同步辐射X射线双晶单色器联动机构

　　1　引　言

　　基于Bragg衍射原理的完整单晶作为能量色散元件已广泛应用于X射线分光器件中,通过改变入射光线与衍射晶面间夹角(Bragg角)来选择不同波长光束,进行分光,其衍射方程为λ=2dsinθ(λ为波长,d为晶体衍射面间距)。同步辐射应用中为了从连续光谱中分离出单色X光,晶体单色器是常用关键光学部件。为使出射光束与入射光束方向相同,通常采用在同一大块晶体上铣槽来(Monolithic channel2cut crystal monochroma2tor)[1],保证两衍射面具有相同晶面指数并严格平行,且使其反射摇摆曲线(Rocking curve)在相同宽度范围内。由于大多数实验需在波长连续改变、能量扫描过程中出射单色X光线方向与位置都固定,理论上可将大块切槽晶体的两反射晶面做成非完全平面[2,3](如平面与斜面;斜面与曲面结合等),采取与整体旋转相耦合的轴向或径向移动来实现,或特殊曲面[4](如双渐近线曲面,Mon2olithic curved surfaces channel2cut crystal mono2chromator),仅需一维转动实现固定空间输出位置,但此类面形难以保证且存在能量扫描范围小等局限性,有待改进与完善。绝大多数采用两块独立且晶面指数相同晶体(如从同一大块晶体切割)来保证其衍射面严格平行(Separate2two2par2allel2crystal),称为双晶单色器(Double crystalmonochromator),在波长连续变化过程中,晶体转动的同时通过机械机构的联动调节或智能控制的运动合成,来保证两晶体在运动过程中的相互位置关系,使出射光束空间位置固定。目前新的实验方法所需高稳定性、高分辨率等对仪器要求更严格,联动机构性能的提高成为优化单色器,引出单色光品质的一个重要课题。

　　2　典型联动机构分析

　　2.1　原理与方法

　　固定空间输出位置双晶单色器能量扫描过程中晶体运动关系如图1所示,当入射与出射光束高度差固定为H,两晶体转动,改变角度后(为叙述简便,假设其绕第一晶体与入射光束交点A转动),第二晶体从位置1转到位置2,此时出射光束偏离原来位置,只有将它沿其法向(X向)移动ΔD到位置3,才能使出射光束回到原来位置;同时要求其切线方向(Y向)衍射面足够长,为使出射光束全落在晶面上,以减小晶体长度,同时需沿Y向移动至少ΔL来保证。可见此类单色器,当两晶体转动的同时,至少需一晶体相对另一晶体做平移运动,按其运动机构可分为以下几类:(1)两晶体转动与X2Y平动按设定关系,分别驱动,所需驱动马达数目较多且均需置于超高真空中,同时须确保所有运动的精度[5];(2)两晶体均置于同一转台上,其中一晶体位于X2Y滑台上,在转动同时其相对另一晶体平动由另一个机构(如固定特制轮廓的凸轮)决定[6],可视为一种特殊联动机构;(3)运用具有计算关系的联动机构实现两晶体转动与X2Y相对平移运动,使之达到所需位置关系,馈入驱动可减至一个,所需转矩较小,精度较高。虽其结构与运动均较复杂,但可使不同光子能量光束入射中心光线始终位于晶面的同一点上,因此晶体尺寸不限制于能量范围、小块晶体便可实现全谱扫描,且更换、调整晶体元件简单方便,易于扩展能量调谐性能与减小晶体不完整或细微弯曲引起的影响。直角机构(Right angle)[7]是最早采用的具有计算关系联动机构,在此基础上衍生了多种类似机构,如Boomerang[8]、Rightangle2Boomerang[9]、Broomstick[10]机构等。近年来,逐渐也出现了一些实现光束偏移量为常数的新机构与新方法,如过约束柔性铰链机构(Over2constrained weak2link mechanism)[11]、无外加约束的简单运动耦合方法[12]等,可使机构更加紧凑且运动稳定。