变包含角平面光栅单色器扫描转角精度的检测

　　1　引　言

　　同步辐射是运动速度接近光速的电子在改变运动方向时,沿其切线发出的电磁辐射[1],广泛应用于基础科学研究和应用研究领域[2-3]。为充分利用同步辐射光源的优异特性,获得高通量、高分辨的同步辐射光,满足不同学科研究需要,科学家们已先后研制成功了多种不同种类的单色器[4-6]。变包含角平面光栅单色器(Variable includ-ed Angle Plane Grating Monochromators,VAPGM)凭借宽光谱、高通量、高分辨、应用灵活等优异性能,在各国同步辐射装置中得到了广泛应用[7-10]。

　　上海光源(Shanghai Synchrotron RadiationFacility, SSRF)是我国第三代同步辐射光源[11],VAPGM是SSRF首批建造的软X射线谱学显微光束线的核心装置,由波长扫描机构、调节机构以及驱动机构等组成[12]。其中,单色器波长扫描机构的转角精度直接影响波长的准确度和分辨率。根据使用要求,单色器的扫描转角精度在超高真空环境下要优于0. 43″。但是,由于VAPGM运动结构复杂,且在庞大的同步辐射装置中受棚屋、管线等各种现场状况的限制,要对波长扫描机构进行准确安装、检测并非易事。因此,对单色器波长扫描机构转角精度在线检测方法的研究具有重要意义。

　　本文在SSRF软X射线谱学显微光束线站VAPGM研制过程中,通过分析单色器工作原理及单色器性能与转角精度的关系,提出了一种简洁、有效的波长扫描机构转角精度的测试方法。利用该方法,完成了其转角精度的检测。结果表明,该方法行之有效,可获得较高的精度,满足单色器系统现场测试要求。

　　2　VAPGM波长扫描原理

　　2.1　波长扫描原理

　　VAPGM光学系统由前置平面镜(PM)与平面光栅(PG)两块光学元件组成。工作时,PG绕工作表面中心转动;PM绕镜面外转轴转动,实现转动和平动的复合运动,保证反射光准确入射到PG表面中心。通过两个光学元件转动,改变包含角,进行波长扫描,工作原理如图1所示。

　　其中σ为PM掠入射角,α为PG入射角,β为PG衍射角。平面光栅聚焦方程为:

　　式中r、r′是PG的入射臂长度和出射臂长度。如果可满足:

　　则可在PG后得到一个固定位置的虚像[13],即:

　　后经放置在PG后面的聚焦镜,将光束聚焦于单色器的出缝位置。扫描过程中为满足式(2),要求PG的包含角(α+β)必须是变化的。

　　由式(2)及光栅衍射方程:

　　式中d为PG刻线间距,λ为波长,m为衍射级次,取m=1。

　　通过获得精确的角度位置,即可实现波长扫描。转角精度则直接影响波长扫描的准确性和分辨率。