弧矢聚焦双晶单色器性能的提高

　　0　引言

　　在不损失能量的前提下,实现对同步辐射光束线单色X光在弧矢方向上进行聚焦并使X光能量波长可调,对光束线实验站是非常重要的.弧矢聚焦单色器能够实现上述功能.弧矢聚焦双晶单色器自Sparks等人1~4研究以来,已在光束线中得到应用5.同固定半径的聚焦镜相比,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)由于光学元器件比较少,在束线有限的空间内光束线设计比较容易实现.

　　但是实际光束聚焦点的能量有时与预期相差甚远,甚至在高能端更是如此,这主要是由于第一晶体以及第二晶体偏离理想位置6,造成双晶的不平行性,引起双晶Bragg角偏差Δθ比较大,晶面的衍射率下降的原因引起的.因此需要设置正确有效的微调机构调节晶体的方位以保证入射光束在双晶的Bragg角差足够小,以获得较高的衍射率,从而达到提高单色器性能的目的.

　　1　单色器的基本原理

　　1.1　分光原理

　　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衍射条件的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,有

　　式中d为晶面间距,N为阶数,通常当N=1所对应的波长是光束线实验站所需波长,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.正确选择上述参数,可获得实验所需波长.

　　单色器采用两块平行晶体无色散排列(+1-1),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,可将出射光束在弧矢方向上进行聚焦,得到高强度的单色X光束.

　　1.2　结构原理

　　单色器结构原理如图1所示,单色器第一晶体固定在测角仪转盘中心上,只能随转盘转动来改变入射光束的Bragg角.第二晶体可沿一导轨移动,导轨固定在测角仪转盘上.第二晶体上加有压弯机构,用于第二晶体在弧矢方向上进行压弯.由于第一晶体要承受较高的热负载,需要采用直接水冷方式冷却晶体以减小晶体的热变形,因此尽量减少第一晶体的运动自由度以方便实施冷却.这种结构实现的功能是使两晶体的衍射平面在Darwin宽度内平行,并垂直入射平面;第一晶体反射光束全部被第二晶体所截,且第二晶体出射光和入射光平行,高度固定;压弯晶体的曲率半径准确.衍射晶面为Si(111)面.

　　2　双晶偏离理想位置引起的Δθ

　　2.1　投角、滚角、摆角的定义

　　如图2所示,绕X轴转动的角为投角,主要调节Bragg角θB;绕Y轴旋转的角为摆角,主要调节晶格缺陷;绕Z轴转动的角为滚角,主要调节双晶平行.γ为摆角,φ为滚角,ω为投角.