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弧矢聚焦雙晶單色器出射光束位置測試方法研究
發布時間：2017-09-01
引 言
弧矢聚焦雙晶單色器具有對同步輻射入射X 射線束進行單色化和對出射單色光在弧矢方向聚焦的雙重功能，能接收較寬的水平光束，得到高通量的聚焦X光束，是物理、化學、材料學、地質學、生命科學等領域必不可缺少的工程手段[1]。在弧矢方向將單色器第二晶體壓彎使光束聚焦是比較流行的聚焦技術，同光束線中設置聚焦鏡相比，弧矢聚焦有以下優點：(1)在高能區有大的能量范圍;(2)大的水平接收角;(3)光學元件尺寸比較小;(4)在束線有限的空間內光束線設計比較容易實現[2]。
1 單色器的基本原理
1.1 分光原理
如圖1 所示，當一束X 射線入射到晶體表面時，對選定的晶面，波長滿足Bragg 衍射定理的X射線將被晶體反射。改變光束的入射角θ，可得到不同波長的反射X 光束，即：2dsinθB =nλ (1)
式中：d 為衍射晶體的晶格常數;n 為衍射級數，一般取1 級，n>1 所對應的波長為高次諧波。在單色器中應主動控制轉動晶體,改變θ角，即改變波長。單色器采用兩塊平行晶體無色散排列，第一晶面衍射確定出射光波長，第二晶面衍射決定出射光束的方向，將第二晶體在弧矢面內壓彎而在子午方向上保持與第一晶體平行,可得到高強度的單色X 光束。
1.2 結構原理
圖2 是水冷弧矢聚焦雙晶單色器坐標定義圖，單色器第一晶體固定在測角儀轉盤中心，轉盤轉軸位于第一晶體表面中心,與入射光束方向垂直，轉盤轉動改變入射光束的Bragg 角θ。第二晶體也固定在轉盤上且其衍射面與第一晶體的衍射面平行。第二晶體可沿平行(Y)和垂直(Z)于晶面方向的導軌移動。第二晶體上設有壓彎機構,用于對第二晶體在弧矢方向上進行壓彎。單色器進行Bragg 角掃描時，要求出射光束的方向和位置保持不變。出射光束方向不變即要求兩塊晶體間的平行度保持不變，用微調機構來實現這一目標;為保持出射光束的高度不變，第二晶體需要在垂直于晶體表面的方向和沿著晶體表面的方向上運動。
2 出射光與入射光高差的固定
2.1 出射光束位置的確定
出射光與入射光高差固定主要為了使實驗站工作方便，可以使能量變化而不移動樣品。第一晶體根據Bragg 衍射原理對入射光進行單色化，第二晶體在固定出口機構的作用下使出射單色光相對于入射光的出射方向和高度保持不變，從而可以在試驗樣品上獲得位置固定的光斑。
雙晶單色器工作時，入射光入射到第一晶體晶面上，與第一晶體晶面之間的夾角θ即為Bragg 角。根據Bragg 衍射原理，只有與Bragg 角相對應的波長才在第一晶體晶面上發生衍射，其余波長的光則都被第一晶體吸收;衍射出的單色光射到第二晶體晶面上，再經過一次衍射，形成出射光。為保證出入射光束高度恒定，第二晶體在能量掃描過程中必須同時沿著晶面方向Y 和沿著晶體面法線方向Z 移動。當單色器掃描能量從E0 變為E，對應的Bragg 角
也將從θ0變為θ，為了使出射光與入射光高差固定，則第二晶體沿Y 和Z 方向移動，移動距離由下式決定[3-4]：
當需要不同波長的單色光時，只需改變θ角即可實現，即驅動轉臺使第一晶體隨之轉動到所需的角度。第二晶體的平動調節(Z 方向)是為了固定光束出射高度，可以調整光束位置在垂直方向上的移動，第二晶體沿Y 軸方向平動的準確度將影響光束的出射高度。
2.2 出射光束位置的測試
由于弧矢聚焦雙晶單色器是對同步輻射入射X射線束進行單色化和對出射單色光在弧矢方向聚焦，下面就介紹一種在沒有X 光源的情況下快速調校出射光束光斑位置的方法。如圖3 所示。
按照圖3 搭建測試光路。利用氣體激光器發出的光束準直后模擬X 光束，經第一、二晶體反射后，沿入射光方向出射，在出射光路中架設檢測屏，用CCD 攝像機對檢測屏上的出射光斑進行拍攝。旋轉Bragg 角，每轉動一個角度，用CCD 攝像機拍攝圖像一次，對所拍攝圖像進行預處理并采用質心判讀方法，見圖4。
根據物理學重心定義，設一幅M×N 的圖像，目標圖像在點(x,y)的灰度值f(x,y)，其質心計算公式如下：
式中：x 為不同Bragg 角度時對應x 方向判讀圖像中心的平均值;y 為不同Bragg 角度時對應y 方向判讀圖像中心的平均值; i x 為不同Bragg 角度時對應x方向所判讀的圖像中心值; i y 為不同Bragg 角度時對應y 方向所判讀的圖像中心值;n 為測量次數。
2.3 出射光束位置測試結果
通過測試發現，激光光束通過晶體后的出射光束與我們想象的差別較大，尤其是在Bragg 角度較小時特別明顯，圖像在豎直方向發生拉長，圖像形狀不規整，給圖像處理帶來極大的不便(見圖5)。通過對測試數據(見圖6)的分析得出如下如下結論：
(1)當激光器照射到晶體表面時，激光光束會發生彌散。由于晶體在光路中是作為衍射元件，因此對表面粗糙的要求比反射鏡的要寬松得多，當激光束通過晶體后不會發生嚴格的鏡面發射。
(2)實際上測試所用的入射光束不是一條嚴格的準直光，它具有一定的發散角。
(3)激光通過晶體后發生明顯的展寬。當Bragg角度較小時尤為明顯。
3 結 論
針對弧矢聚焦雙晶單色器,提出了一種在沒有X光源的情況下離線檢測出射光束位置的方法,并給出了實際檢測結果。此方法為弧矢聚焦雙晶單色器出射光束位置的離線裝調提供了借鑒。由于實際出射光斑質量較差，若要高精度測量光斑位置，則需對上述測試光路及圖像分析方面作進一步研究討論。
摘自：中國計量測控網
