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弧矢聚焦双晶单色器出射光束位置测试方法研究
发布时间：2017-09-01
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
也将从θ0变为θ，为了使出射光与入射光高差固定，则第二晶体沿Y 和Z 方向移动，移动距离由下式决定[3-4]：
当需要不同波长的单色光时，只需改变θ角即可实现，即驱动转台使第一晶体随之转动到所需的角度。第二晶体的平动调节(Z 方向)是为了固定光束出射高度，可以调整光束位置在垂直方向上的移动，第二晶体沿Y 轴方向平动的准确度将影响光束的出射高度。
2.2 出射光束位置的测试
由于弧矢聚焦双晶单色器是对同步辐射入射X射线束进行单色化和对出射单色光在弧矢方向聚焦，下面就介绍一种在没有X 光源的情况下快速调校出射光束光斑位置的方法。如图3 所示。
按照图3 搭建测试光路。利用气体激光器发出的光束准直后模拟X 光束，经第一、二晶体反射后，沿入射光方向出射，在出射光路中架设检测屏，用CCD 摄像机对检测屏上的出射光斑进行拍摄。旋转Bragg 角，每转动一个角度，用CCD 摄像机拍摄图像一次，对所拍摄图像进行预处理并采用质心判读方法，见图4。
根据物理学重心定义，设一幅M×N 的图像，目标图像在点(x,y)的灰度值f(x,y)，其质心计算公式如下：
式中：x 为不同Bragg 角度时对应x 方向判读图像中心的平均值;y 为不同Bragg 角度时对应y 方向判读图像中心的平均值; i x 为不同Bragg 角度时对应x方向所判读的图像中心值; i y 为不同Bragg 角度时对应y 方向所判读的图像中心值;n 为测量次数。
2.3 出射光束位置测试结果
通过测试发现，激光光束通过晶体后的出射光束与我们想象的差别较大，尤其是在Bragg 角度较小时特别明显，图像在竖直方向发生拉长，图像形状不规整，给图像处理带来极大的不便(见图5)。通过对测试数据(见图6)的分析得出如下如下结论：
(1)当激光器照射到晶体表面时，激光光束会发生弥散。由于晶体在光路中是作为衍射元件，因此对表面粗糙的要求比反射镜的要宽松得多，当激光束通过晶体后不会发生严格的镜面发射。
(2)实际上测试所用的入射光束不是一条严格的准直光，它具有一定的发散角。
(3)激光通过晶体后发生明显的展宽。当Bragg角度较小时尤为明显。
3 结 论
针对弧矢聚焦双晶单色器,提出了一种在没有X光源的情况下离线检测出射光束位置的方法,并给出了实际检测结果。此方法为弧矢聚焦双晶单色器出射光束位置的离线装调提供了借鉴。由于实际出射光斑质量较差，若要高精度测量光斑位置，则需对上述测试光路及图像分析方面作进一步研究讨论。
摘自：中国计量测控网
