弧矢聚焦双晶单色器出射光束位置测试方法研究

　　0 引 言

　　弧矢聚焦双晶单色器具有对同步辐射入射X 射线束进行单色化和对出射单色光在弧矢方向聚焦的双重功能，能接收较宽的水平光束，得到高通量的聚焦X光束，是物理、化学、材料学、地质学、生命科学等领域必不可缺少的工程手段[1]。在弧矢方向将单色器第二晶体压弯使光束聚焦是比较流行的聚焦技术，同光束线中设置聚焦镜相比，弧矢聚焦有以下优点：(1)在高能区有大的能量范围;(2)大的水平接收角;(3)光学元件尺寸比较小;(4)在束线有限的空间内光束线设计比较容易实现[2]。

　　1 单色器的基本原理

　　1.1 分光原理

　　如图1 所示，当一束X 射线入射到晶体表面时，对选定的晶面，波长满足Bragg 衍射定理的X射线将被晶体反射。改变光束的入射角θ，可得到不同波长的反射X 光束，即：2dsinθB =nλ (1)

　　式中：d 为衍射晶体的晶格常数;n 为衍射级数，一般取1 级，n>1 所对应的波长为高次谐波。在单色器中应主动控制转动晶体,改变θ角，即改变波长。单色器采用两块平行晶体无色散排列，第一晶面衍射确定出射光波长，第二晶面衍射决定出射光束的方向，将第二晶体在弧矢面内压弯而在子午方向上保持与第一晶体平行,可得到高强度的单色X 光束。

　　1.2 结构原理

　　图2 是水冷弧矢聚焦双晶单色器坐标定义图，单色器第一晶体固定在测角仪转盘中心，转盘转轴位于第一晶体表面中心,与入射光束方向垂直，转盘转动改变入射光束的Bragg 角θ。第二晶体也固定在转盘上且其衍射面与第一晶体的衍射面平行。第二晶体可沿平行(Y)和垂直(Z)于晶面方向的导轨移动。第二晶体上设有压弯机构,用于对第二晶体在弧矢方向上进行压弯。单色器进行Bragg 角扫描时，要求出射光束的方向和位置保持不变。出射光束方向不变即要求两块晶体间的平行度保持不变，用微调机构来实现这一目标;为保持出射光束的高度不变，第二晶体需要在垂直于晶体表面的方向和沿着晶体表面的方向上运动。

　　2 出射光与入射光高差的固定

　　2.1 出射光束位置的确定

　　出射光与入射光高差固定主要为了使实验站工作方便，可以使能量变化而不移动样品。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。

　　双晶单色器工作时，入射光入射到第一晶体晶面上，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上，再经过一次衍射，形成出射光。为保证出入射光束高度恒定，第二晶体在能量扫描过程中必须同时沿着晶面方向Y 和沿着晶体面法线方向Z 移动。当单色器扫描能量从E0 变为E，对应的Bragg 角