变包含角平面光栅单色仪的机械精度分析与测试

    变包含角平面光栅单色仪^[1-5]具有诸多的优良特性，如较高的光子输出通量、能量分辨率、光谱纯度和像斑质量，且能量工作范围宽、光束传输效率高，因而越来越多地运用于同步辐射光束线中。上海同步辐射装置(SSRF)软X射线谱学显微光束线采用一套变包含角平面光栅单色仪系统。该单色仪工作在平行光模式下，无入射狭缝，出射狭缝固定，通 过 改 变 包 含 角 来 选 择 波 长 ， 工 作 范 围 为250–2000 eV。单色仪的机械精度直接影响出射光束的能量分辨率和能量位置精度。本文根据光束线中的能量分辨率要求，对单色仪的转角重复精度和分辨率进行了分析，并建立了平面镜光栅转角重复精度和光栅切换重复精度的测试系统。

    1 能量分辨率对转角重复精度的技术要求

    变包含角平面光栅单色仪的原理^[5]如图 1 所示，在能量扫描过程中，光栅绕表面中心转动，平面镜既要转动又要平动，使平面镜反射的光斑中心不偏离光栅中心。光栅方程为：

sin α   sin β = mλ /d           (1)

其中，α、β 为光栅入射角和衍射角，m 为衍射级次，λ 为波长，d 为光栅刻线间距，定义 C_ff=cosβ/cosα为平面光栅光学放大倍数。

    设平面镜的转角误差为  ，光栅的转角误差为 η，则固定出射方向的衍射光波长变化 λ满足式(1)与

    若要满足能量分辨率的设计值 6000@250eV，则要求平面镜和光栅的转角重复精度为   =0.45''， β=0.58''，在计算中取 C_ff=1/1.8，α=83.86151o，β=86.59424o。

    因此，将平面镜和光栅的全量程(250–2000eV)转角重复精度定为 0.45″，分辨率为 0.05″。由于能量分辨率对平面镜的角度误差更加敏感，因此机械设计时应优先考虑平面镜的转角重复精度。

    对于影响单色仪角度误差的机构因素主要有：

    (1) 直线位移扫描机构引起的角度误差 Δ1

    该误差主要取决于直线导轨的制造装配精度，选用精度为 0.001 mm 的精密导轨，正弦杆长度按照 600 mm 进行计算，这样由于直线位移扫描机构带来的角度误差为 0.34"；

    (2) 平面镜及光栅扫描回转水平轴系引起的角度误差 Δ2

    该误差由轴承径向跳动引起，在该水平轴系12 的转角范围内引起的角度误差为 0.1"；

    (3) 正弦扫描杆弹性变形引起的角度误差 Δ3

    对于正弦扫描杆不同的截面形状和尺寸，其弹性变形引起角度误差差距是很大的，通过选取合适的材料、截面形状和尺寸，可以将该项误差控制在0.1"之内；

    (4) 光栅位置切换不重合带来的角度误差 Δ4