雙晶單色器固定高差相對檢測技術研究

楊曉許 周泗忠 閆旻奇 韓俊峰 江 波 郭治理 鄧小國 張周峰

(中國科學院西安光學精密機械研究所 西安 710119)

同步輻射光具有高光強、高準直性、波段廣、線偏振、亞納秒時間結構和高穩定性等特點，在物理、材料、化學、生命、微加工技術及相關學科的研究與應用方面成為強有力的工具，是現代科學和高新技術發展中最有力和應用最廣泛的一種研究手段[1]。光束線是同步輻射應用的主要部分，它通過不同的光學系統將同步光“裁剪”成所需光束提供給實驗站[2]；而單色器是光束線的核心設備[3,4]。上海同步輻射光源(SSRF)中，采用了數臺由西安光機所研制的雙晶單色器。

雙晶單色器在工作中，需轉動Bragg角，實現不同波長的單色光輸出。在調整Bragg角過程中，須保持單色器輸出光束高度不變，使樣品處得到光斑位置穩定的單色光源[5]。

在單色器研制完成后，需對固定高差進行離線檢測，目前，國內外尚未見報道。本文提出基于視頻判讀系統的固定高差離線檢測技術：結合成像系統和圖像處理技術，通過對單色器輸出光斑的位置判斷，實現對固定高差的相對精度檢測。該技術已成功應用于研制的雙晶單色器，取得了很好的檢測效果。

1 雙晶單色器基本原理與固定高差技術

1.1 基本原理[6]

由圖 1，輸入全譜段白光射入雙晶單色器，在第一晶體表面發生Bragg衍射，某一波長單色光按反射定律反射，其他波長的同步輻射光被吸收。被反射單色光波長λ由式(1)決定

其中，d為晶格常數，θ為Bragg角，n為衍射級次。

圖1 雙晶單色器結構原理示意圖Fig.1 Diagram of structural principle of the double crystal monochromator.

為獲取不同波長的單色光，需轉動第一晶體和第二晶體，得到相應的Bragg角。在不同的Bragg角，須采用固定高差技術，以保持出射光束相對于入射光束的高度差不變。

1.2 固定高差技術

固定高差技術類型有晶體獨立控制型和機械聯動型單色器。獨立控制型單色器的兩塊晶體分別由兩個獨立的轉角儀驅動，每個晶體的轉動和移動裝置分別安裝在各自的轉角儀上，均有計算機控制同步動作。機械聯動型單色器只有一個轉動平臺，兩塊晶體都安裝在該平臺上，晶體在水平和垂直方向的運動由聯動機構或獨立控制的傳輸裝置實現。獨立控制型單色器體積龐大，機構復雜，欲達理想真空環境較難；機械聯動型單色器結構緊湊，但精度略遜于前者。機械聯動型雙晶單色器中機械聯動機構主要有：L型機構、T型機構、X-Y移動機構、Cam機構等。目前，同步輻射裝置中大多采用機械聯動型雙晶單色器。

設兩晶體以第二晶體表面中心垂直于紙面的軸線為轉軸轉動，Bragg角從θ1變化至θ2，要使該垂直距離保持不變，第一晶體須沿反射面方向和法線法向位移Δm和Δn，且保持晶體姿態不變(保持兩晶面平行)，有：

其中，H為出射光束和入射光束的高差，Δn為影響輸出光斑位置的主要因素，Δm是為保持光斑投射在第一晶體的中心區域，只有其平移直線度對輸出光斑有影響。

2 固定高差相對精度的離線檢測

2.1 相對精度的檢測原理

雙晶單色器固定高差相對精度的檢測裝置采用基于視頻圖像處理的設計，主要包括模擬光源、光斑采集和處理等部分(圖2)。

圖2 固定高差檢測方法示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of invariable relative height measuring.

本裝置思路是：輸入模擬光源，在Bragg角調整過程中，對輸出光斑位置進行成像記錄，對圖像進行判讀，得到光斑中心在圖像中的位置(x, y)。結合成像系統放大率和像元尺寸等參數，利用式(3)得到不同 Bragg角時光屏上光斑中心的相對位置(x′, y′)，對其進行精度統計，即得到該雙晶單色器固定高差相對輸出精度。

其中，Lls為激光器到光屏的距離，f為鏡頭焦距，p為攝像機像元尺寸。

對于模擬光源，首先考慮是X光源，它最接近真正單色器工作狀態，實現衍射輸出。但由于一般X光源只能發出某一波段的光，無法實現整個Bragg角范圍內的測量，同時成像系統復雜，考慮成本、安全性等因素，采用可見光波段的激光器作為模擬光源。為使輸出光束盡量穩定，模擬光源部分采用氦氖激光器。光斑采集部分用來接收從雙晶單色器輸出的光束，由光屏、CCD及成像鏡頭組成，完成光斑圖像的采集。光斑圖像處理主要是判讀軟件，針對光斑圖像的特點，使用各種圖像處理算法，實現對光斑位置的準確讀取。

以可見光激光器作為模擬光源，其光束在衍射晶體表面并無發生衍射，而僅發生反射。這和同步輻射光源的作用不同，因此，該測量方法具有一定局限性，僅表明單色器系統具有高精度固定高差輸出的能力。而單色器內部參數的最終設置，如晶體Z向位置、投角位置等，都需在單色器在線檢測時完成。

2.2 檢測精度分析

按照物理設計要求，雙晶單色器在調整 Bragg角時，其輸出光束的位置應保持不變，或變化量足夠小，滿足樣品處的測量需求。在離線檢測裝置中，影響光斑位置判讀精度的因素有：光源的穩定性、晶體位置調整的偏差、光屏的不穩定性和光斑判讀誤差。

光源的穩定性包含激光器固定支架在測量中位置和姿態變化，還包含激光器出射光束的變化。當激光器的位置在高差方向上平移Δy，角度變化Δβ，則帶來的光斑位置漂移為：

式中，H為光束高差，θ為Bragg角。選用穩定性好的激光器，并很好固定，均能減小光源對檢測結果的影響。

受到環境影響，光屏會發生平移和晃動，但對光斑的位置影響不大。從實際操作看，光屏及其變化會影響圖像判讀精度。選擇合適的光屏，并保證良好的檢測環境，光屏的影響可忽略不計。

在對光斑圖像進行判讀時，有一定的判讀誤差Δp。衍射晶體經化學腐蝕，幾何表面平面度較差，得到的光斑圖像形狀不規則；而衍射晶體未受化學腐蝕時，所得光斑圖像形狀規則，有利于提高判讀精度。針對不同的光斑圖像，設計了多種光斑圖像處理算法，盡量減小判讀誤差(將另文討論)。當成像系統和光屏間距離為Lsc時，根據誤差傳遞定律，固定高差相對精度為：

其中，f為成像系統焦距。由式(4)可見，減小像元尺寸、提高判讀精度、減小成像放大率，均有助于提高檢測精度。

實際運用中，很難在檢測結果中將光源和光屏誤差分離出來，且當選用穩定光源，很好固定光源和光屏時，可減小它們對測量結果的影響。限于目前技術，光斑判讀精度一般在0.1 pixel數量級上，因此光斑判讀精度對固定高差精度的影響是無法忽略的。

3 檢測實例

在研制的某雙晶單色器中，采用此方法實現了對其固定高差相對精度的離線檢測。

該雙晶單色器的能量范圍5–20 keV，固定高差輸出精度要求為20 μm，晶體未經化學腐蝕。其中第一晶體通過Bragg轉軸，第二晶體為長晶體，在Bragg角調整過程中，晶面可法向平移，以實現出射光束的穩定。檢測中，使用高穩定性的氦氖激光器作為模擬光源，并將激光器固定在支架上。采用毛玻璃作為光屏，成像系統采用焦距為75 mm的鏡頭，CCD像元尺寸為5.2 μm，光屏和CCD鏡頭間距為350 mm。

檢測前，對激光器的輸出光束穩定性進行了測試，方法是將光束直接投射至20 m外的白墻上，在連續1 h內，基本觀察不到光斑位置的變化。因此可認為，在檢測過程中不考慮Δh1的影響。

同時，對光斑判讀軟件進行了測試，方法是將激光器固定在多齒分度臺上，使光束投在光屏上，分度臺轉過一定角度后，通過成像系統獲取光斑變化前后的圖像，利用光斑判讀軟件進行圖像處理，得到光斑位置變化精度。測試結果為：光斑判讀軟件對光斑判讀的精度為0.2 pixel。

檢測時，轉動Bragg軸，每隔2°測量一次，圖3表示CCD拍攝光斑圖像，表1為檢測數據。

圖3 檢測中單色器輸出的光斑圖像Fig.3 Image obtained in precision measurement of the invariable relative height.

分析檢測數據，得到該雙晶單色器的固定高差相對輸出精度為(122+132)1/2=17.7 μm，滿足技術指標要求。

表1 光斑位置(單位pixel)及其相對變化(RFD)Table 1 Facula position (in pixel) and relative facula displacement (RFD).

根據判讀精度估算系統的測量精度：Δh2=4.9 μm，為固定高差輸出精度要求的1/4倍，可認為檢測結果有效。

4 結語

通過對同步輻射雙晶單色器的固定高差技術分析，給出了固定高差相對精度的檢測方法。該方法結合激光、視頻成像及圖像處理等技術，具有很強的實用意義。

檢測方法僅檢測了調整Bragg角過程中的光斑位置相對變化精度，并未給出系統的固定高差結果。由于單色器中固定高差和第二晶體在晶面法線方向的初始位置有關，一般在線聯調時，根據光束線樣品處實際光斑位置調整，因而離線檢測時不作要求。

固定高差相對精度檢測方法需改進和完善之處如下：

(1) 采用激光器作為模擬光源，和真實使用的光源有很大區別：激光器的反射發生在晶體表面，而X光波段的反射主要發生在晶體物理反射面，它們間的夾角由晶體定向精度決定。

(2) 晶體表面經化學腐蝕拋光后，表面平面度較差，用文中方法得到的光斑形狀將會不規則，從而影響檢測精度。

(3) 通過調整光屏和晶體間的距離、成像系統焦距、改善光斑形狀等手段，可進一步提高檢測精度。

文中介紹的檢測方法已成功用于上海同步輻射光源(SSRF)和北京同步輻射光源(BSRF)，經雙晶單色器在線使用，均取得很好的試驗效果。

1 Sparks C J, Gene J B, Ice E. Sagittal focusing of synchrotron X2 radiation with curved crystal[J]. Nucl Instum Methods, 1982, 195(1): 73–78

2 Shu D, Barraza J, Brite C, et al. Beamline standard component designs for the advanced, photon source[J]. Rev Sci Instrum, 1995, 66(2): 1795–1797

3 Senf F, Lammert H, Flechsig U, et al. Precision demanded of a rowland circle monochromator: its realization[J]. Rev Sci Instrum, 1995, 66(2): 2154–2156

4 周泗忠, 鄧小國, 楊曉許, 等. 弧矢聚焦雙晶單色器性能測試研究[J]. 光子學報, 2007, 36(12): 2346–2349

ZHOU Sizhong, DENG Xiaoguo,YANG Xiaoxu, et al. Study on checking and measuring for sagittal double crystal monochromator[J]. Acta Photonica Sinica, 2007, 36(12): 2346–2349

5 湯 琦, 馬健康, 周泗忠, 等. 弧矢(Sagittal) 聚焦雙晶單色器設計[J]. 光學精密工程, 2002, 10(4): 411–415

TANG Qi, MA Jiankang, ZHOU Sizhong, et al. Design of a sagittally focusing double-crystal monochromator in synchrotron radiation[J]. Opt Precis Eng, 2002, 10(4): 411–415

6 Michael Hart. X-ray monochromators for high-power synchrotron radiation sources. Nucl Instum Methods, 1990, A297(1): 306–311