摘要 国家同步辐射实验室(NSRL)通过建设国家大科学工程项目,在真空紫外和软X-光光学系统方面积累丰富的经验,建立了比较齐全的设计和检测等软件和硬件设施。本文介绍了NSRL已经研制及正在研制的光栅单色器系统,以及在大型光栅光谱仪器技术方面的技术工作,包括光学设计、机械结构设计、超高真空技术、电子学硬件、软件设计和光学系统调试等内容。
1 前 言
国家同步辐射实验室的同步光源装置在1977年由中国科技大学提出,1983年4月国家计委批准立项建设,1991年10月开始试运行,1993年4月正式向国内外用户开放。合肥同步辐射光源是由200MeV电子直线加速器、800MeV电子储存环、光束线和实验站组成[1,2]。
在世界上各种大型研究设施中,因为同步辐射光源具有频谱宽而平滑连续且可准确计算、强度高、方向性好、亮度高、偏振、脉冲时间结构、洁净等许多优异特性,被广泛应用于生命科学、材料科学、信息科学、超微细加工、凝聚态物理、原子和分子物理、化学、医学和辐射计量学等许多科学和技术领域[2,3]。光束线是连接同步辐射储存环和各种用户实验装置的桥梁,它把同步辐射白光单色化并且成像到实验样品上,是同步辐射应用的关键仪器。光束线一般包括前置镜光学系统、单色器和后置镜光学系统,其中单色器是核心部分。光束线涉及了光学,精密机械,超高真空和控制等领域的技术[4]。因为不同同步光源的特性不同,不同实验对光的要求不同,决定了光束线不是普通的商业化的产品。在国内主要靠实验室自己的工程力量来设计和调试,这样不仅可以节约经费,同时为光束线的维护和改进培养了工程力量。在工程建设的推动下,我们在大型光谱仪器开发中积累了上述各学科的专门技术和所有技术的系统集成经验。
2 光学系统
在真空紫外和软X-光波长范围,无法采用透镜系统[3,4],光学元件都是反射镜和反射光栅。光栅单色器的理论基础是凹面光栅的成像理论[4,5]。在凹面光栅的成像理论中,当光栅的刻密度为0时,可以得到反射镜的聚焦公式和它的像差分布。
大多数商品化的光栅光谱仪仍然通过上述有关理论来设计和调试。在全息光栅出现后,尤其是像差矫正全息光栅技术的使用,给光栅单色器的设计带来了新的内容。在光栅的制造过程中,可以通过改变光栅的记录参数(记录波前可以是平面波前、球面波前和非球面波前及其组合),改变光栅线型的分布,达到消除部分像差的目的,提高单色器的性能[6]。同时,这种像差校正光栅的出现,为设计新型的光谱仪器带来了可能。例如,平场光谱仪(利用平面固体阵列探测器,实现光谱仪器的小型化和自动化)和变间距光栅单色器[7,8,9]。因此,目前光栅单色器(光谱仪)设计的方向之一是把传统的凹面光栅单色器的设计理论和全息光栅的制造过程紧密结合起来,达到对像差进行综合平衡,以便设计出性能更好的光谱仪器或新型的光谱仪器。这也是同步辐射光束线单色器设计的一个方向。
目前我们已经建成和正在建设的不同类型的光栅单色器系统如表1所示[9,10,11,12,13,14]。
2·1 光学设计
为了光束线单色器的设计和建设,实验室建立了有关光学设计的工具软件,包括光学追迹系统,用以对光学系统的成像质量和分辨率进行分析;光学传输效率计算,用以对反射镜反射率、光栅衍射效率和各种滤波器或窗口的透过率的计算。能够完成对光学系统中的各种误差因素进行理论分析和计算机模拟,这是为光学系统和机械系统确定合理误差范围的基础,也为光学调试和测试奠定了基础。
由于以上的工作基础,我们可以根据对光学的具体要求,确定从可见光到真空极紫外和软X-光的各种类型的光栅单色器的光学系统。
2·2 光学元件质量
光学元件是光学系统的重要部件。由于同步辐射光束线是根据用户需要设计的非标准仪器,光学系统中的光学元件一般都是非标准的,价格较贵。光学系统工作在软X-光波段时,对光学元件的表面粗糙度和面型误差等参数的要求十分苛刻。比如,经常用到的光栅和反射镜的粗糙度为0.5~1nm,面型误差为0.2”的水平,同时基底的面型包括平面、球面和非球面,几何尺寸在200~300mm或者更大。这些技术要求即使是对世界上最好的光学元件加工厂家,也是难度不小,尤其是非球面光学元件。因此,对于光学元件的测试和验收是十分重要的工作。由于实验室经费有限,不可能也没有必要把所有测试设备全部配置齐全。有关测试工作通过实验室自己的测试系统(反射镜和光栅效率可以通过反射率测试系统来完成),国内合作(光栅槽型可以通过原子力显微镜来检测),部分国际合作来解决(面型误差等)。有关变间距光栅线密度的测试系统没有现成的系统可以使用,我们实验室准备开发有关测试系统。通过以上措施,可以有效地控制光学元件的质量。
除了光学元件基底外,实验室通过多年的工艺研究,已经可以进行光栅的全息记录、刻蚀和镀膜的全过程。能够制造200~2000线/mm,槽型是矩形、梯形、锯齿型和正弦型的各种光栅。目前有的样品已在光束线上替代进口光栅使用[15]。
2·3 光学系统的调试和测试
光学设计是在理想的状况下得到的。可以加强对光学元件和机械加工误差的控制,使其误差在要求的公差范围以内。这些测试是不容易的,有时甚至是困难的。但因为其技术本身是单一的和简单的,在世界上总可以有相应的测试仪器来完成。光学元件和狭缝等关键元件的安装位置是有误差的,也对光学系统性能产生影响。目前我们能通过分析各种误差对光学系统质量的影响和影响的程度,提出如何直接检测有关误差或者光学系统对有关误差的响应[12,16,17,18,19,20]。在弄清楚了上述问题后,可以开始调试系统。当然,光学系统调试实际上从光学系统设计和结构设计时就已经开始考虑了,因为调试时必须有相应的调试机构。在大多数情况下,这些关键元件位置的调整是困难的,不仅因为调试的精度要求较高,而且因为单色器一般都工作在超高真空状况下,不可能直接操作光学元件的位置,只有通过各种调节机构从真空室外来进行[20]。但通过光学性能检测和机构调整的循环过程,可以把光学系统调整达到其设计的性能指标。
在光学系统的总体性能调试和测试时,除了需要准直仪器和各种光位置探测设备外,还必须有光学总体性能测试设备。实验室建立了较为全面的总体测试手段,包括通过标准灯、气体室、实验方法和固体探测器等措施,可以进行光谱仪的波长(能量)标定、分辨率测试和光通量测试。
3 精密机械设计与检测
我们设计了一系列在大气中和超高真空环境中作精密运动的机构,例如:精密位移机构、光栅转动机、精密狭缝机构和反射镜调节机构。在设计中广泛采用了计算机辅助设计和分析系统,如:ANSYS力学和热学分析软件、三维机械设计软件SOLID EDGE和通用的Autocad软件[21,22]。
在工程设计完成后,通过外协进行机械加工,最后在实验室完成加工件的组装和测试。为此,实验室已经建立了几何量测试系统,包括位移测量系统(激光干涉仪,电感微位移测量仪)和角度测量系统(自准直仪系统,可测量范围0~360°)。
通过上述测试系统,可以测量各种精密机构的线位移和角位移的精度和重复性,保证光学系统波长扫描的运动精度。
4 超高真空技术
光束线中的单色器必须是工作在超高真空环境中。原因有以下几方面:第一,单色器要与加速器储存环的超高真空系统连接,真空度要匹配;第二,真空极紫外和软X-光波段的光子必须在真空状况下传输,以便减少光子与气体分子的碰撞而导致光强的衰减;第三,同步辐射光与碳的化合物的作用会引起碳在光学元件表面的沉积,降低光学元件的效率[23]。因此光束线必须在超高真空环境中运行。我们现在已经建立了满足超高真空要求的全部工艺设施,包括清洗、检漏、超高真空计的比对系统、离子泵的极限和抽速测试系统和残余气体分析系统等硬件设施,培养了一支很强的真空技术队伍,可以设计和调试各种真空系统和设备。
5 电子学硬件系统和软件系统
5·1 电子学硬件系统
目前已经建立了先进的软硬件开发工具环境如下:以MCU(微控制器)和DSP(数字信号处理器)等芯片为核心的系统集成设计;以现场总线和符合RS232,RS485和RS488等规范的低端仪器的设计、网络通讯和控制;基于EDA软件OrCAD的SCH(原理图)、PCB(电路板)、FPGA(大规模现场可编程门阵列)、PSPICE9(模拟和数字混合仿真)等电子硬件设计系统。
已经开发出多种特种电源、联锁保护、监控系统和智能仪器。
5·2 软件系统
基于C,VB,LABVIEW和LABWINDOWS软件平台,数据采集、传输、硬件控制和数据分析,可以和串口,GPIB和CANBus等外部设备连接,驱动各种步进马达控制器。软件可运行在WIN95/98,NT上,其中ActiveX EXE可运行在远地服务器上做为远程数据采集。
有关软件已经在光束线和实验站上运行。
6 结论
通过大科学工程建设,我们已经在光谱仪器技术方面积累了宝贵的经验,培养了相关的技术人员,建立了相应的软件和硬件设施。基于对光栅分光类的仪器的深刻理解,使我们可以把相关技术进行有机地集成,能在光栅光谱仪器方面为国内相关仪器的发展提供借鉴和强有力的技术支持。
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本文作者：王秋平 余小江 高 辉 周洪军 付绍军 张允武
