【摘要】：同步輻射光源不斷發(fā)展,從最初的高能物理加速裝置到第四代光源自由電子激光,光源的性能不斷提高。光束線(xiàn)作為連接光源和實(shí)驗(yàn)站的橋梁,需要能夠充分利用光源的特性,因此對(duì)光束線(xiàn)的光譜分辨率、光傳輸效率等方面提出了更高的要求。光束線(xiàn)的核心是單色器,在軟X-光波段中,有三種主要的單色器：定包含角球面光柵單色器(Dragon)、變包含角平面光柵單色器(SX-700類(lèi))和變線(xiàn)距光柵單色器。由于變線(xiàn)距光柵單色器中光學(xué)元件少和元件面型簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)高的光譜分辨率和達(dá)到高的傳輸效率,近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。本文討論變線(xiàn)距光柵單色器原理、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率需要的關(guān)鍵技術(shù)。主要內(nèi)容包括： 1、合肥光源(NSRL)重大改造中的表面物理光束線(xiàn)建設(shè)。表面物理光束線(xiàn)從真空波蕩器中引出,覆蓋的能量范圍為20-600eV,整個(gè)光束線(xiàn)的長(zhǎng)度為19300mm。前置聚焦系統(tǒng)采用柱面鏡垂直放置5：1聚焦到入射狹縫,采用自聚焦平面變線(xiàn)距光柵單色器作為分光系統(tǒng),后置聚焦系統(tǒng)采用超環(huán)面鏡在兩個(gè)方向上聚焦到樣品處。光束線(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為：光通量5×1010photons/s@29eV,樣品處光斑0.2x0.1mm2,能量分辨本領(lǐng)10000(E/△E)@29eV。 2、大連化物所相干光源(DCLS)光束線(xiàn)建設(shè)。DCLS作為第四代同步輻射光源,具有輻射波長(zhǎng)可調(diào)、不受電子躍遷能級(jí)的限制；頻譜范圍廣；亮度和峰值功率極高、且可調(diào)；相干性好,又有偏振性；具有短脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)、且時(shí)間結(jié)構(gòu)可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)。建成后的DCLS將是世界上第一臺(tái)工作在極紫外波段(50-150nm)的自由電子激光器。 同基于儲(chǔ)存環(huán)的同步輻射光束線(xiàn)相比,四代光源的光束線(xiàn)設(shè)計(jì)將會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)。比如光源脈沖結(jié)構(gòu)與光譜分辨的關(guān)系,高瞬時(shí)功率對(duì)光學(xué)元件鍍膜的影響,光源的光譜在線(xiàn)診斷等。DICP-FEL共建有四條分支光束線(xiàn),每條分支光束線(xiàn)分時(shí)用光,光源點(diǎn)(飽和長(zhǎng)度)在6m-12m內(nèi)變化。各條光束線(xiàn)光學(xué)傳輸效率(反射率)不同,最高可達(dá)85%,最低的可達(dá)到45%,可以根據(jù)需要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。利用超環(huán)面鏡和平面變線(xiàn)距光柵構(gòu)成了光譜儀,用于對(duì)光源進(jìn)行在線(xiàn)的診斷,光譜診斷系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)達(dá)12000。在FERMI@Elettra實(shí)驗(yàn)室,其光譜診斷系統(tǒng)的波長(zhǎng)掃描是通過(guò)兩個(gè)相互垂直的直線(xiàn)導(dǎo)軌配合工作。本方案直接將聚焦曲線(xiàn)擬合成圓,通過(guò)弧形導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描,精度以及穩(wěn)定性將會(huì)更加強(qiáng),具有創(chuàng)新性。 3、光柵單色器的高光譜分辨不僅與光學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān),同工程實(shí)施中的各項(xiàng)誤差控制等關(guān)鍵技術(shù)也息息相關(guān)。掌握相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù),是保證實(shí)現(xiàn)光學(xué)設(shè)計(jì)的高光譜分辨率指標(biāo)的基礎(chǔ)。這些關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高精度直線(xiàn)導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)角測(cè)量機(jī)構(gòu)、光學(xué)元件檢測(cè)技術(shù)、狹縫在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)、光束線(xiàn)安裝準(zhǔn)直技術(shù)和單色器調(diào)試技術(shù)等。本文對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究,其中狹縫的寬度在線(xiàn)檢測(cè)、對(duì)光學(xué)元件裝夾的研究以減少裝夾對(duì)元件面形的影響等都具有創(chuàng)新性。 高精度直線(xiàn)導(dǎo)軌是單色器中的波長(zhǎng)掃描機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件,它推動(dòng)正弦桿轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)光學(xué)元件轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。為了實(shí)現(xiàn)表面物理光束線(xiàn)的光譜分辨率,自行研制了行程150mm,分辨率30nm的高精度直線(xiàn)導(dǎo)軌。同時(shí)表面物理光束線(xiàn)還采用了一套角度測(cè)量機(jī)構(gòu),通過(guò)光柵尺直接測(cè)量光學(xué)元件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,該角度測(cè)量機(jī)構(gòu)的分辨率可達(dá)0.05"。通過(guò)高精度直線(xiàn)導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)角測(cè)量機(jī)構(gòu)配合,精確標(biāo)定光學(xué)元件的轉(zhuǎn)角以及對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 光學(xué)元件的測(cè)試對(duì)象主要包括光學(xué)元件的面形誤差以及光柵的刻線(xiàn)精度。利用長(zhǎng)程面形干涉儀對(duì)表面物理光束線(xiàn)單色器中的光學(xué)元件的面形誤差進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果顯示光學(xué)元件的面形精度滿(mǎn)足要求。利用實(shí)驗(yàn)室自建的二維線(xiàn)密度系統(tǒng)對(duì)平面光柵的刻線(xiàn)精度進(jìn)行檢測(cè),4001/mm光柵的線(xiàn)密度精度為3-7×104,12001/mm光柵的刻線(xiàn)精度為1-3×10-5。 在表面物理光束線(xiàn)中,狹縫的開(kāi)口寬度比較小,最小值達(dá)131am,同時(shí)真空環(huán)境和大氣環(huán)境下狹縫的開(kāi)口大小會(huì)發(fā)生改變,因此需要對(duì)狹縫寬度有一個(gè)較為精確的測(cè)量。搭建了一套狹縫寬度在線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)狹縫寬度進(jìn)行測(cè)量,該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度在±5μm以?xún)?nèi)。 作為光束線(xiàn)的核心部件,單色器的部件離線(xiàn)調(diào)試和光譜分辨率直接相關(guān)。單色器的安裝調(diào)試包括離軸轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)試以及雙軸平行性的測(cè)試、安裝準(zhǔn)直技術(shù)。離軸轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)最終測(cè)得和理論值有所差別,但是偏離光柵中心量在0.07mm以?xún)?nèi),對(duì)能量的影響在10-4eV以?xún)?nèi),而雙軸平行性誤差在±5"以?xún)?nèi),這些誤差為實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的光譜分辨率奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TL503

【共引文獻(xiàn)】

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6 黃

本文編號(hào)：2768185