITEAs has been explained, the possibility of varying θ and β by pivoting the diffraction grating without affecting the quality of the focusing makes it possible to study a spectral range, wide or narrow, according to the choice of β. This is a zoom effect. Alternatively it is possible to choose the angle of incidence and the diffraction angle to satisfy the blaze condition over the entire energy range covered by the diffraction grating, for maximum efficiency. 1 / EFFICIENCY
II est bien évident que la quantité de rayonnement intercepté par le spectrographe dépend de la longueur effective du miroir elliptique et de la largeur du détecteur situé ici à sensiblement 3,1 m de la source. L'acceptance effective doit être corrigée de la réflectivité du miroir. Celle-ci dépend de l'angle d'incidence du rayonnement, de sa longueur d'onde et de la nature du revêtement. La figure 3 présente l'acceptance effective du miroir elliptique utilisé dans cet exemple de réalisation.It is obvious that the amount of radiation intercepted by the spectrograph depends on the effective length of the elliptical mirror and the width of the detector located here substantially 3.1 m from the source. The actual acceptance must be corrected for the reflectivity of the mirror. This depends on the angle of incidence of the radiation, its wavelength and the nature of the coating. Figure 3 shows the effective acceptance of the elliptical mirror used in this embodiment.
Pour connaître l'efficacité de l'instrument dans son ensemble il convient également de tenir compte de l'efficacité absolue du réseau. La figure 4 présente l'efficacité calculée (à l'aide du code de calcul NEPHIERE mis en ligne par le Canadian Light Source) d'un réseau de diffraction à pas variable de 1800 traits/millimètres dans différentes configurations rendues possible par l'invention. Le réseau est ici considéré blazé sous un angle de blaze ΘB = -1,5°. La condition de blaze est respectée si : α - ΘB = I β I + ΘB Pour un très haut pouvoir résolvant PR (PR > 104) obtenu pour β = -89,3°, l'efficacité du réseau chute vers les basses énergies mais le recouvrement avec un deuxième réseau destiné aux basses énergies est possible. Une meilleure efficacité est obtenue sur une gamme d'énergie importante en variant β de sorte que 8000 > PR > 5000. La meilleure efficacité est obtenue en donnant priorité aux conditions de blaze. 2/ RESOLUTIONTo know the efficiency of the instrument as a whole, the absolute efficiency of the network should also be taken into account. Figure 4 presents the efficiency calculated (using the NEPHIERE calculation code put online by the Canadian Light Source) of a variable-pitch diffraction grating of 1800 lines / millimeter in various configurations made possible by the invention. The network is considered blazed under a blaze angle Θ B = -1.5 °. The condition of blaze is respected if: α - Θ B = I β I + Θ B For a very high resolving power PR (PR> 10 4 ) obtained for β = -89,3 °, the efficiency of the network falls towards the low energy but the recovery with a second network for low energy is possible. Better efficiency is obtained over a large energy range by varying β so that 8000>PR> 5000. The best efficiency is obtained by giving priority to blaze conditions. 2 / RESOLUTION
Le pouvoir résolvant dépend de la taille de la source, de la qualité des optiques et de la résolution du détecteur. Le pouvoir résolvant d'un système optique est souvent défini selon le critère de Rayleigh : deux raies spectrales séparées de Δλ seront résolues siThe resolving power depends on the size of the source, the quality of the optics and the resolution of the detector. The resolving power of an optical system is often defined according to the Rayleigh criterion: two spectral lines separated by Δλ will be resolved if
Δλ = 2,643.σimage. (dλ/dβ) où σimage est l'écart type de la forme gaussienne ajustée au mieux à l'image. A l'ordre -1 le pouvoir résolvant est égal à :Δλ = 2,643.σ image . (dλ / dβ) where σ image is the standard deviation of the Gaussian form adjusted best to the image. At order -1 the resolving power is equal to:
PR = λ/Δλ = E/ΔE = - (12398/E/d.cosβ) . (r/2, 643.σimage) où r est la distance entre le centre du réseau et le détecteur . La figure 5 montre la largeur à mi-hauteur de la forme gaussienne admise pour obtenir un PR = 104 avec r = 2000 millimètres (il est à noter que la largeur à mi- hauteur est égale à 2, 35. σimage) .PR = λ / Δλ = E / ΔE = - (12398 / E / d.cosβ). (r / 2, 643.σ image ) where r is the distance between the center of the network and the detector. Figure 5 shows the width at half height of the Gaussian form allowed to obtain a PR = 10 4 with r = 2000 millimeters (it should be noted that the width at half height is equal to 2.35 σ image ).
Enfin, la figure 6 présente des simulations (réalisées à l'aide de SHADOW qui est un code de simulation pour optiques du domaine des rayons X-UV distribué par le Center for Nanotechnology, Université de Wisconsin) intégrant la taille de la source et les valeurs des erreurs de pente et de rugosité des optiques spécifiées pour le spectrographe . Ces simulations confirment qu'un pouvoir résolvant de 104 est atteint aux grandes énergies, et largement dépassé selon le critère de Rayleigh pour les plus faibles énergies. Aux deux extrêmes illustrés sur la figure, la largeur à mi-hauteur de la gaussienne ajustée à l'un des pics formant l'image est de 80 μm (pour 280 eV) et 34 μm (pour 930 eV) .Finally, Figure 6 presents simulations (performed using SHADOW which is a code of X-ray X-ray Domain Optics Simulation Distributed by the Center for Nanotechnology, University of Wisconsin) integrating source size and slope and roughness error values for the optics specified for the spectrograph. These simulations confirm that a resolving power of 10 4 is reached at high energies, and largely exceeded by the Rayleigh criterion for the lowest energies. At the two extremes illustrated in the figure, the half-height width of the Gaussian adjusted to one of the peaks forming the image is 80 μm (for 280 eV) and 34 μm (for 930 eV).
Finalement, alors qu'un pouvoir résolvant d'au moins 104 peut être obtenu avec le réseau de diffraction à pas variable mentionné dont le pas est de 1800 traits par millimètre au centre, la résolution dépendra quant à elle de performances du détecteur utilisé. Sur la figure 6, les rectangles formant des créneaux représentent une largeur de pixel de 13 μm. On mettra avantageusement en œuvre des procédés connus pour réduire la taille effective des pixels si besoin est. Ceci se fait soit géométriquement par une légère rotation du détecteur soit électroniquement en mesurant la charge induite sur les pixels voisins.Finally, while a resolving power of at least 10 4 can be obtained with the mentioned variable pitch diffraction grating having a pitch of 1800 lines per millimeter in the center, the resolution will depend on the performance of the detector used. In FIG. 6, the slots forming rectangles represent a pixel width of 13 μm. It will be advantageous to use known methods to reduce the effective size of the pixels if necessary. This is done either geometrically by a slight rotation of the detector or electronically by measuring the charge induced on neighboring pixels.
A titre d' illustration, des simulations ont été réalisées (à l'aide de SHADOW) pour comparer, en fonction de la position sur le détecteur, l'intensité du rayonnement atteignant le détecteur, pour un spectrographe selon l'invention et pour des spectrographes de l'art antérieur à miroir toroïdal ou sphérique, toutes choses étant égales par ailleurs. Les figures 7a et 7b illustrent chacune une simulation réalisée pour une énergie de rayonnement appartenant à la plage d'énergie de rayonnement dans laquelle la disposition des traits du réseau de diffraction plan à pas variable est optimale alors que les figures 7c et 7d illustrent chacune une simulation réalisée pour une énergie de rayonnement en dehors de cette plage. A la lumière de ces quatre figures, il est apparu que le couplage d'un miroir elliptique à un réseau de diffraction plan à pas variable permet d'obtenir une intensité de l'image très élevée, par comparaison aux couplages à un miroir sphérique ou toroïdal, et ce même en dehors de la plage d'énergie de rayonnement où la disposition des traits du réseau de diffraction plan à pas variable est optimale. La sélection selon l'invention d'un miroir elliptique permet donc d'augmenter très nettement la performance du spectrographe .By way of illustration, simulations were carried out (using SHADOW) to compare, as a function of the position on the detector, the intensity of the radiation reaching the detector, for a spectrograph according to the invention and for spectrographs of the prior art toroidal or spherical mirror, all things being equal. FIGS. 7a and 7b each illustrate a simulation performed for a radiation energy belonging to the radiation energy range in which the arrangement of the lines of the diffraction grating with variable pitch is optimal, while FIGS. 7c and 7d each illustrate a simulation performed for radiation energy outside this range. In light of these four figures, it appeared that the coupling of an elliptical mirror to a variable pitch plane diffraction grating makes it possible to obtain a very high image intensity, compared to couplings with a spherical mirror or toroidal, and this even outside the range of radiation energy where the arrangement of the diffraction grating lines is variable pitch is optimal. The selection according to the invention of an elliptical mirror thus makes it possible to increase the performance of the spectrograph very clearly.
L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais englobe bien au contraire toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications. The invention is not limited to what has just been described, but on the contrary covers any variant within the scope defined by the claims.

Claims

REVENDICATIONS
1. Spectrographe comportant des moyens de focalisation (3) d'un rayonnement secondaire émis par un échantillon éclairé par une source de rayonnement X, et des moyens de diffraction (4) du rayonnement focalisé, caractérisé en ce que les moyens de diffraction comprennent un réseau de diffraction plan à traits s' étendant selon un pas variable, et les moyens de focalisation comprennent un miroir elliptique ayant une surface réfléchissante s' étendant selon une surface ellipsoïde, l'échantillon étant placé à l'un des foyers (Fl) de la surface ellipsoïde.Spectrograph comprising means for focusing (3) a secondary radiation emitted by a sample illuminated by an X-ray source, and diffraction means (4) for focusing radiation, characterized in that the diffraction means comprise a planar diffraction grating extending in a variable pitch, and the focusing means comprises an elliptical mirror having a reflective surface extending along an ellipsoidal surface, the sample being placed at one of the foci (F1) of the ellipsoid surface.
2. Spectrographe selon la revendication 1, dans lequel le réseau de diffraction est monté pivotant autour d'un axe (Z) parallèle à ses traits.2. Spectrograph according to claim 1, wherein the diffraction grating is pivotally mounted about an axis (Z) parallel to its lines.
3. Spectrographe selon la revendication 2, comportant un détecteur (5) du rayonnement diffracté, le détecteur étant associé à des moyens de son déplacement asservi à une rotation du réseau de diffraction pour faire coïncider un plan de détection du détecteur avec un plan de formation (P) d'une image de l'échantillon après diffraction par le réseau de diffraction.3. Spectrograph according to claim 2, comprising a detector (5) of the diffracted radiation, the detector being associated with means of its displacement slaved to a rotation of the diffraction grating so as to make a detecting plane of the detector coincide with a formation plane. (P) an image of the sample after diffraction by the diffraction grating.
4. Procédé d'utilisation d'un spectrographe selon la revendication 3, dans lequel on provoque un pivotement du réseau de diffraction pour sélectionner une plage spectrale déterminée du rayonnement secondaire à analyser . 4. A method of using a spectrograph according to claim 3, wherein it causes a pivoting of the diffraction grating to select a specific spectral range of the secondary radiation to be analyzed.
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