專利名稱：同步輻射x射線多層膜綜合偏振測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及同步輻射技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種同步輻射x射線多層膜綜合偏振測量裝置。
技術(shù)背景1808年馬呂斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，通過深入研究，證明了光波是 橫波，使人們進(jìn)一步認(rèn)識了光的本性。為充分利用光的偏振特性，各種 偏振光學(xué)元件的應(yīng)運(yùn)而生，也促進(jìn)了偏振光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。偏振特性 是同步輻射光源優(yōu)異特性之一，國際上利用同步輻射X射線偏振特性在 生物、化學(xué)、物理、材料科學(xué)以及計(jì)量科學(xué)等領(lǐng)域開展了廣泛的研究。 近年來，測量不同材料(尤其是磁性和生命物質(zhì))對入射軟X射線偏振 光強(qiáng)度和偏振狀態(tài)的變化已成為越來越多同步輻射中心研究的熱點(diǎn)。在 這些研究中，精確測定入射軟X射線的偏振狀態(tài)顯得極其重要。而且在 軟X射線光學(xué)元件性能測量過程中，無法確定光源的偏振特性將造成測 試結(jié)果很大的偏差。因此，全面研究軟X射線偏振元件及測試方法必將 為我國開展相應(yīng)波段的偏振光學(xué)研究，測量同步輻射偏振特性及其在信 息、電子、材料等學(xué)科中的應(yīng)用具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。為了完全確定光的偏振態(tài)，需要兩個(gè)元件， 一個(gè)是有一定相移的起 偏器，能夠把入射光的兩個(gè)電矢量分開；另一個(gè)是檢偏器，抑制入射光中一個(gè)分量而選取另一個(gè)線偏振分量通過。對入射光做全偏振分析，需 要兩個(gè)光學(xué)元件分別繞著光軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)并記錄光強(qiáng)。根據(jù)^光和P光的 透射和反射關(guān)系對強(qiáng)度曲線進(jìn)行擬合然后確定入射光的偏振態(tài)。值得注意的是，在極紫外和軟X射線波段，任何物質(zhì)的折射率(實(shí) 部)趨近于1，物質(zhì)對于光的吸收強(qiáng)烈，不存在透明物質(zhì)，因而，在其他 能量范圍內(nèi)可以使用的偏振元件無法在該能區(qū)使用。由于多層膜相干加 強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，在軟X光能區(qū)通常選擇多層膜作為偏振元件。目前國際上的已經(jīng)建立的軟X光能區(qū)的偏振裝置有反射起偏反射 檢偏(雙反)，透射起偏透射檢偏(雙透)，透射起偏反射檢偏(前透后 反)等幾種結(jié)構(gòu)。每一種類型的偏振裝置都有其自身的優(yōu)勢和不足。圖l給出的是一個(gè)雙反偏振裝置圖。反射式起偏器在設(shè)計(jì)和加工工藝 上已經(jīng)日趨成熟，可以得到很高的反射率以及很好的偏振性質(zhì)；實(shí)驗(yàn)時(shí)， 使用反射式起偏器可以得到較強(qiáng)的信號，這樣，儀器的噪聲對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較?。坏趯?shí)驗(yàn)過程中需要改變光的傳播方向，儀器的安裝調(diào)試與實(shí)驗(yàn)時(shí)都存在一定困難?，F(xiàn)有技術(shù)一個(gè)雙透偏振裝置圖。其優(yōu)勢在于應(yīng)用該裝置不改變光束 傳播方向，光路相對簡單?？梢蕴峁┮环N由線偏振光到圓偏振光相互轉(zhuǎn)化的方便有效的途經(jīng)，并且加入其他應(yīng)用元件相對容易。但是，在軟x能區(qū)，要得到透射率較高的偏振元件，在工藝上還有待進(jìn)一步提高，而 且透射元件的偏振性能相對反射元件較差?，F(xiàn)有技術(shù)前透后反偏振裝置圖。采用透射式起偏器，不改變光束傳 播方向，光路相對簡單，調(diào)節(jié)相對容易。而且透射元件做相移片更加合適，可以提供一種由線偏振光到圓偏振光相互轉(zhuǎn)化的方便有效的途經(jīng)。 眾所周知，在對于偏振光的檢測中，檢偏器的偏振性質(zhì)直接影響到檢測 的精度。由于反射式偏振元件的偏振性質(zhì)優(yōu)于透射偏振元件，因而，采 用反射元件作為檢偏器，可以更好的對入射光的性質(zhì)進(jìn)行檢測。但是， 反射偏振元件改變光路的傳播方向，檢測的難點(diǎn)在于，需要調(diào)節(jié)測量裝 置的轉(zhuǎn)軸與光軸共線。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明考慮到國際上其他偏振裝置存在的不足，為了充分發(fā)揮各種 工作模式的優(yōu)勢，避免相應(yīng)的不利因素，考慮到反射式與透射式偏振元 件的特點(diǎn)，為了充分發(fā)揮不同偏振元件和各類裝置的優(yōu)勢，本發(fā)明公開 了一種同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置，包括真空腔體、偏 振測量裝置主體、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)；其測量裝置采用兩 維方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與雙重二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)集于一體，把四種工作模式，即雙反，雙透，前反后透和前透后反模式綜合到同一個(gè)測量裝置上；圓柱形真空腔體，在徑向前后相對開有兩個(gè)法蘭口，前法蘭安裝有磁流體密封裝置，后法蘭用盲板密封；腔體外壁與整體旋轉(zhuǎn)裝置動連接， 整體旋轉(zhuǎn)裝置包括磁流體密封件和渦輪蝸桿，蝸桿與手動轉(zhuǎn)柄相連，旋 轉(zhuǎn)手動轉(zhuǎn)柄即帶動超高真空腔體繞入射光軸旋轉(zhuǎn)，入射光由前法蘭口射 入；腔體內(nèi)中心底部有一水平底板；偏振測量裝置主體位于腔體內(nèi)，固接于水平底板上；偏振測量裝置 主體包括微動準(zhǔn)直平臺，束流探測器，起偏裝置，隨動搖臂，樣品架， 檢偏裝置，主探測器；其中直角"Z"形微動準(zhǔn)直平臺底面與水平底板 動連接，上平臺作為準(zhǔn)直平臺，下平面與水平底板連接，微動準(zhǔn)直平臺 上固接有準(zhǔn)直管、束流探測器和起偏器安裝在水平底板上；隨動搖臂與 起偏器的轉(zhuǎn)軸同軸安裝，搖臂是一個(gè)n形支架，在支架平面中心的是一 個(gè)通孔，在它的平面上安裝的是中心有一個(gè)通孔渦輪，渦輪上面安裝檢 偏平臺，檢偏平臺包括檢偏器和主探測器及驅(qū)動系統(tǒng)，檢偏平臺含有一 個(gè)n形支架，其平面處與渦輪固連，連接處中心有一通孔；而且，搖臂、 渦輪和檢偏平臺的通孔孔徑相同，中心在一條直線上；搖臂的大n形支 架的兩側(cè)臂向下，其兩端頭分別與起偏器的轉(zhuǎn)軸絞接，絞接處設(shè)有轉(zhuǎn)軸； 起偏裝置包括起偏器和驅(qū)動系統(tǒng)，起偏器位于轉(zhuǎn)軸中部，在通孔下方， 轉(zhuǎn)軸一端設(shè)有驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)與隨動搖臂固連；檢偏平臺上的n形 支架的兩側(cè)臂向上，兩側(cè)臂端部設(shè)有轉(zhuǎn)軸，檢偏器位于轉(zhuǎn)軸中部，在通 孔上方，轉(zhuǎn)軸一端有一「形探測器支架，支架內(nèi)端固接有主探測器；通 孔下方固設(shè)有樣品架，樣品架通過兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸與樣品支撐架絞接，樣品 架位于起偏器和檢偏器之間，設(shè)有驅(qū)動系統(tǒng)；準(zhǔn)直管、束流探測器、起偏器、樣品架、檢偏器、主探測器在入射 光光路上順序排列；兩維方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括起偏器和檢偏器的方位角旋轉(zhuǎn)，起偏器 的方位角轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)由磁流體密封裝置、腔體和渦輪蝸桿組成，旋轉(zhuǎn)與蝸 桿相連接的手輪，實(shí)現(xiàn)起偏器的方位角繞著入射光光軸旋轉(zhuǎn)；檢偏器方位角的旋轉(zhuǎn)是由電機(jī)驅(qū)動渦輪帶動整個(gè)檢偏平臺繞著經(jīng)過起偏器后出射 光的光軸旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)檢偏平臺旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動檢偏平臺上的檢偏器 和探測器都一起旋轉(zhuǎn)；雙重二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)起偏器的掠入射角(^)和隨動搖臂的轉(zhuǎn)角 ^構(gòu)成第一個(gè)二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)，其中，A二2&，即，起偏器的掠入射角 旋轉(zhuǎn) 角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，以及安裝在檢偏平臺上 的檢偏器和探測器系統(tǒng)作為一個(gè)整體一起旋轉(zhuǎn)2^角；第二個(gè)二倍角復(fù)合 機(jī)構(gòu)由檢偏器的掠入射角^和探測器轉(zhuǎn)角^構(gòu)成，其中，^二2^;而且， 各個(gè)角度既實(shí)行二倍角聯(lián)動，也可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。所述的綜合偏振測量裝置，其所述四種工作模式綜合到同一個(gè)測量 裝置上，即雙反，雙透，前反后透和前透后反模式，它們的實(shí)現(xiàn)過程如 下a、 雙反模式當(dāng)起偏器和檢偏器都采用反射式元件時(shí)，采用雙反模 式偏振測量裝置的兩個(gè)二倍角關(guān)系要同時(shí)滿足，即，起偏器的掠入射角 旋轉(zhuǎn)6^角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺、包括檢偏平臺上的檢偏器和探測器作為一個(gè)整體一起旋轉(zhuǎn)2&角，確保搖臂上的檢偏器能夠接收 到從起偏器反射的光；而且檢偏器的掠入射角A和探測器轉(zhuǎn)角&也滿足 ^二2^關(guān)系進(jìn)行測量；b、 雙透模式起偏器和檢偏器都采用透射式元件時(shí)，此時(shí)測量主體 的兩個(gè)二倍角關(guān)系解除，各個(gè)角度獨(dú)立旋轉(zhuǎn)；起偏器的掠入射角旋轉(zhuǎn)^角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，檢偏器和探測器系統(tǒng)作為一個(gè)整體一起保持角度為0。角，確保搖臂上的檢偏器能夠接收到從起偏器透射的光；而檢偏器的掠入射角轉(zhuǎn)動到^角，則探測器轉(zhuǎn)角&保持在0。角，接收從檢偏器出射的光；C、前反后透模式起偏器采用反射式元件而檢偏器采用透射式元件 時(shí)，此時(shí)偏振測量裝置只需要滿足起偏器的二倍角關(guān)系，g卩，起偏器的 掠入射角旋轉(zhuǎn)&角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，檢偏器和探測 器系統(tǒng)作為一個(gè)整體一起旋轉(zhuǎn)2^角，確保搖臂上的檢偏器能夠接收到從 起偏器反射的光；而檢偏器的掠入射角轉(zhuǎn)動到^角，則探測器轉(zhuǎn)角&保 持在0。角，接收從檢偏器出射光；d、前透后反模式起偏器采用透射式元件而檢偏器采用反射式元件 時(shí)，偏振測量裝置只需要滿足檢偏器的二倍角關(guān)系，即，起偏器的掠入 射角旋轉(zhuǎn)^角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，檢偏器和探測器系 統(tǒng)作為一個(gè)整體一起保持在0。角，使得檢偏器接收從起偏器P透射的光； 而檢偏器的掠入射角轉(zhuǎn)動到^角，則探測器轉(zhuǎn)角^滿足^二2^的二倍角 關(guān)系進(jìn)行測量，探測器能夠接收到信號。所述的綜合偏振測量裝置，其所述起偏裝置，包括起偏器掠入射角轉(zhuǎn)動&和方位角"轉(zhuǎn)動系統(tǒng)；檢偏裝置，包括檢偏器掠入射角^與方位角 P的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)；隨動搖臂，與樣品架和檢偏平臺的驅(qū)動系統(tǒng)動連接。所述的綜合偏振測量裝置，其所述微動準(zhǔn)直平臺在驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的 驅(qū)動下，分別沿著x、 y方向移動，范圍是士15mm，精度為2.8微米。所述的綜合偏振測量裝置，其所述束流探測器，為一光電二極管， 作為在線束流監(jiān)測探測器，位于準(zhǔn)直管后，在驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動下移進(jìn) 或移出光路。所述的綜合偏振測量裝置，其所述主探測器，是用微通道板作為該 裝置的主探測器，與檢偏器掠入射角構(gòu)成二倍角關(guān)系。所述的綜合偏振測量裝置，其測量裝置還包括八維電動和二維手動 控制系統(tǒng)，其中，八維電動系統(tǒng)包括準(zhǔn)直平臺的x和y方向的運(yùn)動、10 束流監(jiān)測探測器的轉(zhuǎn)動、起偏器角度的轉(zhuǎn)動、隨動搖臂角度的轉(zhuǎn)動、檢 偏器方位角的轉(zhuǎn)動、檢偏器角度的轉(zhuǎn)動和主探測器的角度轉(zhuǎn)動，全部由 步進(jìn)電機(jī)在超高真空腔體內(nèi)通過外部控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；二維手動控制系統(tǒng) 包括用手動調(diào)節(jié)的樣品架的轉(zhuǎn)動和起偏器的方位角旋轉(zhuǎn)，其中起偏器 的方位角旋轉(zhuǎn)是通過手動旋轉(zhuǎn)固定在蝸桿上的手輪，帶動渦輪蝸桿的旋 轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)帶動起偏器的方位角旋轉(zhuǎn)。所述的綜合偏振測量裝置，其所述數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制卡、驅(qū)動器及弱電流放大器組成，利用可編程軟件LabV正W的集成開發(fā)環(huán)境，交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)，為儀器 控制、數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控提供一個(gè)較為完備的軟件開發(fā)環(huán)境和搭載平臺。本發(fā)明裝置適合在軟x能區(qū)使用，是多功能通用八維電動兩維手動 高真空綜合偏振裝置，實(shí)現(xiàn)如下目的1. 提供一個(gè)性價(jià)比相對較高且結(jié)構(gòu)緊湊的偏振測量裝置。2. 提供一個(gè)功能強(qiáng)大的集元件偏振特性測試，束線偏振態(tài)測量、診斷、分析與偏振光應(yīng)用于一體的裝置。3. 本裝置集四種工作模式于一體，可以實(shí)現(xiàn)四種工作模式的自由轉(zhuǎn)換。不僅可以用來作為偏振特性的測量，還可以作為各種類型的光學(xué)元件的光學(xué)性質(zhì)的檢測裝置使用。本發(fā)明的同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置同其它的偏振裝 置相比，關(guān)鍵特點(diǎn)是四種工作模式綜合到同一個(gè)測量裝置上，具有雙反， 雙透，前反后透和前透后反(起偏器是反射，檢偏器是透射的)模式。由于在同一個(gè)裝置上可以實(shí)現(xiàn)四種模式，因而，可以根據(jù)不同的元 件，發(fā)揮其優(yōu)勢，選擇最適合的模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以可以不受儀器的限 制，充分發(fā)揮不同元件的優(yōu)越性，完善相關(guān)的檢測，獲得更加完善的結(jié) 果，因而具有重要意義。本發(fā)明研制的偏振裝置，與目前國際上同步輻射光束線上已有的偏 振裝置相比，突出特點(diǎn)是四種模式集于一體，可以根據(jù)檢測需要在一臺 儀器上選擇不同的工作模式，完成反射或者透射偏振元件測試；整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊；便于安裝調(diào)試。


圖l，是現(xiàn)有的一個(gè)雙反偏振裝置示意圖； 圖2，偏振裝置光路原理圖(雙反射模式)；圖3，為本發(fā)明的同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
通過廣泛的調(diào)研，參考國際上己有的同步輻射偏振裝置，本發(fā)明建造 了一套同步輻射軟X射線多功能高真空綜合偏振測量裝置。該裝置同其 它國際上已有的偏振裝置相比，其突出特點(diǎn)是，集四種工作模式于一體， 即在該裝置上可以分別采用雙反、雙透、前反后透和前透后反四種工作 模式，這在國際上尚屬首例?？捎糜诠馐€偏振特性測量、偏振光學(xué)元 件測試及偏振光應(yīng)用等，也可作為多功能通用反射率計(jì)使用。下面簡單介紹技術(shù)原理。a. 多層膜偏振元件的工作原理在極紫外和軟X射線波段，任何物質(zhì)的折射率(實(shí)部)都接近1， 并且小于l，物質(zhì)對于光的吸收強(qiáng)烈，不存在透明物質(zhì)，因而，在其他能 量范圍內(nèi)可以作為偏振元件的材料無法在該能區(qū)使用。在該能區(qū)， 一般 選擇多層膜作為偏振元件。多層膜偏振光學(xué)元件是利用多層膜對S偏振 和尸偏振光的不同反射(透過)率實(shí)現(xiàn)的。除在正入射和掠入射條件下， 多層膜對S偏振和戶偏振反射(透過)率都不相同。在布儒斯特角附近 入射的^光和尸光的反射(透過)率的比值可以達(dá)到極值；在給定能量 條件下，尸偏振反射率(透過率)最小(大)和尸偏振反射率(透過率) 與S偏振反射率(透過率)比值最小(大)為來優(yōu)化偏振元件。此時(shí)對 應(yīng)的角度稱為準(zhǔn)布儒斯特角。準(zhǔn)布儒斯特角作為多層膜偏振元件的工作 的入射角。本發(fā)明偏振測量裝置的主體及其工作模式偏振測量裝置的主體包括起偏器和檢偏器方位角分別獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的同 時(shí)，還包括起偏器掠入射角與搖臂的轉(zhuǎn)動，檢偏器掠入射角和探測器的轉(zhuǎn)動，這四維轉(zhuǎn)動既可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二倍角聯(lián)動的關(guān)系，也可以根據(jù)需要 進(jìn)行獨(dú)立轉(zhuǎn)動。 .該偏振裝置可以實(shí)現(xiàn)四種模式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)采用雙反模式時(shí)，起偏器和檢偏器方位角分別獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的同時(shí)， 還存在兩個(gè)二倍角關(guān)系，其中起偏器的掠入射角(^)和隨動搖臂(包 括樣品架和檢偏平臺，而且檢偏平臺上安裝有檢偏器和探測器系統(tǒng))的 轉(zhuǎn)角^ (^=2&)構(gòu)成第一個(gè)二倍角關(guān)系，即，起偏器的掠入射角旋轉(zhuǎn) ^角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，檢偏器和探測器系統(tǒng)等作為 一個(gè)整體一起旋轉(zhuǎn)2^角。另一個(gè)二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)由檢偏器的掠入射角 (A)和探測器轉(zhuǎn)角^ (&二2A)構(gòu)成。當(dāng)采用前反后透模式時(shí)，起偏器的掠入射角(&)和隨動搖臂的二 倍角關(guān)系保留，而檢偏器和探測器的聯(lián)動解除，即，檢偏器的掠入射角旋轉(zhuǎn)到^角，而探測器保持在oM立置。當(dāng)采用前透后反模式時(shí)，而起偏器和搖臂的聯(lián)動解除，即，起偏器 的掠入射角旋轉(zhuǎn)到^角，而搖臂保持在0°位置；第二個(gè)二倍角關(guān)系(檢 偏器和探測器的聯(lián)動)保持，即檢偏器的掠入射角(A)和探測器轉(zhuǎn)角& (&=2^)構(gòu)成二倍角聯(lián)動。當(dāng)采用雙透模式時(shí)，各維運(yùn)動獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，g卩，當(dāng)起偏器的掠入射角旋轉(zhuǎn)&角，隨動搖臂保持在0°，而另外的二倍角關(guān)系中，檢偏器的掠入射角旋轉(zhuǎn)A角，而探測器保持在o。位置。對于每種模式有四個(gè)掃描方式，分別是能量掃描(I-E)， 二倍角掃描(I-。，起偏器方位角掃描(I-a)，檢偏器方位角掃描(I-"。(1)能量掃描(I-E)，固定入射光角度，起偏器方位角分別置于"=0° 和90。時(shí)，掃描單色器能量，測量S和P偏振分量隨著能量變化的光強(qiáng) 曲線。找到符合偏振元件優(yōu)化的最佳能量。(2) 二倍角掃描(I-^)，固定入射光能量，當(dāng)起偏器方位角"二0。和 90。時(shí)，分別測量S和P偏振分量的隨著掠入射角變化時(shí)的光強(qiáng)度曲線，光強(qiáng)分別記為/,s和/,p。其中/,s和/,s比值均為極值所對應(yīng)的角度為該 偏振元件的準(zhǔn)布儒斯特角4S 。(3) 起偏器方位角掃描(I-a)，固定入射光能量，起偏器置于準(zhǔn)布儒 斯特角位置0^，測量光強(qiáng)隨著起偏器方位角"變化曲線。(4) 檢偏器方位角掃描(I-y9)，固定入射光能量，起偏器和檢偏器分別置于準(zhǔn)布儒斯特角位置，測量光強(qiáng)隨著檢偏器方位角/ 變化曲線。b. 探測器的選擇在軟X射線偏振測量中，輸出的信號一般10—12 10一9八量級，硅光二極管是經(jīng)常使用的探測器之一，但不具有放大功能，而且對于偏振光 較為敏感。微通道板是一種先進(jìn)的具有傳輸功能的電子倍增器，具有體 積小、重量輕、分辨力好、增益高、噪聲低、使用電壓低等優(yōu)點(diǎn)，而且對于偏振不敏感。軟x能段的檢測要求在真空條件下進(jìn)行，儀器腔體體積有限。選擇使用的MCP微通道板探測器輸出的信號經(jīng)弱電流放大器直 接引入計(jì)算機(jī)，檢測探測的信號約10—12 10—9八量級，噪聲信號l0—"A， 滿足檢測要求，所以選擇微通道板作為主探測器。實(shí)施例本發(fā)明的同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置光路原理圖(雙反射模式)如圖2所示，同步輻射X射線光源SR經(jīng)過準(zhǔn)直管3照射在起 偏器5上，經(jīng)過起偏后的光，入射到檢偏器9上，再經(jīng)檢偏器9反射后， 光線被探測器10接收并探測信號。參閱圖3，為本發(fā)明的同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置結(jié) 構(gòu)示意圖，裝置主要包括超高真空腔體的整體旋轉(zhuǎn)裝置、偏振測量裝置 主體、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)。其中腔體l、磁流體密封裝置 2、高精度微動準(zhǔn)直管3、 1。探測器4、起偏器5、隨動搖臂6、樣品架7、 檢偏平臺8、檢偏器9、主探測器IO。超高真空腔體1，前后相對開兩個(gè)法蘭口；前法蘭安裝有磁流體密 封裝置2，后法蘭用盲板密封，并安裝有渦輪蝸桿；蝸桿與手動轉(zhuǎn)柄相連， 旋轉(zhuǎn)手動轉(zhuǎn)柄；整體旋轉(zhuǎn)裝置由磁流體密封件和渦輪蝸桿構(gòu)成，帶動超 高真空室整體繞光軸旋轉(zhuǎn)，以改變起偏器的方位角；高精度微動準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直管3安裝在高精度微動準(zhǔn)直平臺上，位 于腔體轉(zhuǎn)動的軸線上，準(zhǔn)直平臺在電機(jī)的驅(qū)動下，分別沿著x、 y方向移 動，根據(jù)需要更換不同孔徑的準(zhǔn)直管；同步輻射X射線多層膜偏振測量裝置主體，由束流監(jiān)測探測器4、 起偏器5、隨動搖臂6、樣品架7、檢偏器9、探測器10及檢偏器方位角 P旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成，測量裝置的主體位于超高真空腔體1內(nèi)。偏振測量 裝置主體由兩臺Bragg衍射儀構(gòu)成雙重二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)，第一衍射儀由多層膜起偏器5的掠入射角(^)和隨動搖臂6的轉(zhuǎn)角^ (&=2 ，包 括樣品架7和檢偏器9以及探測器10都固定在搖臂6上面)組成；第二衍射儀由檢偏器9的掠入射角(A)和探測器10轉(zhuǎn)角^ (0。=2^)構(gòu) 成。起偏裝置包括電機(jī)驅(qū)動起偏器5入射角轉(zhuǎn)動，手動旋轉(zhuǎn)手輪帶動渦 輪蝸桿驅(qū)動起偏器5繞著入射光的光軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)方位角轉(zhuǎn)動；檢偏裝 置包括電機(jī)驅(qū)動檢偏器9入射角與方位角轉(zhuǎn)動。檢偏器9方位角的轉(zhuǎn)動 是由電機(jī)在真空腔體1外控制腔體1內(nèi)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)檢偏器9繞著從起偏 器5出射光的光軸旋轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制卡、驅(qū)動器及弱電 流放大器組成，利用LabVIEW的集成開發(fā)環(huán)境，交互式編程方法、函數(shù) 面板和豐富的庫函數(shù)，為儀器控制、數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控提供一個(gè)較為 完備的軟件開發(fā)環(huán)境和搭載平臺。下面介紹各部件功能與相關(guān)參數(shù)。1. 真空腔體l的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)真空腔體1與光束線采用磁流體密封裝 置2連接，確保腔體1與束線連接后可以自由旋轉(zhuǎn)；后法蘭用盲板密封， 并安裝有渦輪蝸桿；蝸桿與手動轉(zhuǎn)柄相連，旋轉(zhuǎn)手動轉(zhuǎn)柄，腔體1以前 后法蘭中心為軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)范圍-180° +180°，最小轉(zhuǎn)角間隔為0.1。。 當(dāng)調(diào)節(jié)腔體1的轉(zhuǎn)軸與束線光軸共線之后，腔體1繞入射光線旋轉(zhuǎn)，確 定起偏器5方位角"的旋轉(zhuǎn)。2. 高精度微動準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直管3安裝在高精度微動準(zhǔn)直平臺上，該平臺在電機(jī)的驅(qū)動下可以分別沿著x、 y方向移動，范圍是i20mm， 精度可達(dá)2.8微米，并且可以根據(jù)需要更換不同孔徑的準(zhǔn)直管3。3. /。探測器4:用一個(gè)AUX—100G型光電二極管作為在線束流監(jiān)測探測器4，安裝在準(zhǔn)直管3后，在電機(jī)驅(qū)動下移進(jìn)或移出光路。4. 起偏器5的掠入射角^的轉(zhuǎn)動根據(jù)需要起偏器5可以選擇反射 或透射型偏振元件。起偏器5的掠入射角^旋轉(zhuǎn)，采用步距角為1.8。的 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動渦輪蝸桿，帶動起偏器5繞樣品中心軸(X軸)轉(zhuǎn)動，旋 轉(zhuǎn)范圍0° 90°，渦輪蝸桿的速比為1: 120，六級精度，起偏器5的最 小轉(zhuǎn)角間隔為1.8°/120=0.015°。5. 隨動搖臂6:隨動搖臂6與起偏器5的掠入射角的轉(zhuǎn)軸在同一條 線上，二者可以做二倍角聯(lián)動旋轉(zhuǎn)，也可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。起偏器5有透射 和反射兩種模式工作；當(dāng)起偏器5采用反射模式，起偏器5掠入射角為 《J寸，隨動搖臂6 (搖臂上固定有樣品架7和檢偏平臺，檢偏平臺包括檢 偏器9和探測器10系統(tǒng))的轉(zhuǎn)動角度^必須滿足A二2^的二倍角關(guān)系， 即搖臂6繞起偏器5入射角中心軸轉(zhuǎn)過2&的角度；當(dāng)起偏器5采用透射 模式時(shí)，搖臂6轉(zhuǎn)動的角度為&二0。。在滿足負(fù)載力矩的條件下，選擇 步距角1.8。的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動渦輪蝸桿，帶動隨動搖臂6的旋轉(zhuǎn)，搖臂6 的轉(zhuǎn)角范圍0。一140°，渦輪蝸桿的速比為1: 60，六級精度，隨動搖臂 6的最小轉(zhuǎn)角間隔為1.8°/60=0.03°。6. 樣品架7:在光路中，樣品架7固定在檢偏平臺8的前端，可放 置樣品的最大直徑40mm;樣品架7可以手動旋轉(zhuǎn)手輪確定樣品的掠入射 角。當(dāng)確定好樣品平面的入射角之后，將調(diào)節(jié)角度的手輪鎖住，保證在 搖臂轉(zhuǎn)動時(shí)樣品的掠入射角度不變。樣品架7的轉(zhuǎn)動范圍為0。一卯。， 精度O. 1°。7. 檢偏器9方位角y5的轉(zhuǎn)動檢偏平臺包括檢偏器9和探測器10 系統(tǒng)，固定在隨動搖臂6上，在電機(jī)的驅(qū)動下，由渦輪蝸桿帶動整個(gè)檢 偏平臺繞光軸旋轉(zhuǎn)，(該光軸是經(jīng)過起偏器5后出射光的光軸，)轉(zhuǎn)角為檢偏器9的方位角/ ，轉(zhuǎn)角范圍一180。一190。，采用步距角1.8°的步 進(jìn)電機(jī)，渦輪蝸桿的速比1: 180,六級精度，檢偏器9方位角的角分辨率 為1.8°/180=0.01。；8. 檢偏器9掠入射角^的轉(zhuǎn)動安裝檢偏元件的架子固定在檢偏平臺上，檢偏器9繞元件中心軸轉(zhuǎn)動，確定檢偏器9掠入射角A，轉(zhuǎn)動范圍0。一90。；速比1: 90,六級精度，檢偏器9方位角的角分辨率為1,8°/90=0.02。。9. 探測器10轉(zhuǎn)動的角度&:探測器10與檢偏器9的掠入射角的 轉(zhuǎn)軸在同一條軸線上；固定在檢偏平臺上，與檢偏器9的掠入射角一起 既可以構(gòu)成二倍角聯(lián)動也可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，即，當(dāng)檢偏器9為反射元件時(shí)， 轉(zhuǎn)過^角時(shí)，探測器10繞檢偏元件中心軸轉(zhuǎn)過&二2&角(檢偏器9掠 入射角^與探測器10轉(zhuǎn)動的角度&成二倍角關(guān)系)，而當(dāng)檢偏器9為透 射元件時(shí)，當(dāng)^旋轉(zhuǎn)時(shí)，^保持在0°; ^由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動渦輪蝸桿使探 測器10轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動范圍0。一140。；渦輪蝸桿的速比1: 45，六級精度， 探測器10的最小轉(zhuǎn)角間隔為1.8°/45=0.04°;而且探測器10能夠在平面 內(nèi)平行移動士3mm ，確保光斑能夠被探測器10接收到。10. 控制系統(tǒng)的軟硬件研制針對偏振裝置的特點(diǎn)和檢測要求，研制了一套基于LabView編程方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)獲取的計(jì)算機(jī)控 制軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作方便、功能強(qiáng)大，界面簡便，操作簡便，數(shù)據(jù)自動記錄到指定目錄下。控制系統(tǒng)的硬件采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器加上運(yùn)動控制卡完成；偏振裝置有八個(gè)軸的運(yùn)動是電機(jī)驅(qū)動的，采用M420型驅(qū) 動器控制電機(jī)。運(yùn)動控制采用DMC1000型PCI總線運(yùn)動控制卡， 一塊卡 可控制l一4軸步進(jìn)電機(jī)，最大脈沖輸出頻率為400KHz，其優(yōu)點(diǎn)是可以 進(jìn)行運(yùn)動中的實(shí)時(shí)變速，可以進(jìn)行圓弧和直線插補(bǔ)運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)多軸同時(shí) 啟動和同時(shí)停止。這對于偏振裝置的多軸同時(shí)運(yùn)動具有很重要的實(shí)際意義?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能①單軸掃描八個(gè)電機(jī)的單軸運(yùn)動；② 二倍角隨動起偏器和搖臂，檢偏器和探測器都可以實(shí)現(xiàn)二倍角聯(lián)動進(jìn) 行檢測；③四軸運(yùn)動起偏器，搖臂，檢偏器和探測器的隨動與聯(lián)動。通過這套控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在外部控制真空環(huán)境中的各種運(yùn)動功能。11.弱信號測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟X能區(qū)的檢測要求在高真空條 件下使用，偏振裝置的腔體體積有限，檢測探測的信號極弱，對于偏振特性測量的檢測，輸出信號的電流均低于io-'2A。因而需要體積小而且具 有放大功能的探測器來探測弱信號。微通道板(MCP)具有增益高，一 片單獨(dú)使用增益可達(dá)103 —104 ，兩片呈V形疊加使用增益可達(dá)107 一108;空間分辨本領(lǐng)強(qiáng)；體積小，重量輕；分辨力好；噪聲低，在10一16八量級；符合檢測對于探測器的要求，所以選擇微通道板作為偏振裝置的 主探測器。信號經(jīng)低噪聲電纜和銀芯導(dǎo)線引出由電流計(jì)6517 (Keithley， USA)放大后輸入計(jì)算機(jī)。
權(quán)利要求
1. 一種同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置，包括真空腔體、偏振測量裝置主體、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)；其特征在于，該測量裝置采用兩維方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與雙重二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)集于一體，把四種工作模式，即雙反，雙透，前反后透和前透后反模式綜合到同一個(gè)測量裝置上；圓柱形真空腔體，在徑向前后相對開有兩個(gè)法蘭口，前法蘭安裝有磁流體密封裝置，后法蘭用盲板密封；腔體外壁與整體旋轉(zhuǎn)裝置動連接，整體旋轉(zhuǎn)裝置包括磁流體密封件和渦輪蝸桿，蝸桿與手動轉(zhuǎn)柄相連，旋轉(zhuǎn)手動轉(zhuǎn)柄即帶動超高真空腔體繞入射光軸旋轉(zhuǎn)，入射光由前法蘭口射入；腔體內(nèi)中心底部有一水平底板；偏振測量裝置主體位于腔體內(nèi)，固接于水平底板上；偏振測量裝置主體包括高精度微動準(zhǔn)直平臺，束流探測器，起偏裝置，隨動搖臂，樣品架，檢偏裝置，主探測器；其中直角Z形微動準(zhǔn)直平臺底面與水平底板連接，上平臺作為準(zhǔn)直平臺，下平面與水平底板連接，微動準(zhǔn)直平臺上固接有準(zhǔn)直管，束流探測器和起偏器安裝在水平底板上；隨動搖臂與起偏器的轉(zhuǎn)軸同軸安裝，搖臂是一個(gè)∏形支架，在支架的中心是一個(gè)通孔，在它的平面上安裝的是中心有一個(gè)通孔的渦輪，渦輪上面安裝檢偏平臺，檢偏平臺包括檢偏器和主探測器及驅(qū)動系統(tǒng)，檢偏平臺含有一個(gè)∏形支架，其平面處與渦輪連接，中心有一通孔，而且，搖臂、渦輪和檢偏平臺的通孔孔徑相同，中心在一條直線上；搖臂的大∏形支架的<pb pnum="1"/>兩側(cè)臂向下，其兩端頭分別與起偏器的轉(zhuǎn)軸絞接，絞接處設(shè)有轉(zhuǎn)軸；起偏裝置包括起偏器和驅(qū)動系統(tǒng)，起偏器位于轉(zhuǎn)軸中部，在通孔下方，轉(zhuǎn)軸一端設(shè)有驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)與隨動搖臂固連；檢偏平臺∏形支架的兩側(cè)臂向上，兩側(cè)臂端部設(shè)有轉(zhuǎn)軸，檢偏器位于轉(zhuǎn)軸中部，在通孔上方，通孔和檢偏器中心在一條直線上，轉(zhuǎn)軸一端有一Г形探測器支架，支架內(nèi)端固接有主探測器；通孔下方固設(shè)有樣品架，樣品架通過兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸與樣品支撐架絞接，樣品架位于起偏器和檢偏器之間；準(zhǔn)直管、束流探測器、起偏器、樣品架、檢偏器、主探測器在入射光光路上順序排列；兩維方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括起偏器和檢偏器的方位角旋轉(zhuǎn)，起偏器的方位角轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)由磁流體密封裝置、腔體和渦輪蝸桿組成，旋轉(zhuǎn)與蝸桿相連接的手輪，實(shí)現(xiàn)起偏器的方位角繞著入射光光軸旋轉(zhuǎn)；檢偏器方位角的旋轉(zhuǎn)是由電機(jī)驅(qū)動渦輪帶動整個(gè)檢偏平臺繞著經(jīng)過起偏器后出射光的光軸旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)檢偏平臺旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動檢偏平臺上的檢偏器和探測器都一起旋轉(zhuǎn)；雙重二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)起偏器的掠入射角(θP)和隨動搖臂的轉(zhuǎn)角θR構(gòu)成第一個(gè)二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)，其中，θR＝2θP，即，起偏器的掠入射角旋轉(zhuǎn)θP角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，以及安裝在檢偏平臺上的檢偏器和探測器系統(tǒng)作為一個(gè)整體一起旋轉(zhuǎn)2θP角；第二個(gè)二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)由檢偏器的掠入射角θA和探測器轉(zhuǎn)角θD構(gòu)成，其中，θD＝2PA；而且，各個(gè)角度既實(shí)行二倍角聯(lián)動，也可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。
2、如權(quán)利要求1所述的綜合偏振測量裝置，其特征在于，所述四種工作模式綜合到同一個(gè)測量裝置上，即雙反，雙透，前反后透和前透后 反模式，它們的實(shí)現(xiàn)過程如下a、 雙反模式當(dāng)起偏器和檢偏器都采用反射式元件時(shí)，采用雙反模 式偏振測量裝置的兩個(gè)二倍角關(guān)系要同時(shí)滿足，即，起偏器的掠入射角 旋轉(zhuǎn)&角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺、包括檢偏平臺上的檢偏 器和探測器作為一個(gè)整體一起旋轉(zhuǎn)2^角，確保搖臂上的檢偏器能夠接收 到從起偏器反射的光；而且檢偏器的掠入射角^和探測器轉(zhuǎn)角^也滿足&=2^關(guān)系進(jìn)行測量；b、 雙透模式起偏器和檢偏器都采用透射式元件時(shí)，此時(shí)測量主體的兩個(gè)二倍角關(guān)系解除，各個(gè)角度獨(dú)立旋轉(zhuǎn)；起偏器的掠入射角旋轉(zhuǎn)^角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，檢偏器和探測器系統(tǒng)作為一個(gè)整體一起保持角度為0。角，確保搖臂上的檢偏器能夠接收到從起偏器透 射的光；而檢偏器的掠入射角轉(zhuǎn)動到A角，則探測器轉(zhuǎn)角&保持在0。角， 接收從檢偏器出射的光；C、前反后透模式起偏器采用反射式元件而檢偏器采用透射式元件時(shí)，此時(shí)偏振測量裝置只需要滿足起偏器的二倍角關(guān)系，即，起偏器的 掠入射角旋轉(zhuǎn)^角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，檢偏器和探測器系統(tǒng)作為一個(gè)整體一起旋轉(zhuǎn)2&角，確保搖臂上的檢偏器能夠接收到從 起偏器反射的光；而檢偏器的掠入射角轉(zhuǎn)動到A角，則探測器轉(zhuǎn)角&保 持在0。角，接收從檢偏器出射光；d、前透后反模式起偏器采用透射式元件而檢偏器采用反射式元件時(shí)，偏振測量裝置只需要滿足檢偏器的二倍角關(guān)系，即，起偏器的掠入 射角旋轉(zhuǎn)^角，則隨動搖臂帶動樣品架和檢偏平臺，檢偏器和探測器系 統(tǒng)作為一個(gè)整體一起保持在0。角，使得檢偏器接收從起偏器P透射的光; 而檢偏器的掠入射角轉(zhuǎn)動到^角，則探測器轉(zhuǎn)角^滿足^=2^的二倍角 關(guān)系進(jìn)行測量，探測器能夠接收到信號。
3、 如權(quán)利要求1所述的綜合偏振測量裝置，其特征在于，所述起偏 裝置，包括起偏器掠入射角轉(zhuǎn)動^和方位角"轉(zhuǎn)動系統(tǒng)；檢偏裝置，包括 檢偏器掠入射角A與方位角/ 的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)；隨動搖臂，與樣品架和檢偏平臺的驅(qū)動系統(tǒng)動連接。
4、 如權(quán)利要求1所述的綜合偏振測量裝置，其特征在于，所述微動 準(zhǔn)直平臺在驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動下，分別沿著x、 y方向移動，范圍是± 15mm，精度為2.8微米。
5、 如權(quán)利要求1所述的綜合偏振測量裝置，其特征在于，所述束流 探測器，為一光電二極管，作為在線束流監(jiān)測探測器，位于準(zhǔn)直管后， 在驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動下移進(jìn)或移出光路。
6、 如權(quán)利要求1所述的綜合偏振測量裝置，其特征在于，所述主探 測器，是用微通道板作為該裝置的主探測器，與檢偏器掠入射角構(gòu)成二 倍角關(guān)系。
7、 如權(quán)利要求1所述的綜合偏振測量裝置，其特征在于，該測量裝 置還包括八維電動和二維手動控制系統(tǒng)，其中，八維電動系統(tǒng)包括準(zhǔn) 直平臺的x和y方向的運(yùn)動、1。束流監(jiān)測探測器的轉(zhuǎn)動、起偏器角度的轉(zhuǎn) 動、隨動搖臂角度的轉(zhuǎn)動、檢偏器方位角的轉(zhuǎn)動、檢偏器角度的轉(zhuǎn)動和主探測器的角度轉(zhuǎn)動，全部由步進(jìn)電機(jī)在超高真空腔體內(nèi)通過外部控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；二維手動控制系統(tǒng)包括用手動調(diào)節(jié)的樣品架的轉(zhuǎn)動和起偏 器的方位角旋轉(zhuǎn)，其中起偏器的方位角旋轉(zhuǎn)是通過手動旋轉(zhuǎn)固定在蝸桿 上的手輪，帶動渦輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)帶動起偏器的方位角旋轉(zhuǎn)。
8、如權(quán)利要求1所述的綜合偏振測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù) 獲取和控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制卡、驅(qū)動器及弱電流放大器組成，利用可編程軟件LabV正W的集成開發(fā)環(huán)境，交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)，為儀器控制、數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控提供一個(gè)較 為完備的軟件開發(fā)環(huán)境和搭載平臺。
全文摘要
一種同步輻射X射線多層膜綜合偏振測量裝置，涉及同步輻射技術(shù)，包括真空腔體、偏振測量裝置主體、真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)；該測量裝置采用兩維方位角旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與雙重二倍角復(fù)合機(jī)構(gòu)集于一體，把四種工作模式，即雙反，雙透，前反后透和前透后反模式綜合到同一個(gè)測量裝置上。本發(fā)明的偏振裝置，與目前國際上同步輻射光束線上已有的偏振裝置相比，突出特點(diǎn)是四種模式集于一體，可以根據(jù)檢測需要在一臺儀器上選擇不同的工作模式，完成反射或者透射偏振元件測試；整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊；便于安裝調(diào)試。
文檔編號G01J4/00GK101271024SQ20071006459
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者孫立娟, 崔明啟, 杰 朱, 松 薛 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所