SX-700单色器光栅正弦机构数值模拟分析与测试

SX-700单色器是上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线的核心部件;光栅正弦机构是其重要的组件,其波长扫描转角重复精度要求优于0.43”。为了验证设计能达到预期的精度指标,本文详细介绍了该单色器光栅正弦机构的转角精度误差来源,运用有限元分析软件ANSYS对光栅正弦机构中的正弦杆和驱动杆进行数值模拟,根据模拟结果对光栅正弦机构的转角精度进行误差分析,得转角重复精度为0.28”。利用我们建立的一套由光电自准直仪组成的测试系统测得光栅正弦机构的转角重复精度为0.15”。结果表明：光栅正弦机构的设计满足转角重复精度要求。     

变包含角平面光栅单色器扫描转角精度的检测

针对上海光源(SSRF)软X射线谱学显微光束线站高分辨变包含角单色器(VAPGM)在超高真空环境下对波长扫描机构转角精度的现场测试,提出了一种实用、有效的检测方法。采用自制的多角棱镜,结合高精度光电自准直仪进行现场测试。首先,介绍了单色器波长扫描原理,给出角度与波长的关系;接着,理论分析了转角精度与系统分辨率之间的关系;最后,介绍了该方法的检测原理、装置及检测步骤。利用该方法完成了VAPGM平面镜(PM)和平面光栅(PG)转角精度的检测,结果分别为0.19″,0.22″,满足单色器技术指标要求。在电离室在线检测了标定后的单色器系统的分辨率,测试结果好于10000,进一步验证了该检测方法的有效性。     

谱学显微光束线光斑水平漂移分析与检测

为提高上海光源搭建的国内首条软X射线谱学显微光束线站的整体性能,分析了其分光装置一变包含角平面光栅单色仪在波长扫描过程中影响谱学显微光束线光斑水平漂移的各个因素,推导出了各因素与光斑水平漂移的传递关系,并结合具体要求进行了误差分配.针对光斑水平角漂移重复精度的检测,采用自准直原理,构建了测试系统.利用该系统,完成了谱学显微光束线站光斑水平漂移重复精度的离线检测,其结果为0.67″,满足设计指标1″的要求.对安装调试后的束线进行了总体性能测试,结果均满足谱学显微设计和使用要求.由此表明,提出的对谱学显微光束线光斑水平漂移误差来源的分析及检测方法,有效保证了束线性能的实现.     

姿态敏感器地面标定精密调整机构设计

为了满足光学姿态敏感器地面标定更高精度的应用需求,针对当前敏感器地面测试设备的标定精度与设计值不一致的实际问题,提出了一种分辨率高、稳定性好的五自由度精密调整机构设计方案。分析了光轴一致性误差对星点位置误差的影响,结合姿态敏感器技术指标,采用搭积的调整层结构形式及合理的消隙方法,设计符合敏感器标定要求的调整架机械结构并进行力学分析。仿真结果与测试数据表明:调整机构的实测位移分辨率优于0.1μm,角分辨达到0.1″,在对星图的反复测试中,降低了光轴一致性误差对测试结果的影响,星点位置误差比使用常规调整机构时提高了5″以上,达到了敏感器地面标定的精度要求。     

蒙特卡洛法在光栅单色器波长校正中的应用

本文以荧光分光光度计中单色器为例,采用蒙特卡洛方法进行波长补偿校正,即利用计算机生成大量的随机数来估算波长准确度补偿曲线的参数值,这些参数满足该补偿曲线上的点到波长校正点有最小的偏差。该方法克服了光机结构的误差所带来的影响,降低了调试成本。实验结果表明:经过波长校正单色器波长准确度误差小于±0.2nm,验证了蒙特卡洛方法在光栅单色器波长正中应用的可行性,为校准单色器波长提供了一种新的方法。     

多方向金属光栅偏振器及在偏振导航中的应用

在同一聚碳酸酯基底上制作了6个不同方向的双层金属光栅偏振器,用于消除分立器件带来的安装误差。将该偏振器应用于偏振导航传感器上并进行了测角精度测试,基于神经网络法研究了角度测量的误差补偿方法。首先,基于严格耦合波理论设计了一种亚波长双层金属光栅偏振器,分析了它的周期和金属厚度对偏振器性能的影响,其在510nm波长入射时TM偏振光透射率高于71%,消光比大于2 100。应用纳米压印技术在聚碳酸酯基底上加工制作了设计的偏振器,其基底上设有6块结构参数相同但朝向不同的双层金属光栅结构。将此偏振器安装在偏振导航传感器上并在测试平台上测试了测角精度,测试的原始误差在±1°以内;经BP神经网络法误差补偿后,测角误差在±0.2°以内。得到的结果可较好地满足偏振导航的要求。     

平面光栅衍射效率自动测试仪

本文论述了用“连续扫描法”测试平面光栅相对衍射效率仪器的工作原理,分析了原理方案必须满足的基本要求。文中还叙述了根据所分析的要求,设计研制的平面光栅衍射效率自动测试仪的仪器组成和使用结果。对四块刻槽密度不同的光栅进行重复测试,表明效率值ε_0(λ)的均方误差小于2%,最大误差不超过3%。     

光栅单色仪光谱扫描机构的误差分析

<正> 反射光栅单色仪,由于它的光强比棱镜单色仪强,分辨率也比较高,特别是随着光栅刻划和复制技术的提高,目前已经得到越来越广泛的应用。在反射光栅单色仪(或分光光度计的单色器中,为了获得线性的波长或波数扫描,大多应用正弦或余割扫描机构。这种机构由于采用螺旋和杠杆传动,结构比较简单,色散元件-光栅的转动料度也比较高。因为单色仪的波长料度和分辨率在     

弧矢压弯晶体的力学性能与形位误差分析

介绍了利用柔性铰链机构对弧矢聚焦双晶单色器中第二晶体进行动态压弯的工作原理,优化了压弯机构和晶体的几何参数,然后应用有限元方法模拟分析压弯装置与晶体的力学性质,最后分析了弯晶的形位误差并计算因此造成的弯晶光束入射角的变化。分析结果表明:替换后单色器的水平接收角由1 mrad增加到3 mrad,样品上光斑的水平半高宽由12.5 mm减小到2.5 mm。优化后晶体因压弯产生的鞍形曲率半径约为弧矢曲率半径的1 700倍,造成的入射角误差为2.2 μrad;压弯装置上的最大平均应力约为800 MPa,并由此确定了以铍青铜作为压弯机构的材料,晶体的曲率半径为0.57~1.72 m和驱动力为8~2.67 N时的线性关系。分析结果表明:该单色器的设计完全达到了设计指标,在提高光子通量和光子密度的同时又能满足XAFS光束线测量过程中需要频繁快速扫描的要求。     

基于FPGA的光栅莫尔信号正弦性误差补偿电路研制

针对光栅莫尔信号正弦性误差对细分结果造成影响问题,对基于粒子群算法(PSO)的光栅莫尔信号正弦性误差补偿方法展开研究。在量化分析信号正弦性误差引入的细分误差的基础上,对基于PSO算法的正弦性误差补偿方法进行阐述。设计基于FPGA的补偿算法实现电路,对实现过程中的关键问题进行分析并提出解决方案。最终在FPGA电路板上对实际信号进行算法电路有效性验证,结果表明,应用该电路能有效地补偿信号正弦性误差,将信号的细分误差峰峰值由0.7″降低到0.14″。     

基于凹面光栅的可调高分辨率单色仪结构设计及波长重复性分析

凹面光栅兼具成像和色散的能力,采用凹面光栅分光的单色仪能够很好实现小型化设计和应用到低于200 nm的真空紫外波段。光谱分辨率和波长重复性是单色仪的重要指标,针对单色仪的光谱分辨率,本文将光栅固有分辨率和由狭缝引起的增宽相结合推导出单色仪的光谱分辨率计算模型,利用自研微动狭缝进行实验验证,单色仪分辨率符合理论模型,极限分辨率优于0.1 nm;针对单色仪的波长重复性,在单色仪光机结构参数转换的基础上对波长重复性影响因素进行分析,推导出单色仪的波长重复性计算模型,利用汞灯作为光源进行波长重复性验证其波长重复性优于0.02 nm符合理论计算模型,验证了光机结构设计的有效性和理论分析的正确性。     

同步辐射装置的高输出环面光栅单色器和VUV光束线

本文讨论了由柱面反射镜和直槽环面光栅组成的掠入射单色器。柱面反射镜用来形成一个无象散彗差的单色器系统。这个单色器有很大的水平接收角。计算结果表明谱线增宽主要来自环面光栅的离焦。可以得到预期的单色器性能。本文也详细描述了单色器光学设计程序和同步辐射VUV光束线方案。     

极紫外单色仪波长定标

给出了一种新的极紫外(EUV)单色仪定标方法.通过测量标准气体He空阴极光源的30.38和58.43nm两条发射光谱和标定过的中心波长为13.90nm的Mo/Si多层膜反射镜的反射率峰值位置,对Mcpherson247型EUV单色仪进行波长定标,将所定的标准点在单色仪的运动轨迹上做了相应的标识,并用Origin软件进行处理,利用一元二次方程得出拟合曲线.对标定结果做了分析,得出了在12～60nm波段内,用激光等离子体光源软X射线反射率计测量多层膜反射镜反射峰值位置时,测量准确度为0.08nm,测量重复性为士0.04nm.测量误差主要来源是光源的不稳定性和机械转动误差.     

用于星载激光通信终端的绝对式光电角度编码器

针对星上激光通信终端二维转台的精确控制,设计了实时测量转台旋转角度的专用型光电角度编码器。根据星载激光通信终端所需测角系统的设计指标,分别对光电角度编码器的码盘、指示光栅及光电信号的提取方法进行了设计和选择。其中,格林二进制绝对式编码结合高质量的电子学细分,实现了编码器24位的绝对角度测量;四象限矩阵编码方式有效地减小了码盘的径向尺寸;分体读数头式指示光栅较整周玻璃盘大幅度压缩了体积和重量。在室温条件下对安装在星载激光通信终端上的光电角度编码器进行了测角精度检测。结果表明:该测角系统的角度测量精度约为0.7″(优于1.0″)。激光通信终端设备的在轨稳定运行及捕获、跟踪和通信功能的正常发挥,进一步验证了所设计的光电角度编码器测角精度高、抗辐射能力强、工作可靠性高,满足星载激光通信终端设备的应用要求。     

梦之线光栅单色器温度起伏对能量漂移的影响

为了确保光栅单色器温度起伏引起的能量漂移不影响光束线的表观能量分辨率,建立了单色器高精度的恒温环境。结合上海光源梦之线设计,根据光栅衍射方程推导出单色器温差与能量漂移之间的关系;据此设计了沿光束方向温度起伏较小的单色器恒温环境,测试了温度控制系统不同条件下的长期温度稳定性,并通过长时间多次测量氮气K边吸收谱的方法,得到了相应的能量漂移。结果显示:温度控制系统未启动的情况下,棚屋内最大温度变化约为0.62K,测得的能量漂移约为49 meV;温度控制系统使用独立冷水机时,最大温度变化约为0.20 K,相应的能量漂移约为17meV。实验表明,建立的单色器恒温环境满足设计要求,使得单色器温差引起的能量漂移对梦之线表观能量分辨率的影响得到有效控制。     

用两维扩展光源像差理论优化XUV单色仪设计

为了给反射镜和光栅组成的光学系统提供一种有效的优化方法,应用吕等提出的两维扩展光源平面对称光学系统的像差理论,Namioka等定义的XUV(极紫外)光栅仪器的评价函数和改进的遗传算法发展了优化设计程序,对一XUV单色仪光学系统进行优化。通过光线追迹程序Shadow进行数值成像计算来验证优化结果,并和相关参考文献中的结果进行比较。比较结果表明应用的评价函数适用于两维扩展光源的XUV单色仪光学系统优化设计。     

Asymmetric-cut variable-incident-angle monochromator

A novel asymmetric-cut variable-incident-angle monochromator was constructed and tested in 1997 at the Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory. The monochromator was originally designed as a high heat load monochromator capable of handling 5-10 kW beams from a wiggler source. This was accomplished by spreading the x-ray beam out on the surface an asymmetric-cut crystal and by using liquid metal cooling of the first crystal. The monochromator turned out to be a highly versatile monochromator that could perform many different types of experiments. The monochromator consisted of two 18° asymmetrically cut Si crystals that could be rotated about 3 independent axes. The first stage (Φ) rotates the crystal around an axis perpendicular to the diffraction plane. This rotation changes the angle of the incident beam with the surface of the crystal without changing the Bragg angle. The second rotation (Ψ) is perpendicular to the first and is used to control the shape of the beam footprint on the crystal. The third rotation (Θ) controls the Bragg angle. Besides the high heat load application, the use of asymmetrically cut crystals allows one to increase or decrease the acceptance angle for crystal diffraction of a monochromatic x-ray beam and allows one to increase or decrease the wavelength bandwidth of the diffraction of a continuum source like a bending-magnet beam or a normal x-ray-tube source. When the monochromator is used in the doubly expanding mode, it is possible to expand the vertical size of the double-diffracted beam by a factor of 10-15. When this was combined with a bending magnet source, it was possible to generate an 8 keV area beam, 16 mm wide by 26 mm high with a uniform intensity and parallel to 1.2 arc sec that could be applied in imaging experiments.     

基于闭环控制的自动转位系统设计

针对某型设备自动转位系统控制及测角精度需要,采用步进电机驱动、机械机构及光栅测角细分的方法,设计了一种基于步进电机闭环控制的自动转位系统。该系统通过步进电机驱动细分和转台机械细分达到了0.5″的转位分辨率,利用光栅测角的正切法细分达到了1″的测角。实验表明：该系统控制精度达到6″,满足了系统设计精度为5″左右的要求。