專利名稱：應(yīng)用于同步輻射固定出口雙晶單色器的t裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及同步輻射技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于同步輻射固定出口雙晶單色器的T裝置及方法。
背景技術(shù)：
同步輻射是近30年來迅速發(fā)展起來的一種以電子加速器及儲(chǔ)存環(huán)為光源的大型綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)施。單色器是同步輻射裝置中不可缺少的設(shè)備。它以硅晶體(或多層膜)為衍射元件，通過機(jī)電手段改變白光X射線束對(duì)晶面的入射角(布拉格角)以實(shí)現(xiàn)單色化及波長掃描的功能。固定出口型雙晶單色器是應(yīng)用最廣泛的單色器。它的基本特點(diǎn)是在布拉格角轉(zhuǎn)動(dòng)過程中用機(jī)電手段調(diào)整單色器兩晶面之間的距離，使得在波長掃描的過程中保持出射光束與入射光束平行且空間位置不變，以滿足實(shí)驗(yàn)需要。目前國際上有幾種常規(guī)的單色器，各采用不同的機(jī)構(gòu)原理實(shí)現(xiàn)上述功能，但價(jià)格都非常昂貴，一般在幾十至上百萬美元。

發(fā)明內(nèi)容
同步輻射廣譜X光經(jīng)兩塊硅晶體的衍射單色化為特定波長的單色X光。通過改變晶體布拉格角可改變單色光波長，從而實(shí)現(xiàn)波長掃描。該發(fā)明的關(guān)鍵是采用了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡稱T機(jī)構(gòu)，與精密轉(zhuǎn)角臺(tái)相結(jié)合，使得晶體布拉格角改變時(shí)，通過T機(jī)構(gòu)按特定規(guī)律調(diào)節(jié)晶體晶面之間的距離，保持出束光垂直位置恒定，從而構(gòu)成了這一新型固定出口雙晶單色器。
本發(fā)明采用了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的簡稱T機(jī)構(gòu)的新型機(jī)械聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，與精密轉(zhuǎn)角臺(tái)相結(jié)合，而構(gòu)成了一種新型固定出口雙晶單色器。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單可靠，造價(jià)低廉，主要指標(biāo)達(dá)到國際水平，適應(yīng)我國目前科研投入水平。
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于同步輻射的固定出口雙晶單色器的調(diào)整置，簡稱T機(jī)構(gòu)，從而構(gòu)成一種新型的固定出口雙晶單色器。雙晶單色器是將兩塊晶體平行安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)上，同步輻射廣譜X光經(jīng)兩塊硅晶體的衍射單色化為特定波長的單色X光。通過改變轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角(晶體布拉格角)可改變單色光光子能量(波長)，從而實(shí)現(xiàn)能量掃描。但如果雙晶晶面距離固定，隨著布拉格角改變，出射單色光束垂直位置也發(fā)生改變。而一般同步輻射實(shí)驗(yàn)需要出射光束垂直位置恒定。該發(fā)明的關(guān)鍵是采用了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡稱T機(jī)構(gòu)，與精密轉(zhuǎn)角臺(tái)相結(jié)合，使得晶體布拉格角改變時(shí)，通過T機(jī)構(gòu)按特定規(guī)律調(diào)節(jié)晶體晶面之間的距離，保持出束光垂直位置恒定，從而構(gòu)成了這一新型固定出口雙晶單色器。該設(shè)備主要應(yīng)用于同步輻射單色光束線中實(shí)現(xiàn)單色化及能量掃描。這一固定出口雙晶單色器的特點(diǎn)是□T機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，與精密轉(zhuǎn)角臺(tái)相結(jié)合即構(gòu)成固定出口雙晶單色器；□僅需要一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)單色器多維運(yùn)動(dòng)；□與流行固定出口雙晶單色器比較，本設(shè)計(jì)主要指標(biāo)均達(dá)到國際水平，突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，造價(jià)低廉。


圖1本發(fā)明的T機(jī)構(gòu)固定出口雙晶單色器的基本原理及工作圖。
圖2本發(fā)明的T機(jī)構(gòu)及其構(gòu)成的固定出口雙晶單色器的原理及工作圖。
圖3本發(fā)明的固定出口雙晶單色器參數(shù)設(shè)計(jì)示意圖。
具體實(shí)施例方式
T機(jī)構(gòu)及其構(gòu)成的固定出口雙晶單色器的基本原理及工作，如圖1所示。圖中AA’，BB’為反射鏡面，其反射面平行且相對(duì)。AA’，BB’可在保持它們之間相對(duì)位置的情況下，繞垂直于紙面且在AA’平面上的軸O轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)X軸為水平坐標(biāo)軸，線段CC’在X軸上方，與X軸平行距離為h，ON為鏡面AA’的法線，P點(diǎn)為鏡面BB’延長線與ON交點(diǎn)。設(shè)一束光線沿X軸以θ角入射到鏡面AA’的O點(diǎn)，經(jīng)AA’反射沿OD方向出射到BB’，DL為經(jīng)BB’鏡面反射后的出射束方向。由于AA’，BB’反射面平行，根據(jù)光的反射定律，出射束DL平行于X軸，設(shè)其與X軸距離為H。w為入射束線的垂直寬度。對(duì)反射鏡BB’做如下約束本發(fā)明的同步輻射固定出口雙晶單色器的T機(jī)構(gòu)的工作方法如下1)入射角θ改變時(shí)，BB’保持與AA’平行，以O(shè)為原點(diǎn)，與AA’同步轉(zhuǎn)動(dòng)；2)BB’具有沿ON方向(AA’法線方向)平動(dòng)的自由度；3)θ角改變時(shí)，鏡面BB’延長線與ON交點(diǎn)P保持被約束在線段CC’上；滿足以上約束，出射束與入射束線間距離H可表達(dá)為H=OD‾·Sin2θ=OP‾Sinθ=·Sin2θ=hCosθ·Sinθ·sin2θ=2h]]>上式表明當(dāng)入射光線入射角θ改變時(shí)，如果滿足對(duì)鏡面BB’的約束，則出射束與入射束線間距離H為恒定值2h，而與入射角θ值無關(guān)。
用硅晶體替代AA’，BB’反射鏡面，入射X射線將在晶體面上發(fā)生衍射，根據(jù)布拉格定律，其光路與前述可見光的鏡面反射相同，不同點(diǎn)在于出射為單色光，光子能量決定于入射角θ。以上即為T機(jī)構(gòu)的工作原理，基于這一原理的雙晶單色器可保證當(dāng)改變?nèi)肷浣铅榷@得所需光子能量的單色光的同時(shí)，出射束與入射束線間距離不變，從而實(shí)現(xiàn)了固定出口雙晶單色器。
圖2為基于T機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的固定出口雙晶單色器的機(jī)械原理及工作圖。其中1)為精密轉(zhuǎn)臺(tái)的基座；2)為精密轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)做精確定位轉(zhuǎn)動(dòng)；3)為第一晶體的固定座，剛性固定于轉(zhuǎn)盤上，它起到固定第一晶體的作用，使第一晶體晶面垂直于轉(zhuǎn)盤且轉(zhuǎn)盤軸線通過晶面中線；4)為第一晶體；5)為一直線滑臺(tái)的滑塊；6)為直線滑臺(tái)的基座，滑臺(tái)中線與第一晶體法線重合，固定于轉(zhuǎn)盤上，則滑臺(tái)滑塊可沿第一晶體法線自由滑動(dòng)；7)為一個(gè)小滑輪，固定于滑臺(tái)滑塊上，其軸心在滑臺(tái)中線上，滑輪外沿與第二晶晶面相切；8)為第二晶體的固定座，剛性固定于滑臺(tái)滑塊上，使第二晶體晶面垂直于轉(zhuǎn)盤；9)為第二晶體；10)為剛性固定于滑臺(tái)基座上的滑道，滑道面保持水平；受滑塊及其上固定部件的重力作用，固定于滑臺(tái)滑塊上的滑輪外沿與滑道面保持緊密接觸。11)為光路示意。
以上機(jī)械結(jié)構(gòu)保證了第二晶體約束條件，因此當(dāng)同步輻射廣譜(白光)X射線束沿與滑道面平行方向入射到第二晶面轉(zhuǎn)盤軸線投影O時(shí)，則出射束與入射束線平行且間距為一固定值2h，即滑道面與入射光軸線距離的2倍，而不受入射角大小的影響。由此形成了固定出口雙晶單色器實(shí)體。
基于上述T機(jī)構(gòu)固定出口雙晶單色器設(shè)計(jì)實(shí)施方式，其中各部件參數(shù)設(shè)計(jì)原則如下設(shè)L1，L2為第一晶體晶面及第二晶體晶面的長度，K為第二晶體晶面中點(diǎn)到滑臺(tái)基座中線的距離，w為入射束線的垂直寬度，θ為入射角，如圖3所示。θmax及θmin為入射角的最大及最小值，它們分別對(duì)應(yīng)單色器光子能量掃描范圍的上下限值，當(dāng)衍射晶面確定后，由布拉格定律計(jì)算得到，根據(jù)確定的w，θmin，即可得第一晶最小長度L1min=AA′‾≥wsinθmin]]>確定了第一晶長度L1，即得到出束高度H最小取值Hmin≥12·L1·Sinθmax+12·w]]>出束高度H確定后，h即確定，h＝H/2，繼而得出第二晶長度L2L2=BB′‾+12(AAmax′‾+AAmin′‾)]]>其中第二晶著光點(diǎn)滑動(dòng)范BB′‾=h·(1Sinθmin-1Sinθmax)]]>圍束寬補(bǔ)償量AAmin‾=wsinθmin;AAmax‾=wsinθmax]]>二晶中點(diǎn)距滑臺(tái)中心線距離K=h2(1sinθmin+1sinθmax)+w4(1sinθmin-1sinθmax)]]>根據(jù)以上公式，單色器的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全確定。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)1)T機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，與精密轉(zhuǎn)角臺(tái)相結(jié)合即構(gòu)成固定出口雙晶單色器；2)僅需要一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)單色器多維運(yùn)動(dòng)；3)與流行固定出口雙晶單色器比較，本設(shè)計(jì)主要指標(biāo)均達(dá)到國際水平，突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，造價(jià)低廉。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于同步輻射固定出口雙晶單色器的T裝置，其特征在于，采用一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡稱T機(jī)構(gòu)，與精密轉(zhuǎn)角臺(tái)相結(jié)合，使得晶體布拉格角改變時(shí)，通過T機(jī)構(gòu)按特定規(guī)律調(diào)節(jié)晶體晶面之間的距離，保持出束光垂直位置恒定，包括精密轉(zhuǎn)臺(tái)的基座；精密轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)做精確定位轉(zhuǎn)動(dòng)；第一晶體的固定座，剛性固定于轉(zhuǎn)盤上，它起到固定第一晶體的作用，使第一晶體晶面垂直于轉(zhuǎn)盤且轉(zhuǎn)盤軸線通過晶面中線；第一晶體；一直線滑臺(tái)的滑塊；直線滑臺(tái)的基座，滑臺(tái)中線與第一晶體法線重合，固定于轉(zhuǎn)盤上，則滑臺(tái)滑塊可沿第一晶體法線自由滑動(dòng)；一個(gè)小滑輪，固定于滑臺(tái)滑塊上，其軸心在滑臺(tái)中線上，滑輪外沿與第二晶晶面相切；第二晶體的固定座，剛性固定于滑臺(tái)滑塊上，使第二晶體晶面垂直于轉(zhuǎn)盤；第二晶體；剛性固定于滑臺(tái)基座上的滑道，滑道面保持水平；受滑塊及其上固定部件的重力作用，固定于滑臺(tái)滑塊上的滑輪外沿與滑道面保持緊密接觸。
2.一種應(yīng)用于同步輻射固定出口雙晶單色器的T裝置的方法，布拉格角改變時(shí)，通過T機(jī)構(gòu)按特定規(guī)律調(diào)節(jié)晶體晶面之間的距離，保持出束光垂直位置恒定，其步驟如下1)入射角θ改變時(shí)，BB’保持與AA’平行，以O(shè)為原點(diǎn)，與AA’同步轉(zhuǎn)動(dòng)；2)BB’具有沿ON方向(AA’法線方向)平動(dòng)的自由度；3)θ角改變時(shí)，鏡面BB’延長線與ON交點(diǎn)P保持被約束在線段CC’上；滿足以上約束，出射束與入射束線間距離H可表達(dá)為H-OD‾·Sin2θ=OP‾Sinθ·Sin2θ=hCosθ·Sinθ·Sin2θ=2h]]>上式表明當(dāng)入射光線入射角θ改變時(shí)，如果滿足對(duì)鏡面BB’的約束，則出射束與入射束線間距離H為恒定值2h，而與入射角θ值無關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的應(yīng)用于同步輻射固定出口雙晶單色器的T裝置的方法，其特征在于，基于上述T機(jī)構(gòu)固定出口雙晶單色器，其中各部件參數(shù)設(shè)計(jì)原則如下設(shè)L1，L2為第一晶體晶面及第二晶體晶面的長度，K為第二晶體晶面中點(diǎn)到滑臺(tái)基座中線的距離，w為入射束線的垂直寬度，θ為入射角，θmax及θmin為入射角的最大及最小值，它們分別對(duì)應(yīng)單色器光子能量掃描范圍的上下限值，當(dāng)衍射晶面確定后，由布拉格定律計(jì)算得到，根據(jù)確定的w，θmin，即可得第一晶最小長度L1min=AA′‾≥Wsinθmin]]>確定了第一晶長度L1，即得到出束高度H最小取值Hmin≥12·L1·Sinθmax+12·w]]>出束高度H確定后，h即確定，h＝H/2，繼而得出第二晶長度L2L2=BB′‾+12(AAmax′‾+AAmin′‾)]]>其中第二晶著光點(diǎn)滑動(dòng)范BB′‾=h·(1Sinθmin-1Sinθmax)]]>圍束寬補(bǔ)償量AAmin‾=wsinθmin;AAmax‾=wsinθmax]]>二晶中點(diǎn)距滑臺(tái)中心線距離K=h2(1Sinθmin+1Sinθmax)+w4(1Sinθmin-1Sinθmax)]]>
全文摘要
本發(fā)明涉及一種同步輻射技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于同步輻射固定出口雙晶單色器的T裝置及方法。裝置包括精密轉(zhuǎn)臺(tái)的基座；精密轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤；第一晶體的固定座；第一晶體；一直線滑臺(tái)的滑塊；直線滑臺(tái)的基座；一個(gè)小滑輪；第二晶體的固定座；第二晶體；受滑塊。方法包括1)入射角θ改變時(shí)，反射鏡面BB’保持與反射鏡面AA’平行；2)反射鏡面BB’具有沿ON方向平動(dòng)的自由度；3)θ角改變時(shí)，反射鏡面BB’延長線與ON交點(diǎn)P保持被約束在線段CC’上。
文檔編號(hào)H05G2/00GK1763866SQ20041008380
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2004年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月18日
發(fā)明者閻永廉, 謝亞寧, 胡天斗, 劉濤, 鄭紅衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院高能物理研究所