Soft X-ray spectrometers based on aperiodic reflection gratings and their application

Abstract

This paper is concerned with the history, properties, development, application, and prospects of soft X-ray (2 – 300 Å) VLS spectrometers, i.e., spectrometers with reflection diffraction gratings whose spacing varies monotonically across the aperture according to a prescribed law (so-called Varied Line-Space (VLS) gratings). An important feature of grazing-incidence VLS spectrometers is that the spectrum is formed on a nearly flat surface perpendicular (or slightly inclined) to the diffracted beams, making them perfectly compatible with modern CCD detectors. VLS spectrometers are employed for the spectroscopy of laboratory and astrophysical plasmas, including the diagnostics of relativistic laser-produced plasmas, for measuring the linewidth of an X-ray laser, for recording the high-order harmonics of laser radiation, and for recording the emission of fast electric discharges and other laboratory X-ray sources. Instruments with VLS gratings are employed to advantage in reflectometry/metrology, X-ray fluorescence analysis, and microscopy with the use of synchrotron, free-electron laser, and laser-produced plasma radiation, as well as in SXR emission spectroscopy, combined with an electron microscope (SXES). Recent years have seen the active development of VLS spectrometers dedicated to the investigation of the electronic structure of different materials and molecules by resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) spectroscopy with synchrotron radiation. Among recent trends is the development of VLS gratings with a multilayer reflective coating and extension of the operating spectral range towards ‘tender’ X-rays (ℏω ∼ 1.5 – 6 keV), some projects aiming to achieve a resolving power λ/δ λ ∼ 105 in the region ℏω ∼ 1 keV.

Design of a high-resolution VLS monochromator for synchrotron radiation

“…Disadvantage of such schemes is the large number of optical elements, as well as certain difficulties with reconfiguration of operational wavelength. Examples of schemes of devices with complex kinematics of optical elements can be found in reviews, for instance, [6,7].…”

Схема VLS-монохроматора Высокого Разрешения Для Синхротронного Излучения

“…Недостатком таких схем является большое число оптических элементов, а также определенные сложности с перестройкой рабочей длины волны. Примеры схем приборов со сложной кинематикой оптических элементов можно найти в обзорах, например, [6,7].…”

“…В настоящее время VLS-спектрометры и VLS-монохроматоры различного типа широко применяются в исследованиях в мягком рентгеновском (МР) диапазоне спектра [6,7]. Они используются в спектроскопии и диагностике лабораторной плазмы [8], астрофизике [9][10][11], рефлектометрии/метрологии с использованием лазерноплазменного источника МР излучения [12], рентгеновском флуоресцентном анализе с использованием СИ и эмиссионной спектроскопии, совмещенной с электронным микроскопом [13].…”

“…Для изготовления VLS-решеток используют программируемые гравировальные станки, интерференционную литографию, а также электронно-лучевую литографию (см. обзоры [6,7]).…”

“…В последние годы в России была разработана технология изготовления плоских и вогнутых VLS-решеток методом интерференционной литографии, включающая расчет оптической схемы интерференционной литографии, и был накоплен опыт создания VLS-спектрометров [6,7,26,27]. Учитывая это обстоятельство, а также широкие возможности подхода Хеттрика−Андервуда, мы остановились именно на этом подходе при расчете схемы VLS-монохроматора для ВУФ канала на накопителе 4-го поколения " СКИФ".…”