近日,中科院高能所自主研制的球面彎曲分析晶體取得突破性進(jìn)展,助力高能同步輻射光源(HEPS)高能量分辨譜學(xué)線站建設(shè)。
針對(duì)國內(nèi)高壓科學(xué)、能源材料等多學(xué)科的學(xué)科優(yōu)勢(shì),為滿足廣大用戶需求,HEPS高能量分辨譜學(xué)線站正在設(shè)計(jì)建造一臺(tái)具有先進(jìn)國際水平的X射線拉曼散射(XRS)譜儀—“乾坤”。其中,球面壓彎分析晶體基于羅蘭圓幾何條件,將特定能量的X射線聚焦至探測(cè)器上,是XRS譜儀的核心光學(xué)部件。聚焦面形精度和高能量分辨是球面彎曲分析晶體的兩項(xiàng)極為關(guān)鍵,又互相影響的技術(shù)指標(biāo),因而極具挑戰(zhàn)性。“乾坤”譜儀采用6組模組化分析晶體陣列,由90余塊半徑1m的分析晶體構(gòu)成,其晶體能量分辨的設(shè)計(jì)指標(biāo)與電子-空穴態(tài)壽命展寬數(shù)量級(jí)相當(dāng),達(dá)到ΔE/E~10-5,球面彎曲面形精度滿足1:1聚焦需求。
在HEPS工程指揮部的部署下,HEPS高能量分辨譜學(xué)線站團(tuán)隊(duì)與光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)機(jī)械、光束線控制系統(tǒng)相關(guān)人員,聯(lián)合多學(xué)科中心晶體實(shí)驗(yàn)室積極攻關(guān)。線站核心成員郭志英、多學(xué)科中心晶體實(shí)驗(yàn)室刁千順,經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)和反復(fù)嘗試,不斷改進(jìn)優(yōu)化分析晶體制備工藝,最終探索出兼顧能量分辨與聚焦特性于一體的球面彎曲分析晶體制備方法。今年10月2日-5日,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在北京同步輻射裝置(BSRF)1W2B線站上,采用Si(111)雙晶單色器Si(220)切槽單色器兩次單色化、毛細(xì)管微聚焦的光學(xué)配置,利用自研三元譜儀樣機(jī),對(duì)譜儀單模組內(nèi)15塊分析晶體(圖1),采用EPICS-Bluesky控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單色器聯(lián)動(dòng)掃描,開展了批量、高精度指標(biāo)測(cè)試(裝置見圖2)。優(yōu)化后入射能量帶寬實(shí)現(xiàn)高分辨,達(dá)到半高全寬0.8eV@9.7keV,分析晶體自身能量分辨(圖3)達(dá)到半高全寬~1eV@9.7keV,與理論預(yù)測(cè)值相當(dāng),聚焦特性得到充分驗(yàn)證(圖3、圖4),各項(xiàng)指標(biāo)全部滿足工程設(shè)計(jì)需求。
HEPS高能量分辨譜學(xué)線站是我國首條專注于硬X射線非彈性散射譜學(xué)實(shí)驗(yàn)的線站,聚焦核能級(jí)超精細(xì)結(jié)構(gòu)、聲子態(tài)密度、芯能級(jí)電子躍遷和價(jià)電子激發(fā)的探測(cè),主要提供核共振散射(NRS)、XRS、共振非彈性散射(RIXS)等譜學(xué)方法,服務(wù)于量子科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物化學(xué)、地學(xué)、高壓科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科前沿研究。其中,XRS是一種基于X射線非彈性散射原理的先進(jìn)譜學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),歐洲ESRF (72塊分析晶體)、美國APS(19塊分析晶體)、日本SPring-8(12塊分析晶體)、法國SOLEIL(40塊分析晶體)、英國Diamond光源等光源已建成或規(guī)劃建設(shè)XRS旗艦線站。由于非彈性散射截面極小,比X射線吸收截面小4~5個(gè)量級(jí),XRS實(shí)驗(yàn)技術(shù)需要高亮度光源以增加入射光子通量,同時(shí)也需要大立體角譜儀提高探測(cè)效率,而大立體角探測(cè)需要多塊發(fā)現(xiàn)晶體實(shí)現(xiàn)。
首批分析晶體的指標(biāo)通過在線測(cè)試,將滿足大批量分析晶體加工的工程需求,對(duì)HEPS“乾坤”譜儀、高能量分辨譜學(xué)線站的實(shí)施都具有里程碑意義。值得一提的是,該類型分析晶體的工藝也已經(jīng)用于多種類型譜儀分析晶體的研制。接下來,該團(tuán)隊(duì)將高質(zhì)量完成其余模組分析晶體的批量加工,同時(shí),將致力攻關(guān)無應(yīng)力高能量分辨分析晶體的研制。晶體研發(fā)工作還獲得先進(jìn)光源技術(shù)研發(fā)與測(cè)試平臺(tái)PAPS的支持,BSRF-1W2B、3W1、4W1A、4W1B線站提供機(jī)時(shí)。
圖1. HEPS自研分析晶體
圖2. 分析晶體測(cè)試裝置,其中,左圖給出了散射光和分析晶體分析光路示意圖
圖3 分析晶體測(cè)試結(jié)果,左上為4#晶體能量分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果和擬合曲線,左下為三塊晶體在探測(cè)器上的聚焦光斑,右側(cè)為分析晶體能量分辨率批量測(cè)試結(jié)果
圖4 掃描單色器能量時(shí)探測(cè)器上的光斑變化情況
圖5 測(cè)試人員合影
(中科院高能所 供稿)