Дифракционными решетками

Параметры тонкой структуры зависят от содержания азота в покрытии. Параметр кристаллической решетки, ширина дифракционных максимумов, дисперсия микроискажений, плотность дислокаций и микротвердость изменяются пропорционально содержанию азота в покрытии и имеют экстремумы в области нитрида титана стехиометрического состава [96, 97]. Э.М. Лазарев и С.Я. Бецофен [97] установили, что

В 1912 году М. Лауэ открыл явление дифракции рентгеновских лучей. 'Появилась возможность экспериментально наблюдать расположение атомов в твердом теле и структуру кристаллов. Было доказано, что рентгеновские лучи представляют собой такие же колебания, как обычный свет, но с гораздо более короткой длиной волны. Длина волны рентгеновских лучей имеет тот же порядок, что и межатомные расстояния в кристаллах, и правильное расположение атомов,,в периодической решетке обусловливает появление дифракционных максимумов под определенными, резко выраженными углами. ;

где Р0 = P'D — интенсивность в центре дифракционной картины; Р'—величина, пропорциональная мощности источника излучения; Ф — угловая координата точек дифракционного распределения. Вид этого распределения показан на рис. 147, б. Относительные величины максимумов интенсивности, начиная с центрального, составляют ряд: 1; 0,045; 0,016 и т. д. При изменении размера D величина дифракционных максимумов также изменяется. Таким образом, анализируя дифракционное распределение, полученное от измеряемого изделия, можно определить его геометрические параметры. На рис. 147, в приведена фотография дифракционных

Анализ выражения (195) гюзьоляет сделать следующие выводы: чувствительность растет с уменьшением измеряемого размера (в первом приближении обратно пропорционально его квадрату) и с увеличением числа регистрируемых максимумов, так что для увеличения чувствительности желательно получить и использовать для измерений наибольшее число дифракционных максимумов; чувствительность не зависит от интенсивности излучения лазера, и, следовательно, не требуется ее жесткая стабилизация. Кроме того, появляется возможность значительных пространственных смещений измеряемых изделий в пределах лазерного пучка, имеющего неравномерное распределение интенсивности в поперечном сечении.

Из выражения (193) видно, что зависимость регистрируемого углового размера фт> „ от диаметра D является монотонной функцией и, следовательно, диапазон контроля принципиально не ограничивается и определяется только конкретной схемой измерения. Регистрируемый параметр при этом способе также не является линейной функцией измеряемого размера. Зависимость размера дифракционных максимумов от диаметра D в первом приближении имеет вид

На практике чаще всего используют для измерения зависимость линейного размера /т,„ дифракционных максимумов в фокальной плоскости объектива от диаметра изделия [94]:

Ограничение диапазона измеряемых размеров связано в основном со снижением интенсивности дифракционного распределения при уменьшении измеряемого размера, с одной стороны, и с уменьшением угловых размеров дифракционных максимумов и трудностью их разрешения при увеличении размера объекта — с другой.

Вторая группа измерителей использует однозначную зависимость размера дифракционных максимумов от размера изделия. Определение размеров дифракционных максимумов можно проводить, непосредственно измеряя их линейный или угловой размер с помощью фотодатчика. При этом фотодатчик перемещается либо по линии, либо по дуге, центр которой совпадает с местоположением измеряемого изделия. Измеряемый размер может быть определен расчетным путем с помощью соответствующих формул, учитывающих форму изделия. Например, в случае измерения диаметра тонких проволок, щелей, полосок и непрозрачных волокон их размер D можно определить из выражения (193), если измеряется угловой размер дифракционных максимумов, либо из выражения

На практике Lp выбирают достаточно большим, чтобы обеспечить размер дифракционных максимумов при заданном значении D, позволяющем измерять его с необходимой точностью. Обеспечение достаточно малого отношения ALP/L не представляет затруднений. Поэтому основная погрешность измерения размера D, как. правило, зависит от погрешности определения положения экстремальных точек дифракционного распределения с помощью фотодатчика и погрешности измерения расстояния между ними. Следует отметить, что увеличение расстояния Lp облегчает измерение величины дифракционных максимумов благодаря увеличению их размера, но затрудняет определение положения экстремальных точек из-за уменьшения освещенности в дифракционной картине и приводит к увеличению составляющей погрешности, обусловленной неточностью определение положения этих точек. Для снижения погрешности определения положения экстремальных точек дифракционного распределения и измерения расстояния между ними используют высокочувствительные фотодатчики с небольшим размером чувствительной поверхности (или узкой входной щелью), модулируют интенсивность лазерного излуче-ния^и'^применяют 'устройства, позволяющие производить отсчет перемещений фотодатчика с точностью выше 0,05 мм. В ряде случаев используют позиционно-чувствительные элементы.

ности центра дифракционной картины с интенсивностью дифракционного максимума определенного порядка. В фокальной плоскости имеется вращающаяся маска в форме щелевого диска 7, за которым расположена неподвижная маска 9, перекрывающая часть дифракционных максимумов. Излучение, проходящее сквозь эти щели, собирается линзой 10 на фотоэлектрическом датчике 11.

На рис. 159 дана функциональная схема электронной части одного из вариантов устройства. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 160. Электрический сигнал FBX, получаемый с фотодатчика, через повторитель поступает на вход усилителя, нагрузкой которого служит дифференцирующая цепь. Продифференцированный сигнал УДИф подается на усилитель с автоматической регулировкой усиления, а затем на вход триггера Шмитта. Полученная последовательность импульсов Уш поступает на вход логической схемы. Логическая схема состоит из счетчика, схемы совпадения и схемы сброса и построена так, что выделяет временной интервал т, соответствующий размеру двух дифракционных максимумов.

ИТ-205 СССР, ГОИ им. С. И. Вавилова 120Х 120 1 Автоколлимационный прибор с дифракционными решетками для совмещения интерферирующих пучков света

Рис. 119. Фотоэлектрический датчик с дифракционными решетками:

Частота изменения коэффициента звена с двумя дифракционными решетками равна удвоенной частоте решетки. Это позволяет значительно повысить точность отсчета рассогласования. Число штрихов на диске современных фотоэлектрических преобразователей составляет от 10 800 до 32 400.

ных максимума. Однако интенсивность света в них не превышает нескольких процентов интенсивности главных, так что в оптических приборах с дифракционными решетками практически используются лишь главные максимумы.

При падении на решетку плоской волны, фронт которой параллелен плоскости решетки, на экране, расположенном по другую сторону решетки, при наличии линзы, удаленной от экрана на фокусное расстояние, возникает чередование светлых и темных полос разной интенсивности. Между двумя главными максимумами располагаются N - 2 промежуточных максимума. Однако интенсивность света в них не превышает нескольких процентов интенсивности главных, так что в оптических приборах с дифракционными решетками практически используются лишь главные максимумы.

Приборы с фотографической регистрацией спектров. С помощью спектрографов можно проводить качественный, количественный и полуколичественный анализы веществ в любом агрегатном состоянии. Спектрографы отличаются типом диспергирующих устройств, источником возбуждения спектров, разрешающей способностью, светосилой и другими характеристиками. Наиболее распространенными являются спектрографы с кварцевой или стеклянной оптикой (ИСП-30, ИСП-51) с дифракционными решетками (ДФС-8, ДФС-452, 457, СТЭ-1-1М) и др. Это высокоинформационные приборы, степень информативности которых зависит от фиксируемой области спектра, дисперсии, светосилы. Дифракционные спектрографы имеют большую протяженность спектра и позволяют анализировать одновременно до 70 элементов.

Вместе с тем многослойные дисперсионные элементы имеют ряд неоспоримых преимуществ. Основным из них, по-видимому, является то обстоятельство, что МИС значительно дешевле и проще в изготовлении по сравнению с дифракционными решетками и могут быть созданы в массовом количестве. Кроме того, многослойные элементы работают при нормальном падении и, следовательно, имеют существенно большую светосилу. Наконец, в настоящее время не представляет особых сложностей нанесение многослойных покрытий на изогнутые подложки сложной формы, т. е. создание рентгеновских спектрометров с пространственным разрешением.

Для целей картографирования неба в малоизученной крайней УФ-области спектра 10—100 нм на специализированном спутнике ЕУВЕ [20 ] (EUVE — Extreme Ultraviolet Explorer) будут установлены четыре зеркальных телескопа: три в плоскости, перпендикулярной оси вращения спутника, для работы в сканирующем режиме, четвертый — вдоль оси вращения для длительных наблюдений некоторых источников в узкой полосе небесной сферы порядка 7° (в антисолнечном направлении). В телескопах будет использоваться оптика Вольтера—Шварцшильда с разрешением 5' в поле зрения 5° [88] и координято-чувстгштельные детекторы ня основе микроканальных пластин. Телескоп, установленный но оси спутника, представляет собой спектрометр с тремя дифракционными решетками с переменным шагом, расположенными в сходящемся пучке позади объектива и обеспечивающими спектральное разрешение k/dX т 200 в трех каналах 7—19, 14—38 и 28—76 нм [36]. В телескопе используется зеркальная система Вольтера—Шварцшильда второго рода, имеющая входной диаметр 40 см и эффективное фокусное расстояние 136 см при физической длине от входа до фокуса 107 см. Угловое разрешение в каждом канале с учетом аберраций и точности изготовления зеркал составляет порядка Г в поле 5°. Более подробно схема и спектральные характеристики этого прибора будут рассмотрены в гл. 7.

Изучение рентгеновских спектров в области длин волн 0,5—100 нм проводится с плоскими и вогнутыми дифракционными решетками. Первая теория дифракционной решетки была создана Фраунгофером в 1821 г. Он впервые предложил изготовлять решетки с узкими прозрачными и непрозрачными участками нарезанием алмазным резцом поверхности стеклянной пластинки или зеркальной поверхности металла.

7.4. РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРОМЕТРЫ С ДИФРАКЦИОННЫМИ РЕШЕТКАМИ

Используемые в настоящее время рентгеновские спектральные приборы с дифракционными решетками можно классифицировать следующим образом: