超高能量分辨软X射线光栅单色器与光束线的设计优化

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1、博士学位论文超高能量分辨软X射线光栅单色器与光束线的设计优化作者姓名：陈家华指导教师：薛松研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别：工学博士学科专业：核技术及应用培养单位：中国科学院上海应用物理研究所2018年6月DesignoptimizationforthesoftX-raygratingmonochromatorandthebeamlineofsuper-highenergyresolutionAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciences

2、inpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringinNuclearTechnologyandApplicationByChenJiahuaSupervisor:ProfessorXueSongShanghaiInstituteofAppliedPhysicsChineseAcademyofSciencesJune2018摘要摘要能量分辨是软X射线光束线（简称“软线”）的核心指标，其本领的高低将直接决定光束线的性能，因此有必要进行系统

3、的研究。本文的目的是在软X射线谱学显微光束线（简称“谱学线”）光栅单色器系统的基础上，对梦之线光栅单色器及聚焦系统进行工程设计优化，采用气体吸收谱方法测试其综合能量漂移，以及金属费米边法测定其超高能量分辨。具体内容如下：分析了光栅单色器系统决定能量分辨的基本参数，计算得到梦之线的能量分辨为44,000@867eV，满足设计要求35,000@867eV，并通过微调光学放大倍数以及在单色器后设置光阑等措施进行热修正，使得热形变造成的4μrad子午面形误差对能量分辨的影响可以忽略不计。具体如下：光学放大倍数7，平面镜子午面形误

4、差0.2μrad，光栅子午面形误差0.1μrad，精密出射狭缝（简称“出缝”）垂直开口20μm，同时已知光源垂直尺寸49.9μm，通过有限元热分析得到的单色器平面镜子午面形误差，造成了能量分辨计算结果降低到31,000@867eV，低于设计要求。分析并优化了单色器能量扫描系统、单色器及出缝的温度稳定性等引起能量漂移的主要因素，得出综合能量漂移为21meV@867eV，符合设计要求24.8meV@867eV。具体内容如下：分析了单色器能量扫描系统的转角误差，得出其驱动杆平台的倾角误差是最大的限制因素；分析了单色器温度起伏引

5、起自身的转动，得出其最大温差不应超过0.1K；分析了出缝温度起伏引起其中心高度漂移，得出应采用线性热膨胀系数较小的支架材料（如因瓦合金）。计算上述因素的等效光栅转角误差分别为0.1″、0.095″、0.072″，即综合误差为0.156″。因此，在进一步提高驱动杆刚度的同时，设计温度控制系统精确控温在±0.1℃以内，并通过恒温冷却水（±0.2℃）带走单色器棚屋内产生的热量，测试结果表明其最大温度变化为0.20℃，满足设计要求。分析了谱学线超环面聚焦系统投角转动机构的瞬态温度，发现在极小温升（0.76℃）情况下仍然使超环面镜

6、产生了持续的掠入射角变化，造成了出缝处光斑的漂移。通过冷却超环面镜使得投角转动机构自身温差可忽略，实现光斑稳定时间由100分钟以上缩短到30分钟左右。在此优化的基础上，将梦之线KB聚I超高能量分辨软X射线光栅单色器与光束线的设计优化焦系统置于出缝后，直接提高了出缝处光斑稳定性，由于水平聚焦和垂直聚焦相互独立且焦距大幅减小，能够为实验站提供更高品质的聚焦光。研制了KB聚焦系统，针对每块KB镜分别设计了五维高精度调节，保证了光斑的精确聚焦，经实际测试，所有结果均优于设计要求，其中第一块KB镜的水平运动机构分辨率和重复性分别达

7、到0.6μm和0.85μm，投角分辨率和重复性分别为0.4″和0.5″。介绍了气体吸收谱、金属费米边等测试能量分辨的方法，通过逐步减小出缝垂直开口（能量分辨的最大限制因素），测得从250μm到20μm的一系列氖气K边吸收谱，并与理论计算值比对，得出气体吸收谱法仅适用于20,000@867eV以下的能量分辨测试，对于更高的能量分辨测试须采用金属费米边法；利用MCP原位气体电离室测试氖气的K边吸收谱，得到光束线的能量漂移约为15meV@867eV；使用电子能量分析器，测试金属铜薄膜在T=13K下的费米边，得到梦之线的能量分辨

8、为50,000@867eV，符合计算结论和设计要求。关键词：光栅单色器，能量分辨，能量漂移，KB聚焦，金属费米边IIAbstractAbstractEnergyresolutionisthekeyindexofasoftX-raybeamline,thelevelofwhichwilldirectlydetermin