压弯机构在同步辐射光束线中的应用

　　1 引 言

　　同步辐射光亮度高、 发射度小， 通过各种准直聚焦系统可以得到很小的光斑， 提供普通 X 光机和其他光源所无法比拟的亮度， 有力地促进了众多学科的发展[1]。同步辐射装置是一种数百人可同时进行科学和技术实验的大科学平台， 主要由光源、 光束线和实验站构成。光束线的核心部件是各种类型的单色器和反射镜，其中反射镜的主要作用是对光束　　进行偏转、 准直、 聚焦以及光子能量截止等处理。

　　与磨制镜相比， 压弯镜具有半径可调、 表面精度高、易于加工等优点。 压弯机构的主要功能是将光学元件弹性压弯以获得一定的曲率半径，从而实现同步辐射光的准直或聚焦　　。压弯机构主要的压弯方式有仿型弯曲、 压电弯曲和机械弯曲。 其中仿型弯曲、 压电弯曲成本较高，应用范围有所限制， 机械压弯是成像元件最常用、最可靠的弯曲方法。 机械弯曲又可分为三点压弯、四点压弯、 双臂结构、 单臂结构、 无臂结构和柔性铰链等。

　　目前， 四点结构已凭借其独特的优势和应用前景而备受青睐， 在同步辐射光束线中得到了广泛应用。但是， 由于不同光束线上压弯镜的作用和尺寸不同， 因而用于不同压弯镜的压弯机构也有很大的差别。 本文综述了几种主要的压弯机构。

       2 压弯机构的分类及特点

　　由于压弯机构的压弯原理不同， 每种压弯机构的应用场合和环境也不尽相同。 常用的压弯形式可归纳为3 种： 仿型弯曲、 压电弯曲、 机械弯曲。

　　2.1 仿型弯曲

　　仿型弯曲是采用特制的阴阳仿型模具来夹持晶体的上下表面， 使光学反射面弯曲成相同于模具的曲面形状，其结构如图1 所示[2]。

　　采用仿型弯曲可以压制圆柱面、椭圆柱面和抛物面等，但是，压弯后的反射面形状不可改变，无法满足光束线能量变化对压弯半径动态调整的要求， 并且对镜子的长度有所限制，故其应用范围较小。

　　2.2 压电弯曲

　　压电弯曲是由两层压电陶瓷板 (PZT) 及上下两层作光学反射的晶片组成，在PZT 的上下表面和界面处都有镀金膜作为电极， 向其供电， 其中一个 PZT膨胀， 另一个收缩， 从而使上下晶片的光学表面弯曲。 其原理如图 2 所示。 通过选择适当的电极数目和电压， 可以获得各种反射面形， 并可用反馈系统调节压电陶瓷上的电压， 动态控制反射镜面形， 在不同温度和其他条件下保持很高的精度。

　　欧洲同步辐射装置ESRF 上使用的一种压电陶瓷反射镜如图3 所示[3]，这种反射镜的粗糙度达到0.1 nm以下， 面形精度高达 λ/100[4]。 但是， 由于压电弯曲的理论推导较为复杂， 电压分布与电源本身、 反馈系统等有关， 要得到稳定精确的电压分布较为困难 ，加上这种压弯方式中的压电陶瓷价格昂贵， 致使压电弯曲应用范围受限， 一般用于长度较短、 曲率半径较小的镜子。