变包含角平面光栅单色器光斑横移分析

    上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线站采用 EPU(Elliptically Polarized Undulator)作为光源，提供不同极化状态的软 X 射线。软 X 波段光子能量范围大，因此采用变包含角平面光栅单色器(VAPGM)作为该条光束线的分光设备。VAPGM 性能优良^[1–5]，广泛应用于同步辐射光束线中^[6–9]。SSRF 软 X 射线谱学显微光束线的设计目标，是在保证实现 250–2000 eV 光子能量范围内的高通量输出前提下，能量分辩率本领(E/ΔE)优于 6000@250eV。该束线专用于 X 射线显微谱学，其主要聚焦元件波带片的角接受度有限，因此，须严格控制光斑尺寸，根据计算要求单色器出射光斑到达出射狭缝的横向角漂移重复精度优于 1″。

    因此，单色器设计时应分析单色器出射光斑横移的影响因素。本文从单色器机构误差的角度分析了单色器出射光斑横移的影响因素，用有限元分析软件 Ansys 对因结构受力变形而影响光斑横移的因素进行了数值模拟和分析，对单色器相关部件加工精度提出了要求，为单色器的总体设计提供了理论依据。

    1 VAPGM 光学组成

    SSRF 的 VAPGM 类似于 Petersen^[10]SX-700 单色器，基本光学元件为前置平面镜和平面光栅，两者的旋转轴平行并保持一定距离。该单色器距离光源 32 m，工作在平行光模式下，无入射狭缝，出射狭缝固定，光学放大倍数调节范围 1.8–2.5，通过改变包含角选择波长，工作范围 250–2000 eV。

    1.1 软 X 射线谱学显微光束线

    由图 1，从 EPU(Elliptically Polarized Undulator)出来的同步辐射光经四刀光阑(4-blade aperture,0.16 mrad×0.08 mrad)到达第一块柱面镜，使同步辐射光水平方向偏转 3.44°，并准直弧矢面上的入射光，在垂直方向以平行光打在前置平面镜上，经反射到达平面光栅，从光栅出射的同步辐射光，以 1.5°的掠入射角打在超环面镜上，超环面镜聚焦同步辐射光在出射狭缝上。从出射狭缝出来的光将直接到达聚焦元件波带片，虽然出射狭缝可调节光斑的发散度，但对于波带片的角接受度有限。因此，须严格控制从单色器出射的光斑尺寸，要求光斑有高的横移重复精度。

    1.2 VAPGM 平面镜离轴转动原理

    VAPGM 的波长扫描机构类似于 SX-700 单色器，在能量扫描过程中，平面光栅绕其表面中心旋转，为使光栅轴向尺寸最小及出射光轴固定，要求平面镜反射的同步辐射光通过光栅的中心 O，则平面镜除了转动外还需平行移动。为此，由 SX-700单色器的平面镜离轴运动来实现其转动和平行移动的复合运动(图 2)。可根据光栅在整个光谱范围内的转角，择优选取三个平面镜的角度，依照图 2 几何关系，并使 OG=0 来确定平面镜的转轴位置 M(M_x,M_y)和旋转半径 MC。