双晶单色器晶体间位置关系及尺寸的确定方法

    同步辐射是高能带电粒子在加速器中以接近光速的速度作圆周运动时，沿切线方向发出的电磁辐射^[1]，具有高亮度、高强度、高准直性、波长范围宽、其光谱连续可调以及具有时间结构和偏振性等优异性能，已经成为物理学、材料科学、化学、生命科学、微加工技术等领域研究和应用方面强有力的工具^[2]。双晶单色器是同步辐射光束线上的关键光学部件，其作用是利用 Bragg 衍射原理对入射光进行单色化，得到实验所需的特定能量的单色同步光。双晶单色器采用两块完整的 Si、Ge 等晶体作为色散元件，两晶体衍射面互相平行。第一晶体根据Bragg 衍射原理对入射光进行单色化，第二晶体在固定出口机构的作用下使出射单色光相对于入射光的出射方向和高度保持不变，从而可以在试验样品上获得位置固定的光斑。出射光固定出口机构有直角机构、滑轨与衍射面有一夹角机构、XY 方向移动机构、T 型固定出口机构等几种类型，其中 T 型固定出口机构结构尺寸小，不需外加驱动，只需由Huber 转台驱动即可，是一种常用的出射光固定出口机构^[3]。

    目前，双晶位置关系和尺寸确定的原则一般是使双晶尺寸最小，但一直都没有比较系统的理论来指导双晶的设计，只能采用试凑的方法，因而不能得到最优化的结构。而试凑方法相当繁琐，需要从多次结果中选取一个较为合理的方案，不仅浪费时间和人力，还容易遗漏最优方案，往往事倍功半。本文在研究 T 型固定出口机构的基础上，提出了一种较为有效的双晶位置关系及尺寸的确定方法。

    1 T 型固定出口机构工作原理

    如图 1 所示，第一晶体装在 Huber 转台上，其晶面通过转台中心 O 点。U－U 和 V－V 是两个滑道，U－U 固定在单色器壳体上，且平行于 X 轴，与 X 轴之间的垂直距离为 h；V－V 通过 O 点，与第一晶体晶面垂直。U－U 和 V－V 交于 P 点，并且 P 点位于第二晶体晶面延长线上，与第二晶体之间的相对位置不变。第二晶体晶面与第一晶体晶面平行，也垂直于 V－V。

   双晶单色器工作时，入射光 AB 沿 X 轴方向入射到第一晶体晶面上，AB 与第一晶体晶面之间的夹角θ 即为 Bragg 角。根据 Bragg 衍射原理，只有与Bragg 角相对应的波长才在第一晶体晶面上发生衍射，其余波长的光则都被第一晶体吸收；衍射出的单色光射到第二晶体晶面 C 处，再经过一次衍射，形成出射光 CD。当需要不同波长的单色光时，只需改变θ 角即可实现，即驱动转台使第一晶体随之转动以及 V－V 绕着 O 点转动到所需的角度。在转动过程中，P 点沿着 U－U 移动，同时，第二晶体绕着 P 点转动^[4]。这样，当 Bragg 角为θ 时，出射光和入射光之间的垂直高差 H 为