专利名称：同步辐射x射线多层膜综合偏振测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及同步辐射技术领域，特别是一种同步辐射x射线多层膜综合偏振测量装置。
技术背景1808年马吕斯发现了光的偏振现象，通过深入研究，证明了光波是 横波，使人们进一步认识了光的本性。为充分利用光的偏振特性，各种 偏振光学元件的应运而生，也促进了偏振光应用技术的发展。偏振特性 是同步辐射光源优异特性之一，国际上利用同步辐射X射线偏振特性在 生物、化学、物理、材料科学以及计量科学等领域开展了广泛的研究。 近年来，测量不同材料(尤其是磁性和生命物质)对入射软X射线偏振 光强度和偏振状态的变化已成为越来越多同步辐射中心研究的热点。在 这些研究中，精确测定入射软X射线的偏振状态显得极其重要。而且在 软X射线光学元件性能测量过程中，无法确定光源的偏振特性将造成测 试结果很大的偏差。因此，全面研究软X射线偏振元件及测试方法必将 为我国开展相应波段的偏振光学研究，测量同步辐射偏振特性及其在信 息、电子、材料等学科中的应用具有重要科学意义和应用价值。为了完全确定光的偏振态，需要两个元件， 一个是有一定相移的起 偏器，能够把入射光的两个电矢量分开；另一个是检偏器，抑制入射光中一个分量而选取另一个线偏振分量通过。对入射光做全偏振分析，需 要两个光学元件分别绕着光轴独立旋转并记录光强。根据^光和P光的 透射和反射关系对强度曲线进行拟合然后确定入射光的偏振态。值得注意的是，在极紫外和软X射线波段，任何物质的折射率(实 部)趋近于1，物质对于光的吸收强烈，不存在透明物质，因而，在其他 能量范围内可以使用的偏振元件无法在该能区使用。由于多层膜相干加 强的结构，在软X光能区通常选择多层膜作为偏振元件。目前国际上的已经建立的软X光能区的偏振装置有反射起偏反射 检偏(双反)，透射起偏透射检偏(双透)，透射起偏反射检偏(前透后 反)等几种结构。每一种类型的偏振装置都有其自身的优势和不足。图l给出的是一个双反偏振装置图。反射式起偏器在设计和加工工艺 上已经日趋成熟，可以得到很高的反射率以及很好的偏振性质；实验时， 使用反射式起偏器可以得到较强的信号，这样，仪器的噪声对实验结果的影响较小；但在实验过程中需要改变光的传播方向，仪器的安装调试与实验时都存在一定困难。现有技术一个双透偏振装置图。其优势在于应用该装置不改变光束 传播方向，光路相对简单。可以提供一种由线偏振光到圆偏振光相互转化的方便有效的途经，并且加入其他应用元件相对容易。但是，在软x能区，要得到透射率较高的偏振元件，在工艺上还有待进一步提高，而 且透射元件的偏振性能相对反射元件较差。现有技术前透后反偏振装置图。采用透射式起偏器，不改变光束传 播方向，光路相对简单，调节相对容易。而且透射元件做相移片更加合适，可以提供一种由线偏振光到圆偏振光相互转化的方便有效的途经。 众所周知，在对于偏振光的检测中，检偏器的偏振性质直接影响到检测 的精度。由于反射式偏振元件的偏振性质优于透射偏振元件，因而，采 用反射元件作为检偏器，可以更好的对入射光的性质进行检测。但是， 反射偏振元件改变光路的传播方向，检测的难点在于，需要调节测量装 置的转轴与光轴共线。发明内容本发明考虑到国际上其他偏振装置存在的不足，为了充分发挥各种 工作模式的优势，避免相应的不利因素，考虑到反射式与透射式偏振元 件的特点，为了充分发挥不同偏振元件和各类装置的优势，本发明公开 了一种同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置。 为了达到上述目的，本发明的技术方案是一种同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置，包括真空腔体、偏 振测量装置主体、真空系统、数据获取和控制系统；其测量装置采用两 维方位角旋转机构与双重二倍角复合机构集于一体，把四种工作模式，即双反，双透，前反后透和前透后反模式综合到同一个测量装置上；圆柱形真空腔体，在径向前后相对开有两个法兰口，前法兰安装有磁流体密封装置，后法兰用盲板密封；腔体外壁与整体旋转装置动连接， 整体旋转装置包括磁流体密封件和涡轮蜗杆，蜗杆与手动转柄相连，旋 转手动转柄即带动超高真空腔体绕入射光轴旋转，入射光由前法兰口射 入；腔体内中心底部有一水平底板；偏振测量装置主体位于腔体内，固接于水平底板上；偏振测量装置 主体包括微动准直平台，束流探测器，起偏装置，随动摇臂，样品架， 检偏装置，主探测器；其中直角"Z"形微动准直平台底面与水平底板 动连接，上平台作为准直平台，下平面与水平底板连接，微动准直平台 上固接有准直管、束流探测器和起偏器安装在水平底板上；随动摇臂与 起偏器的转轴同轴安装，摇臂是一个n形支架，在支架平面中心的是一 个通孔，在它的平面上安装的是中心有一个通孔涡轮，涡轮上面安装检 偏平台，检偏平台包括检偏器和主探测器及驱动系统，检偏平台含有一 个n形支架，其平面处与涡轮固连，连接处中心有一通孔；而且，摇臂、 涡轮和检偏平台的通孔孔径相同，中心在一条直线上；摇臂的大n形支 架的两侧臂向下，其两端头分别与起偏器的转轴绞接，绞接处设有转轴； 起偏装置包括起偏器和驱动系统，起偏器位于转轴中部，在通孔下方， 转轴一端设有驱动系统，驱动系统与随动摇臂固连；检偏平台上的n形 支架的两侧臂向上，两侧臂端部设有转轴，检偏器位于转轴中部，在通 孔上方，转轴一端有一「形探测器支架，支架内端固接有主探测器；通 孔下方固设有样品架，样品架通过两侧的转轴与样品支撑架绞接，样品 架位于起偏器和检偏器之间，设有驱动系统；准直管、束流探测器、起偏器、样品架、检偏器、主探测器在入射 光光路上顺序排列；两维方位角旋转机构包括起偏器和检偏器的方位角旋转，起偏器 的方位角转动结构由磁流体密封装置、腔体和涡轮蜗杆组成，旋转与蜗 杆相连接的手轮，实现起偏器的方位角绕着入射光光轴旋转；检偏器方位角的旋转是由电机驱动涡轮带动整个检偏平台绕着经过起偏器后出射 光的光轴旋转来实现的，当检偏平台旋转时，带动检偏平台上的检偏器 和探测器都一起旋转；双重二倍角复合机构起偏器的掠入射角(^)和随动摇臂的转角 ^构成第一个二倍角复合机构，其中，A二2&，即，起偏器的掠入射角 旋转 角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，以及安装在检偏平台上 的检偏器和探测器系统作为一个整体一起旋转2^角；第二个二倍角复合 机构由检偏器的掠入射角^和探测器转角^构成，其中，^二2^;而且， 各个角度既实行二倍角联动，也可独立旋转。所述的综合偏振测量装置，其所述四种工作模式综合到同一个测量 装置上，即双反，双透，前反后透和前透后反模式，它们的实现过程如 下a、 双反模式当起偏器和检偏器都采用反射式元件时，采用双反模 式偏振测量装置的两个二倍角关系要同时满足，即，起偏器的掠入射角 旋转6^角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台、包括检偏平台上的检偏器和探测器作为一个整体一起旋转2&角，确保摇臂上的检偏器能够接收 到从起偏器反射的光；而且检偏器的掠入射角A和探测器转角&也满足 ^二2^关系进行测量；b、 双透模式起偏器和检偏器都采用透射式元件时，此时测量主体 的两个二倍角关系解除，各个角度独立旋转；起偏器的掠入射角旋转^角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，检偏器和探测器系统作为一个整体一起保持角度为0。角，确保摇臂上的检偏器能够接收到从起偏器透射的光；而检偏器的掠入射角转动到^角，则探测器转角&保持在0。角，接收从检偏器出射的光；C、前反后透模式起偏器采用反射式元件而检偏器采用透射式元件 时，此时偏振测量装置只需要满足起偏器的二倍角关系，g卩，起偏器的 掠入射角旋转&角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，检偏器和探测 器系统作为一个整体一起旋转2^角，确保摇臂上的检偏器能够接收到从 起偏器反射的光；而检偏器的掠入射角转动到^角，则探测器转角&保 持在0。角，接收从检偏器出射光；d、前透后反模式起偏器采用透射式元件而检偏器采用反射式元件 时，偏振测量装置只需要满足检偏器的二倍角关系，即，起偏器的掠入 射角旋转^角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，检偏器和探测器系 统作为一个整体一起保持在0。角，使得检偏器接收从起偏器P透射的光； 而检偏器的掠入射角转动到^角，则探测器转角^满足^二2^的二倍角 关系进行测量，探测器能够接收到信号。所述的综合偏振测量装置，其所述起偏装置，包括起偏器掠入射角转动&和方位角"转动系统；检偏装置，包括检偏器掠入射角^与方位角 P的转动系统；随动摇臂，与样品架和检偏平台的驱动系统动连接。所述的综合偏振测量装置，其所述微动准直平台在驱动系统电机的 驱动下，分别沿着x、 y方向移动，范围是士15mm，精度为2.8微米。所述的综合偏振测量装置，其所述束流探测器，为一光电二极管， 作为在线束流监测探测器，位于准直管后，在驱动系统电机驱动下移进 或移出光路。所述的综合偏振测量装置，其所述主探测器，是用微通道板作为该 装置的主探测器，与检偏器掠入射角构成二倍角关系。所述的综合偏振测量装置，其测量装置还包括八维电动和二维手动 控制系统，其中，八维电动系统包括准直平台的x和y方向的运动、10 束流监测探测器的转动、起偏器角度的转动、随动摇臂角度的转动、检 偏器方位角的转动、检偏器角度的转动和主探测器的角度转动，全部由 步进电机在超高真空腔体内通过外部控制系统实现；二维手动控制系统 包括用手动调节的样品架的转动和起偏器的方位角旋转，其中起偏器 的方位角旋转是通过手动旋转固定在蜗杆上的手轮，带动涡轮蜗杆的旋 转，从而实现带动起偏器的方位角旋转。所述的综合偏振测量装置，其所述数据获取和控制系统，由计算机，步进电机控制卡、驱动器及弱电流放大器组成，利用可编程软件LabV正W的集成开发环境，交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数，为仪器 控制、数据采集和过程监控提供一个较为完备的软件开发环境和搭载平台。本发明装置适合在软x能区使用，是多功能通用八维电动两维手动 高真空综合偏振装置，实现如下目的1. 提供一个性价比相对较高且结构紧凑的偏振测量装置。2. 提供一个功能强大的集元件偏振特性测试，束线偏振态测量、诊断、分析与偏振光应用于一体的装置。3. 本装置集四种工作模式于一体，可以实现四种工作模式的自由转换。不仅可以用来作为偏振特性的测量，还可以作为各种类型的光学元件的光学性质的检测装置使用。本发明的同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置同其它的偏振装 置相比，关键特点是四种工作模式综合到同一个测量装置上，具有双反， 双透，前反后透和前透后反(起偏器是反射，检偏器是透射的)模式。由于在同一个装置上可以实现四种模式，因而，可以根据不同的元 件，发挥其优势，选择最适合的模式进行实验，所以可以不受仪器的限 制，充分发挥不同元件的优越性，完善相关的检测，获得更加完善的结 果，因而具有重要意义。本发明研制的偏振装置，与目前国际上同步辐射光束线上已有的偏 振装置相比，突出特点是四种模式集于一体，可以根据检测需要在一台 仪器上选择不同的工作模式，完成反射或者透射偏振元件测试；整个装置结构紧凑；便于安装调试。
图l，是现有的一个双反偏振装置示意图； 图2，偏振装置光路原理图(双反射模式)；图3，为本发明的同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置结构示意图。
具体实施方式
通过广泛的调研，参考国际上己有的同步辐射偏振装置，本发明建造 了一套同步辐射软X射线多功能高真空综合偏振测量装置。该装置同其 它国际上已有的偏振装置相比，其突出特点是，集四种工作模式于一体， 即在该装置上可以分别采用双反、双透、前反后透和前透后反四种工作 模式，这在国际上尚属首例。可用于光束线偏振特性测量、偏振光学元 件测试及偏振光应用等，也可作为多功能通用反射率计使用。下面简单介绍技术原理。a. 多层膜偏振元件的工作原理在极紫外和软X射线波段，任何物质的折射率(实部)都接近1， 并且小于l，物质对于光的吸收强烈，不存在透明物质，因而，在其他能 量范围内可以作为偏振元件的材料无法在该能区使用。在该能区， 一般 选择多层膜作为偏振元件。多层膜偏振光学元件是利用多层膜对S偏振 和尸偏振光的不同反射(透过)率实现的。除在正入射和掠入射条件下， 多层膜对S偏振和户偏振反射(透过)率都不相同。在布儒斯特角附近 入射的^光和尸光的反射(透过)率的比值可以达到极值；在给定能量 条件下，尸偏振反射率(透过率)最小(大)和尸偏振反射率(透过率) 与S偏振反射率(透过率)比值最小(大)为来优化偏振元件。此时对 应的角度称为准布儒斯特角。准布儒斯特角作为多层膜偏振元件的工作 的入射角。本发明偏振测量装置的主体及其工作模式偏振测量装置的主体包括起偏器和检偏器方位角分别独立旋转的同 时，还包括起偏器掠入射角与摇臂的转动，检偏器掠入射角和探测器的转动，这四维转动既可以实现两个二倍角联动的关系，也可以根据需要 进行独立转动。 .该偏振装置可以实现四种模式的转换。当采用双反模式时，起偏器和检偏器方位角分别独立旋转的同时， 还存在两个二倍角关系，其中起偏器的掠入射角(^)和随动摇臂(包 括样品架和检偏平台，而且检偏平台上安装有检偏器和探测器系统)的 转角^ (^=2&)构成第一个二倍角关系，即，起偏器的掠入射角旋转 ^角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，检偏器和探测器系统等作为 一个整体一起旋转2^角。另一个二倍角复合机构由检偏器的掠入射角 (A)和探测器转角^ (&二2A)构成。当采用前反后透模式时，起偏器的掠入射角(&)和随动摇臂的二 倍角关系保留，而检偏器和探测器的联动解除，即，检偏器的掠入射角旋转到^角，而探测器保持在oM立置。当采用前透后反模式时，而起偏器和摇臂的联动解除，即，起偏器 的掠入射角旋转到^角，而摇臂保持在0°位置；第二个二倍角关系(检 偏器和探测器的联动)保持，即检偏器的掠入射角(A)和探测器转角& (&=2^)构成二倍角联动。当采用双透模式时，各维运动独立旋转，g卩，当起偏器的掠入射角旋转&角，随动摇臂保持在0°，而另外的二倍角关系中，检偏器的掠入射角旋转A角，而探测器保持在o。位置。对于每种模式有四个扫描方式，分别是能量扫描(I-E)， 二倍角扫描(I-。，起偏器方位角扫描(I-a)，检偏器方位角扫描(I-"。(1)能量扫描(I-E)，固定入射光角度，起偏器方位角分别置于"=0° 和90。时，扫描单色器能量，测量S和P偏振分量随着能量变化的光强 曲线。找到符合偏振元件优化的最佳能量。(2) 二倍角扫描(I-^)，固定入射光能量，当起偏器方位角"二0。和 90。时，分别测量S和P偏振分量的随着掠入射角变化时的光强度曲线，光强分别记为/,s和/,p。其中/,s和/,s比值均为极值所对应的角度为该 偏振元件的准布儒斯特角4S 。(3) 起偏器方位角扫描(I-a)，固定入射光能量，起偏器置于准布儒 斯特角位置0^，测量光强随着起偏器方位角"变化曲线。(4) 检偏器方位角扫描(I-y9)，固定入射光能量，起偏器和检偏器分别置于准布儒斯特角位置，测量光强随着检偏器方位角/ 变化曲线。b. 探测器的选择在软X射线偏振测量中，输出的信号一般10—12 10一9八量级，硅光二极管是经常使用的探测器之一，但不具有放大功能，而且对于偏振光 较为敏感。微通道板是一种先进的具有传输功能的电子倍增器，具有体 积小、重量轻、分辨力好、增益高、噪声低、使用电压低等优点，而且对于偏振不敏感。软x能段的检测要求在真空条件下进行，仪器腔体体积有限。选择使用的MCP微通道板探测器输出的信号经弱电流放大器直 接引入计算机，检测探测的信号约10—12 10—9八量级，噪声信号l0—"A， 满足检测要求，所以选择微通道板作为主探测器。实施例本发明的同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置光路原理图(双反射模式)如图2所示，同步辐射X射线光源SR经过准直管3照射在起 偏器5上，经过起偏后的光，入射到检偏器9上，再经检偏器9反射后， 光线被探测器10接收并探测信号。参阅图3，为本发明的同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置结 构示意图，装置主要包括超高真空腔体的整体旋转装置、偏振测量装置 主体、真空系统、数据获取和控制系统。其中腔体l、磁流体密封装置 2、高精度微动准直管3、 1。探测器4、起偏器5、随动摇臂6、样品架7、 检偏平台8、检偏器9、主探测器IO。超高真空腔体1，前后相对开两个法兰口；前法兰安装有磁流体密 封装置2，后法兰用盲板密封，并安装有涡轮蜗杆；蜗杆与手动转柄相连， 旋转手动转柄；整体旋转装置由磁流体密封件和涡轮蜗杆构成，带动超 高真空室整体绕光轴旋转，以改变起偏器的方位角；高精度微动准直系统准直管3安装在高精度微动准直平台上，位 于腔体转动的轴线上，准直平台在电机的驱动下，分别沿着x、 y方向移 动，根据需要更换不同孔径的准直管；同步辐射X射线多层膜偏振测量装置主体，由束流监测探测器4、 起偏器5、随动摇臂6、样品架7、检偏器9、探测器10及检偏器方位角 P旋转机构等组成，测量装置的主体位于超高真空腔体1内。偏振测量 装置主体由两台Bragg衍射仪构成双重二倍角复合机构，第一衍射仪由多层膜起偏器5的掠入射角(^)和随动摇臂6的转角^ (&=2 ，包 括样品架7和检偏器9以及探测器10都固定在摇臂6上面)组成；第二衍射仪由检偏器9的掠入射角(A)和探测器10转角^ (0。=2^)构 成。起偏装置包括电机驱动起偏器5入射角转动，手动旋转手轮带动涡 轮蜗杆驱动起偏器5绕着入射光的光轴旋转，实现方位角转动；检偏装 置包括电机驱动检偏器9入射角与方位角转动。检偏器9方位角的转动 是由电机在真空腔体1外控制腔体1内的转动，实现检偏器9绕着从起偏 器5出射光的光轴旋转。数据获取和控制系统，由计算机，步进电机控制卡、驱动器及弱电 流放大器组成，利用LabVIEW的集成开发环境，交互式编程方法、函数 面板和丰富的库函数，为仪器控制、数据采集和过程监控提供一个较为 完备的软件开发环境和搭载平台。下面介绍各部件功能与相关参数。1. 真空腔体l的旋转机构真空腔体1与光束线采用磁流体密封装 置2连接，确保腔体1与束线连接后可以自由旋转；后法兰用盲板密封， 并安装有涡轮蜗杆；蜗杆与手动转柄相连，旋转手动转柄，腔体1以前 后法兰中心为轴线旋转。旋转范围-180° +180°，最小转角间隔为0.1。。 当调节腔体1的转轴与束线光轴共线之后，腔体1绕入射光线旋转，确 定起偏器5方位角"的旋转。2. 高精度微动准直系统准直管3安装在高精度微动准直平台上，该平台在电机的驱动下可以分别沿着x、 y方向移动，范围是i20mm， 精度可达2.8微米，并且可以根据需要更换不同孔径的准直管3。3. /。探测器4:用一个AUX—100G型光电二极管作为在线束流监测探测器4，安装在准直管3后，在电机驱动下移进或移出光路。4. 起偏器5的掠入射角^的转动根据需要起偏器5可以选择反射 或透射型偏振元件。起偏器5的掠入射角^旋转，采用步距角为1.8。的 步进电机驱动涡轮蜗杆，带动起偏器5绕样品中心轴(X轴)转动，旋 转范围0° 90°，涡轮蜗杆的速比为1: 120，六级精度，起偏器5的最 小转角间隔为1.8°/120=0.015°。5. 随动摇臂6:随动摇臂6与起偏器5的掠入射角的转轴在同一条 线上，二者可以做二倍角联动旋转，也可以独立旋转。起偏器5有透射 和反射两种模式工作；当起偏器5采用反射模式，起偏器5掠入射角为 《J寸，随动摇臂6 (摇臂上固定有样品架7和检偏平台，检偏平台包括检 偏器9和探测器10系统)的转动角度^必须满足A二2^的二倍角关系， 即摇臂6绕起偏器5入射角中心轴转过2&的角度；当起偏器5采用透射 模式时，摇臂6转动的角度为&二0。。在满足负载力矩的条件下，选择 步距角1.8。的步进电机驱动涡轮蜗杆，带动随动摇臂6的旋转，摇臂6 的转角范围0。一140°，涡轮蜗杆的速比为1: 60，六级精度，随动摇臂 6的最小转角间隔为1.8°/60=0.03°。6. 样品架7:在光路中，样品架7固定在检偏平台8的前端，可放 置样品的最大直径40mm;样品架7可以手动旋转手轮确定样品的掠入射 角。当确定好样品平面的入射角之后，将调节角度的手轮锁住，保证在 摇臂转动时样品的掠入射角度不变。样品架7的转动范围为0。一卯。， 精度O. 1°。7. 检偏器9方位角y5的转动检偏平台包括检偏器9和探测器10 系统，固定在随动摇臂6上，在电机的驱动下，由涡轮蜗杆带动整个检 偏平台绕光轴旋转，(该光轴是经过起偏器5后出射光的光轴，)转角为检偏器9的方位角/ ，转角范围一180。一190。，采用步距角1.8°的步 进电机，涡轮蜗杆的速比1: 180,六级精度，检偏器9方位角的角分辨率 为1.8°/180=0.01。；8. 检偏器9掠入射角^的转动安装检偏元件的架子固定在检偏平台上，检偏器9绕元件中心轴转动，确定检偏器9掠入射角A，转动范围0。一90。；速比1: 90,六级精度，检偏器9方位角的角分辨率为1,8°/90=0.02。。9. 探测器10转动的角度&:探测器10与检偏器9的掠入射角的 转轴在同一条轴线上；固定在检偏平台上，与检偏器9的掠入射角一起 既可以构成二倍角联动也可以独立旋转，即，当检偏器9为反射元件时， 转过^角时，探测器10绕检偏元件中心轴转过&二2&角(检偏器9掠 入射角^与探测器10转动的角度&成二倍角关系)，而当检偏器9为透 射元件时，当^旋转时，^保持在0°; ^由步进电机驱动涡轮蜗杆使探 测器10转动，转动范围0。一140。；涡轮蜗杆的速比1: 45，六级精度， 探测器10的最小转角间隔为1.8°/45=0.04°;而且探测器10能够在平面 内平行移动士3mm ，确保光斑能够被探测器10接收到。10. 控制系统的软硬件研制针对偏振装置的特点和检测要求，研制了一套基于LabView编程方法实现的系统控制和数据获取的计算机控 制软件系统，该系统操作方便、功能强大，界面简便，操作简便，数据自动记录到指定目录下。控制系统的硬件采用步进电机驱动器加上运动控制卡完成；偏振装置有八个轴的运动是电机驱动的，采用M420型驱 动器控制电机。运动控制采用DMC1000型PCI总线运动控制卡， 一块卡 可控制l一4轴步进电机，最大脉冲输出频率为400KHz，其优点是可以 进行运动中的实时变速，可以进行圆弧和直线插补运动以实现多轴同时 启动和同时停止。这对于偏振装置的多轴同时运动具有很重要的实际意义。控制系统可以实现的功能①单轴扫描八个电机的单轴运动；② 二倍角随动起偏器和摇臂，检偏器和探测器都可以实现二倍角联动进 行检测；③四轴运动起偏器，摇臂，检偏器和探测器的随动与联动。通过这套控制系统实现在外部控制真空环境中的各种运动功能。11.弱信号测量和数据采集系统软X能区的检测要求在高真空条 件下使用，偏振装置的腔体体积有限，检测探测的信号极弱，对于偏振特性测量的检测，输出信号的电流均低于io-'2A。因而需要体积小而且具 有放大功能的探测器来探测弱信号。微通道板(MCP)具有增益高，一 片单独使用增益可达103 —104 ，两片呈V形叠加使用增益可达107 一108;空间分辨本领强；体积小，重量轻；分辨力好；噪声低，在10一16八量级；符合检测对于探测器的要求，所以选择微通道板作为偏振装置的 主探测器。信号经低噪声电缆和银芯导线引出由电流计6517 (Keithley， USA)放大后输入计算机。
权利要求
1. 一种同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置，包括真空腔体、偏振测量装置主体、真空系统、数据获取和控制系统；其特征在于，该测量装置采用两维方位角旋转机构与双重二倍角复合机构集于一体，把四种工作模式，即双反，双透，前反后透和前透后反模式综合到同一个测量装置上；圆柱形真空腔体，在径向前后相对开有两个法兰口，前法兰安装有磁流体密封装置，后法兰用盲板密封；腔体外壁与整体旋转装置动连接，整体旋转装置包括磁流体密封件和涡轮蜗杆，蜗杆与手动转柄相连，旋转手动转柄即带动超高真空腔体绕入射光轴旋转，入射光由前法兰口射入；腔体内中心底部有一水平底板；偏振测量装置主体位于腔体内，固接于水平底板上；偏振测量装置主体包括高精度微动准直平台，束流探测器，起偏装置，随动摇臂，样品架，检偏装置，主探测器；其中直角Z形微动准直平台底面与水平底板连接，上平台作为准直平台，下平面与水平底板连接，微动准直平台上固接有准直管，束流探测器和起偏器安装在水平底板上；随动摇臂与起偏器的转轴同轴安装，摇臂是一个∏形支架，在支架的中心是一个通孔，在它的平面上安装的是中心有一个通孔的涡轮，涡轮上面安装检偏平台，检偏平台包括检偏器和主探测器及驱动系统，检偏平台含有一个∏形支架，其平面处与涡轮连接，中心有一通孔，而且，摇臂、涡轮和检偏平台的通孔孔径相同，中心在一条直线上；摇臂的大∏形支架的<pb pnum="1"/>两侧臂向下，其两端头分别与起偏器的转轴绞接，绞接处设有转轴；起偏装置包括起偏器和驱动系统，起偏器位于转轴中部，在通孔下方，转轴一端设有驱动系统，驱动系统与随动摇臂固连；检偏平台∏形支架的两侧臂向上，两侧臂端部设有转轴，检偏器位于转轴中部，在通孔上方，通孔和检偏器中心在一条直线上，转轴一端有一Г形探测器支架，支架内端固接有主探测器；通孔下方固设有样品架，样品架通过两侧的转轴与样品支撑架绞接，样品架位于起偏器和检偏器之间；准直管、束流探测器、起偏器、样品架、检偏器、主探测器在入射光光路上顺序排列；两维方位角旋转机构包括起偏器和检偏器的方位角旋转，起偏器的方位角转动结构由磁流体密封装置、腔体和涡轮蜗杆组成，旋转与蜗杆相连接的手轮，实现起偏器的方位角绕着入射光光轴旋转；检偏器方位角的旋转是由电机驱动涡轮带动整个检偏平台绕着经过起偏器后出射光的光轴旋转来实现的，当检偏平台旋转时，带动检偏平台上的检偏器和探测器都一起旋转；双重二倍角复合机构起偏器的掠入射角(θP)和随动摇臂的转角θR构成第一个二倍角复合机构，其中，θR＝2θP，即，起偏器的掠入射角旋转θP角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，以及安装在检偏平台上的检偏器和探测器系统作为一个整体一起旋转2θP角；第二个二倍角复合机构由检偏器的掠入射角θA和探测器转角θD构成，其中，θD＝2PA；而且，各个角度既实行二倍角联动，也可独立旋转。
2、如权利要求1所述的综合偏振测量装置，其特征在于，所述四种工作模式综合到同一个测量装置上，即双反，双透，前反后透和前透后 反模式，它们的实现过程如下a、 双反模式当起偏器和检偏器都采用反射式元件时，采用双反模 式偏振测量装置的两个二倍角关系要同时满足，即，起偏器的掠入射角 旋转&角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台、包括检偏平台上的检偏 器和探测器作为一个整体一起旋转2^角，确保摇臂上的检偏器能够接收 到从起偏器反射的光；而且检偏器的掠入射角^和探测器转角^也满足&=2^关系进行测量；b、 双透模式起偏器和检偏器都采用透射式元件时，此时测量主体的两个二倍角关系解除，各个角度独立旋转；起偏器的掠入射角旋转^角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，检偏器和探测器系统作为一个整体一起保持角度为0。角，确保摇臂上的检偏器能够接收到从起偏器透 射的光；而检偏器的掠入射角转动到A角，则探测器转角&保持在0。角， 接收从检偏器出射的光；C、前反后透模式起偏器采用反射式元件而检偏器采用透射式元件时，此时偏振测量装置只需要满足起偏器的二倍角关系，即，起偏器的 掠入射角旋转^角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，检偏器和探测器系统作为一个整体一起旋转2&角，确保摇臂上的检偏器能够接收到从 起偏器反射的光；而检偏器的掠入射角转动到A角，则探测器转角&保 持在0。角，接收从检偏器出射光；d、前透后反模式起偏器采用透射式元件而检偏器采用反射式元件时，偏振测量装置只需要满足检偏器的二倍角关系，即，起偏器的掠入 射角旋转^角，则随动摇臂带动样品架和检偏平台，检偏器和探测器系 统作为一个整体一起保持在0。角，使得检偏器接收从起偏器P透射的光; 而检偏器的掠入射角转动到^角，则探测器转角^满足^=2^的二倍角 关系进行测量，探测器能够接收到信号。
3、 如权利要求1所述的综合偏振测量装置，其特征在于，所述起偏 装置，包括起偏器掠入射角转动^和方位角"转动系统；检偏装置，包括 检偏器掠入射角A与方位角/ 的转动系统；随动摇臂，与样品架和检偏平台的驱动系统动连接。
4、 如权利要求1所述的综合偏振测量装置，其特征在于，所述微动 准直平台在驱动系统电机的驱动下，分别沿着x、 y方向移动，范围是± 15mm，精度为2.8微米。
5、 如权利要求1所述的综合偏振测量装置，其特征在于，所述束流 探测器，为一光电二极管，作为在线束流监测探测器，位于准直管后， 在驱动系统电机驱动下移进或移出光路。
6、 如权利要求1所述的综合偏振测量装置，其特征在于，所述主探 测器，是用微通道板作为该装置的主探测器，与检偏器掠入射角构成二 倍角关系。
7、 如权利要求1所述的综合偏振测量装置，其特征在于，该测量装 置还包括八维电动和二维手动控制系统，其中，八维电动系统包括准 直平台的x和y方向的运动、1。束流监测探测器的转动、起偏器角度的转 动、随动摇臂角度的转动、检偏器方位角的转动、检偏器角度的转动和主探测器的角度转动，全部由步进电机在超高真空腔体内通过外部控制 系统实现；二维手动控制系统包括用手动调节的样品架的转动和起偏 器的方位角旋转，其中起偏器的方位角旋转是通过手动旋转固定在蜗杆 上的手轮，带动涡轮蜗杆的旋转，从而实现带动起偏器的方位角旋转。
8、如权利要求1所述的综合偏振测量装置，其特征在于，所述数据 获取和控制系统，由计算机，步进电机控制卡、驱动器及弱电流放大器组成，利用可编程软件LabV正W的集成开发环境，交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数，为仪器控制、数据采集和过程监控提供一个较 为完备的软件开发环境和搭载平台。
全文摘要
一种同步辐射X射线多层膜综合偏振测量装置，涉及同步辐射技术，包括真空腔体、偏振测量装置主体、真空系统、数据获取和控制系统；该测量装置采用两维方位角旋转机构与双重二倍角复合机构集于一体，把四种工作模式，即双反，双透，前反后透和前透后反模式综合到同一个测量装置上。本发明的偏振装置，与目前国际上同步辐射光束线上已有的偏振装置相比，突出特点是四种模式集于一体，可以根据检测需要在一台仪器上选择不同的工作模式，完成反射或者透射偏振元件测试；整个装置结构紧凑；便于安装调试。
文档编号G01J4/00GK101271024SQ20071006459
公开日2008年9月24日 申请日期2007年3月21日 优先权日2007年3月21日
发明者孙立娟, 崔明启, 杰 朱, 松 薛 申请人:中国科学院高能物理研究所