晶体单色器微调结构设计分析

周 顺，冯 勇，阳志强，江 波

(1.西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室/光电工程学院，西安710021; 2.中国科学院 西安光学精密机械研究所，西安 710119 )



晶体单色器微调结构设计分析

周 顺1，冯 勇1，阳志强1，江 波2

(1.西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室/光电工程学院，西安710021; 2.中国科学院 西安光学精密机械研究所，西安 710119 )

为了利用同步辐射单色光研究生物细胞、病毒等以促进生物医药学的发展，对输出单色光的晶体单色器的主要结构(微调结构)进行了设计分析.根据实际的应用要求，单色器只输出三个能量点分别为2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV的光束线，能量分辨率Δ≤5×10-4，角度重复精度小于3″，微调结构采用三块独立的切槽型晶体，设计了晶体安装座、柔性铰链和推杆等，利用步进电机实现晶体角度的精确微调.步进电机朝一个方向转到预设的光栅尺数值，并与自准直仪的监测数值比较.测试结果表明：角度微调的10次移动过程中，最大偏差2.79″，最小偏差-1.87″，满足重复精度小于3″的设计指标.

同步辐射；单色器；角度微调；柔性铰链；步进电机

同步辐射光源已经成为材料科学、生命科学、环境科学、物理学、化学和医药学等学科领域的基础，以及应用研究的一种先进的、不可替代的工具，并且在电子工业、医药工业、石油工业、化学工业、生物工程和微细加工工业等方面具有重要而广泛的应用.单色器是同步辐射装置光束线中的核心部件，晶体单色器是用晶体作为衍射元件的分光仪器，通过晶体衍射将全光谱的同步辐射光单色化，获得科学实验所需的单色光.改变入射光束与衍射晶面之间的夹角，就可以得到不同的同步辐射单色光，而这些需要依靠晶体微调结构来精确实现[1-3].

近年来随着同步辐射应用技术的不断发展，国内外科研人员对晶体微调结构的研究也不断深入.文献[2]采用两块平行晶体无色散排列，第一晶体表面中心位于晶体台Bragg角旋转中心，第二晶体同时绕该旋转中心转动，两块晶体旋转的同时，第二晶体需沿X、Y方向移动；文献[3]主要对第二晶体弧矢方向的压弯机构的方案进行了改进，通过加长竖直力臂以及改变压弯方式等手段对晶体的聚焦能力进行了改善；文献[4]利用转台并且在其台面上的一侧固定有一滑座，滑座上有一个带滑块的滑槽，滑块的一端固定有一上固定板，在滑块与上固定板的相交处、在上固定板的下面用一轴枢接有一支轮，下固定板与滑座相隔预定距离且与滑块固定的上固定板平行；文献[5]中单色器的Bragg转动中心选择在第二块晶体表面且垂直于入射平面的对称轴上，能量扫描时受L型联动机构的约束，第二晶体仅绕Bragg转动轴旋转，而第一晶体除与第二晶体同步转动外，还沿法线方向上联动平移；文献[6]中分析了一种基于柔性铰链的第二晶体微调机构，利用驱动器和相应的支撑板相接触，推动支撑板做逆时针转动，支撑板的回位依靠弹簧的拉力来完成，固定支撑板固定在机架上.以上所述的几种单色器微调结构，其结构均比较繁杂，不仅增大了整体装置的占用空间，而且角度微调的操作过程难度也相对较大、不易快速实现，因此需要研究一种结构简单、操作方便以及性能可靠的新型微调结构.

本文研究的晶体单色器只产生能量点为2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV的光束线，用于同步辐射光束线上，对生物细胞、病毒等进行分析.根据晶体微调结构的发展状况并结合本单色器的特点，晶体采用切槽型结构，取代两块分离的双平晶结构,两种结构实质一样，均属于双晶单色器.切槽型结构运动简单，传输效率和分辨能力均处于最佳状态，而且本单色器不要求扫描波长，平面切槽型晶体单色器是最合适的方案.

1 Bragg衍射角

本文设计的单色器采用三块独立的切槽型晶体，分别用于输出能量点为2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV的光束线.三个能量点的同步辐射光所对应的Bragg衍射角θ，计算表达式为

2dsinθ=Nλ

(1)

E=hc/λ

(2)

式中：d为晶体的晶面间距；h为普朗克常量；c为真空光速；λ为真空波长；E为单色光束的能量；N为阶数，一般N取值为1；采用的晶体为Si(111)，2d=0.627 1 nm.由式(1)和式(2)推导出Bragg角的计算公式为

θ=arcsinhc/2dE

(3)

三个能量点对应的θ计算结果分别为：E1=2.1 keV，θ1=70.321 7°；E2=2.3 keV，θ2=59.285 2°；E3=2.5 keV，θ3=52.273 7°.以上计算的Bragg衍射角θ是理论计算值，实际应用中θ角会偏离理论值，影响输出光的能量；为了保证实际的应用，要求输出光的能量分辨率Δ≤5×10-4，角度重复精度小于3″.同步辐射光的性能优异，准直性高，同步辐射装置发射光束的水平发射度为50～150 nmrad，对本单色器输出光的性能影响可以忽略.

2 晶体微调结构设计

2.1 切槽型晶体

晶体单色器是同步辐射X射线光学系统中的核心部件，平面切槽晶体单色器即在一块晶体上加工出一个沟槽，生成两个相对平行的平面作为衍射面[7-9]，他们的相对位置不能改变，如图1所示.

本单色器只输出能量点为2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV的单色光，出射光的高度固定，不需能量扫描，采用三块独立的切槽型晶体.H、θ和OA的关系为

H=ABsin2θ=OAsin2θ/sinθ=2OAcosθ

(4)

式中：H为入射光束线与出射光束线的高度差，H=20 mm；OA为两个衍射面间的距离，θ为三个能量点分别对应的衍射角(能量点2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV分别取θ1、θ2和θ3).OA与H的关系为

OA=H/2cosθ

(5)

图1 平面切槽晶体单色器的光学结构

OA即为晶体加工的槽高，2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV对应晶体的槽高分别为29.70 mm、19.58 mm和16.34 mm.设计的切槽型单色器，三块晶体并排安装在晶体安装底座内.根据入射光的横截面尺寸(7 mm×3.3 mm)，将晶体下安装面尺寸设计为15 mm×15 mm，晶体下衍射面尺寸为15 mm×10 mm，晶体上衍射面尺寸为24 mm×10 mm，如图2所示.设计的结构既可以满足衍射需求，又可以节约晶体材料.

图2 平面切槽型晶体结构

2.2 切槽型晶体安装底座

三个能量点单色光束对应的Bragg角相近，设计一种结构使三块晶体同时基本满足Bragg角，角度误差通过微调结构进行调整[9-11].将晶体安装底座及其他部件通过晶体支架固定在晶体连接板上，晶体支架垂直固定在晶体连接板上，晶体连接板固定在主轴的轴端.主轴可以在柱形真空腔体的轴线上移动，带动晶体安装底座一起移动，从而实现三块晶体的切换.晶体安装底座(铜制底座)安装固定后的效果，如图3所示.

图3 晶体安装底座固定效果

同步辐射光垂直于主轴轴线入射，晶体连接板倾斜角度为α，晶体安装底座随之倾斜β，α+β=90°.调整α角，可以改变β角(即入射光线和晶体衍射面的夹角).因此，在晶体安装底座上设计了三个晶体安装台.

晶体安装台以能量点为2.3 keV光束所对应的衍射角θ2=59.285 2°为基准设计，2.1 keV、2.5 keV光束对应的衍射角(θ1、θ3)与θ2的差值分别为11.036 5°和-7.011 5°,这两个差值分别是2.1 keV、2.5 keV光束所对应的晶体安装台的倾斜角度，均由理论计算得到，但考虑到实际的加工精度本文取值11.04°和-7.01°，晶体连接板倾斜的角度α=30.72°，如图4所示.

图4 晶体安装底座

2.3 晶体微调结构

晶体微调结构是整个单色器装置的核心部分，同时也是输出能量点为2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV单色光束线的关键部件.晶体微调系统包括两大部分，晶体固定组件和晶体微调组件[3-5].晶体固定组件是对三块安装固定后的晶体角度进行调整，使其基本满足Bragg衍射角，角度误差±1°；晶体微调组件主要是对三块晶体的Bragg角误差进行修正，重复精度小于3″，使出射光的能量分辨率Δ≤5×10-4，设计的晶体微调结构的示意图如图5所示.

图5 晶体微调结构

晶体安装底座、角度调节下板之间通过晶体过渡板用螺钉固定，柔性铰链安装在角度调节上、下板中间的卡槽内，柔性铰链的上下底面分别和角度调节板的上、下板用螺钉固定(柔性铰链如图6所示)；调节板的上、下板之间用拉簧连接，上下板各有一个限位螺钉(螺钉分别指向相对的板).晶体支架是一个“T”结构，其中T型结构的立板和角度调节上板底座固定，T型结构的底板和晶体连接板固定[12-13].晶体连接板以一定倾斜角度α=30.72°固定在柱形真空腔体内主轴的轴端.推杆通过柱形腔体的外接法兰盘进入单色器真空腔体内，与晶体连接板的下板通过轴承接触，推杆的轴端加工固定轴承的切槽.

图6 柔性铰链

3 晶体微调精度分析及测试

选用的步进电机最高分辨率为40 000步/转，实际工作中步进电机10 000步转动一圈(对应1 mm).步进电机通过传动装置带动推杆移动1 μm，引起晶体衍射面的角度改变量为

(6)

其中80 mm是柔性铰链的中心转轴到推杆轴端轴承移动的方向的距离，即为推杆到柔性铰链旋转轴的力臂.

步进电机带动推杆移动1 μm所引起的能量变化，以能量点为2.3 keV的光束为例:

(7)

(8)

(9)

式中：E2=2.3 keV，θ2=59.285 2°；E′为衍射角θ2值变化时的能量值；E20为衍射角度为59.285 2°+2.58″时的能量值，此时能量分辨率为ΔE1；E21是衍射角度为59.285 2°-2.58″时的能量值，此时能量分辨率为ΔE2.

由计算可知，步进电机对晶体角度微调，对晶体输出单色光能量的影响是符合目标的.为了满足仪器的使用要求，对晶体、安装底座及微调结构的制造、装配提出了要求.对出射光质量影响较大一个重要因素为切槽型晶体的上下衍射面的平行度，要保证出射光的精度要求，必须保证晶体的加工衍射面的平行度在±1′以内；晶体安装底座斜台的加工精度也要保证，加工后的斜台倾斜角的误差要小于20″；影响出射光质量的另一个重要因素为晶体连接板固定的倾斜角度α，在固定晶体连接板时利用自准直仪测量角度，调整安装姿态使误差控制在±1°内.

晶体微调结构安装后对其定位精度、重复精度进行测试.检测方法为步进电机始终朝一个方向转动，转到预设光栅尺数值.光栅按照正切运动机构力臂计算，每光栅尺单位，晶体角度偏转0.258″.以光栅尺的数值来表征晶体面角度位置.重复多次回到光栅尺接近位置，位置计算值与自准直仪监测值不超过3″.由于不同能量位置，只影响空回的大小，不影响重复精度，因此只以2.3 keV能量点的某一位置做为参考点，另两个能量点检测情况类似，结果见表1.由测试结果可见，角度微调的10次移动过程中，最大偏差2.79″，满足重复精度小于3″的设计指标.

表1 2.3 keV能量点所对应的晶体衍射角度重复性精度误差

4 结 论

1) 本文单色器针对实际的应用需求采用三块独立的切槽型晶体结构，并根据要输出能量点为2.1 keV、2.3 keV和2.5 keV光束线设计了带有三个安装斜台的晶体安装底座，三个安装斜台的角度分别为11.04°，0°和-7.01°，解决了三块晶体以特定角度安装固定的问题，使整体结构得到了简化.

2) 根据晶体单色器的精度要求，确立了以柔性铰链 、推杆和步进电机为核心的晶体单色器微调组件以及以晶体安装底座和晶体连接板为主的晶体固定组件，两者共同组成晶体单色器微调结构，从而实现晶体Bragg衍射角度的微调.

3) 通过对微调结构的主要性能进行测试，角度微调的10次移动过程中，最大偏差2.79″，满足重复精度小于3″的设计指标，从而保证了结构的可靠性.

4) 本文研究的微调结构虽然各项指标都达到要求，但是结构的简化反而给结构中一些零部件的加工精度提出了更高的要求，例如晶体安装斜台的误差要小于20″，考虑到高的精度要求，有些零部件要在国外进行加工.晶体微调结构还需要不断地研究和改进，使结构的性能达到更高的水平.

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(责任编辑、校对 潘秋岑)

Design and Analysis of Crystal Monochromator Trimming Structure Design

ZHOUShun，FENGYong，YANGZhiqiang，JIANGBo

(1.Laboratory for Thin Film Techniques and Optical Test,School of Optoelectronics Engineering, Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China; 2.Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS,Xi’an 710119，China)

In order to study the mechanism of biological cells and viruses by the synchrotron radiation monochromatic light, the main structure of the crystal monochromator which outputs monochromatic light was designed and analyzed.According to the actual application, this monochromator output the beam lines of three energy points：2.1 keV，2.3 keV and 2.5 keV. The energy resolution was Δ≤5×10-4,and the repeatability of angle was less than 3″.The fine structure of the crystal monochromator included three separate cutting groove-typed crystals.And the crystal mounting base, flexible hinge,and the push rod were cleverly designed. The crystal angle was tuned precisely by a stepper motor. The stepper motor was turned in one direction to the preset value of grating, which was compared with the monitoring data by the autocollimator. The test results show that, in the process of 10 times of angle trimming, the maximum deviation is 2.79″,the minimum deviation is -1.87″which meet the design specification that the repeatability needs to be less than 3″.

synchrotron radiation;monochromator;angle trimming；flexure hinge；stepper motor

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.09.006

2015-12-16

NSRL超高真空中能双晶单色器设计与加工项目(H201306054);陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(14JS027)

周 顺(1979-)，男，西安工业大学副教授，主要研究方向为精密机械设计、MEMS技术和先进光学制造技术.E-mail:zsemail@126.com.

TH136

A

1673-9965(2016)09-0713-06