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合肥同步辐射反射率计的改进 摘要 合肥同步辐射实验室光谱辐射标准与计量站主要从事标准光源比对原理和 方法、探测器标准传递、气体吸收截面测试、反射率及透射率的测试几个方面 的工作，其中反射率计主要用于测量各种光学元器件的反射率。它的建立为国 内x 射线真空紫外波段光栅、反射镜的测试作出了重要贡献。但该装置实际 使用也发现存在着一些严重影响测试精度和测试效率的问题： 1 ) 对入射光、反射光不能同时测量，光源出现波动时，严重影响测试精度； 2 ) 测试效率低，“破空一一更换样品一一重新抽空”这样的工作循环使该 装置的使用效率受到严重影响； 3 ) 操作不便。 针对上述问题，通过查阅相关文献，结合实际操作经验，本文在不对现结 构作大改动的前提下，提出了几种解决问题的设计方案，具体措施包括： 1 ) 在入射光侧设计一光强测量传感器，实现入射光反射光基本同步监测： 2 ) 在现有结构基础上，将真空室加长，增加预抽室，更换样品不需破空， 大幅提高了反射率计的使用效率； 3 ) 改进滤片送给装置结构，提高滤片使用率并能实现实时更换： 4 ) 重新设计真空室门，大大减轻工作强度。 对改进后的系统真空性能进行了校核，对关键零部件受力情况用a n s y s 软件进行了分析，给出了设计图纸。估计改进后的装置测试精度会得到提高， 而测试效率至少提高3 倍。 关键词：反射率计，反射率测试，样品传送机构，真空锁，实时监测，同步辐 射 i m p r o v e m e n to ft h er e f l e c t o m e t e ri nn a t i o n a ls y n c h r o t r o n r a d i a t i o nl a b o r a t o r y a b s t r a c t t h er e f l e c t o m e t e ri ns p e c t r a lr a d i a t i o ns t a n d a r da n dm e t r o l o g yb e a m l i u eo f h e f e in a t i o n a i s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl a b o r a t o r y i s m a i n l y u n d e r a k e st h e m e a s u r e m e n to fr e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i t t a n c eo fv a v i o u sr e f l e c t i n gc o a t i n g s i nt h e u s eo ft h i si n s t r u m e n t ，s o m ep r o b l e m sa r ef o u n dt h a tc a ns e r i o u s l ya f 传c ti t s e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y a st h ei n c i d e n ta n dr e f l e c t e dl i g h tc a r l tb em e a s u r e da tt h e s a m et i m e ，t h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ti sb a d l yd e p e n d e n to nt h es t a b i l i t yo f t h el i g h ts o u r c e t h ec h a n g eo ft h es a m p l et ob et e s t e dt a k e sal o to ft i m e ，a n dt h e o p e r a t i o no ft h i sr e f l e e t o m e t e ri sl a b o u r i o u s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st r yt os o l v et h e s ep r o b l e m s s o m en e ws t r u c t u r e s a r ed e s i g nb a s e do nt h eg r o u n dt h a tl i t t l ec h a n g ei sm a d et ot h eo r i g i n a ls e t u p t h e m a i nm e a s u r e st h a th a v eb e e nt a k e ni n c l u d i n g ： a d d i n gae x t r ad e t e c t o rt om e a s u r et h ei n c i d e n tl i g h t t h u sm a k e st h e s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to fi n c i d e n ta n dr e f l e c t e di i g h tp o s s i b l e av a c u u ml o c ka n das a m p l et r a n s f e r r i n gs t r u c t u r ei sd e s i g n e da n da d d e db y l e n g t h e n i n gt h eo r i g i n a lc h a m b e r t h en e wp a r to ft h ec h a m b e ri sc o n n e c t e dt o t h em a i np a r tv i aae x i s t i n gf l a n g e t h u st h es a m p l e sc a nb ep u ti na n dt a k e n o u tw i t h o u tb r e a k i n gv a c u u m ，a n dt h em e a s u r e m e n te f f i e n c yi s g r e a t l y i m p r o v e d t h es t a n df o rf o i l sf i l t e ri sr e - d e s i g n e dt om a k ei th i g h l yu t i l i z e d t h ed o o ro ft h ev a c u u mc h a m b e ri sr e d e s i g n e ds ot h eo p e r a t i o nb e c o m em u c h e a s i e rt h a nb e f o r e t h ev a c u u mp e r f o r m a n c eo ft h en e wc h a m b e ri sc h e c k e da n ds o m ek e y c o m p o n e n t sa r ea n a l y z e dw i t ha n s y sd u r i n gt h ed e s i g n i ti se s t i m a t e dt h a tw i t h t h e s ei m p r o v e m e n tt h ea c c u r a c yc a ng r e a t l yi n c r e a s e da n dt h ee f f i c i e n c yo ft h e r e f l e c t o m e t e rc a nr a i s ea tl e a s t3t i m e s k e y w o r d s ：r e f l e c t o m e t e r , s a m p l et r a n s f e r , v a c u u ml o c k ，r e a l - t i m em e a s u r e m e n t ， i n - s i t um e a s u r e m e n t ，r e f l e c t a n c em e a s u r e m e n t ，s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n 插图清单 图1 1反射率计光路图2 图2 1国家同步辐射光源实验站的总体分布图5 图2 2光谱辐射标准和计量线总体分布图5 图2 3 反射率计示意图7 图2 4双轴馈入系统示意图8 图2 5同轴馈入反射率计系统”9 图2 6 超高真空高精度同轴旋转平移差分馈入系统9 图2 7反射率计实际结构图片：1 1 图2 8 不同时间测得的1 1 4 1 4 2 n m 波长的入射光光强1 3 图3 1入射光强探测器接口”1 4 图3 2真空室内部结构图l5 图3 3方案一空间结构示意图一1 6 图3 4 样品传送系统方案一示意图一1 7 图3 5样品架的定位与夹紧1 8 图3 6 方案二空间结构示意图1 9 图3 7 样品传送系统方案二示意图2 0 图3 8 方案三空间结构示意图2 l 图3 9 样品传送系统方案三示意图一2 2 图3 1 0 楔块式样品传送系统示意图2 2 图3 1 1 楔块受力示意图2 4 图3 1 2 楔块竖直受力示意图2 4 图3 1 3 磁力驱动原理图2 6 图3 1 4 组合式磁力驱动真空动密封装置结构示意图一2 8 图3 15 束线管路示意图3 2 图3 1 6 原过滤片架结构图片3 3 图3 1 7 过滤片架示意图3 4 图3 1 8 滤片位置调整机构方案一示意图3 5 图3 1 9 滤片位置调整机构方案二示意图3 6 图3 2 0 过滤片位置调整机构示意图3 6 图3 2 1 前级束线管路以及滤片架空间尺寸示意图3 7 图3 2 2 真空室门的连接方式3 8 图3 2 3 真空室门形变分布云图3 9 图3 2 4 转动铰链结构一3 9 图3 2 5 铰链主轴受力简图4 0 图3 2 6 铰链主轴形变分布云图4 l 图3 2 7 竖加强筋分布示意图4 4 图3 2 8 加强筋与壁的截面示意图4 5 图3 2 9 真空室形变分布云图4 6 表格清单 表3 1 磁力驱动真空动密封连接的分类2 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得金蟹王些盘堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：b 呻年月，了日iv| 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 否阅和借阅。本人授权金避工些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：岛阮 导师签名： 干溺。认 i 签字日期： 年月，王日签字日期：d 7 年占月，；日 茎薏釜差，者毕业后去讯彳用心酃姆带；，；r 口h 7 盯a ， 工作单位：f 电话： ，；j i 口j 67j j ， 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师干蜀毅副教授致以衷心的感谢! 无论从 课程学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿，于老师都倾注了大量的心 血。三年来，干老师不仅从学业上给予了我精心的指导，同时在思想、生活上 也给予我无微不至的关怀。干老师广博的学识、严谨的治学态度、诲人不倦的 作风给我留下了深刻的印象，为我以后的工作、学习指引了方向。在此，再次 向干老师表示最诚挚的感谢和崇高的敬意! 在这三年的研究生学习阶段，得到了真空教研室的陈长琦老师、朱武老师、 王君老师、王旭迪老师、唐志国老师、程建萍老师、朱仁胜老师以及实验室王 云芳老师、樊文胜老师等各位老师的指导与帮助，他们的教诲为本文的研究提 供了理论基础，并对我的人生认识有了长足的进步，在此表示衷心的感谢! 感谢陈明、陈志鹏、宋宜亮、王慧桥、杨有财、顾觖、陈市、李华远、王 霞、王保华、许海、贺成玉、刘珍等在这三年来的陪伴与鼓舞。 感谢合肥工业大学选陪办钱主任、解参谋等三年来对我的关心与支持。 最后，感谢我敬爱的父母、亲人们，你们给了我无私的爱，有你们的默默 支持以及生活上的巨大帮助，我才有信心和毅力完成我全部的学业，在此祝愿 你们永远健康。 作者：高庞 2 0 0 7 年6 月 第一章绪论 电磁场理论早就预言：在真空中以光速运动的相对论带电粒子在二极磁场 作用下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1 9 4 7 年人类在 电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同 步辐射光，并称产生和利用同步辐射光的科学装置为同步辐射光源或装置。同 步辐射光源具有一系列独特的特性： 1 ) 具有从远红外到x 光范围内的连续光谱。电子的能量越高、弯转半径 越小，光谱的高能x 光就越多。可以用单色器调出光谱中所需波长的 光。 2 ) 光强高。电子能量越高、弯转半径越小，辐射功率越大。 3 ) 高度的准直性。 4 ) 高度极化，且极化可调。 5 ) 是脉冲光源，脉冲的宽度为纳秒量极，脉冲间隔为微秒量极。 6 ) 有精确的可预知的特性，可以用作各种波长的标准光源。 7 ) 绝对洁净，因为它在超高真空中产生，没有任何如阳极、阴极和窗带来 的污染。 由于同步辐射光具有上述优异性能，在化学、生物学、冶金学、材料学， 医学和几乎所有的学科的基础研究及应用研究中得到了广泛应用。同步辐射光 源及其应用水平己成为一个国家科技发展水平和知识创新能力的标志【l l 。 舍肥国家同步辐射实验室( n s r l ) 是专门为同步辐射的应用而设计的光源， 以真空紫外和软x 射线为主，主体设备是一台能量为8 0 0 m e v 、平均流强为 1 0 0 3 0 0 m a 的电子储存环，用一台能量2 0 0 m e v 的电子直线加速器作注入器。 来自储存环弯铁和扭摆磁铁的同步辐射特征波长分别为2 4 n m 和o 5 n m 。反射 率计是国家同步辐射实验室的光谱辐射标准与计量实验站的一个分支，提供波 长在5 2 0 0 n m 范围内的入射光，专门用于测试光学元件在软x 射线、真空紫外 波段的反射率、透射率及衍射效率。 1 。1本课题的来源、目的及研究的主要内容 本课题来源于国家同步辐射实验室的光谱辐射标准与计量实验站( 以下简 称计量站) 改造预研项目。计量站的作用之一是测试各种特定光学元件在软x 射线真空紫外波段反射率，其工作示意图如图1 。l 。样品放在真空室内， 5 - 2 0 0 n m 波长的入射光经分光后照射在样片上，其反射光由探测器读出。 空室 图1 1反射率计光路图 f i 9 1 1 t h el i g h t p a t hd i a g r a mo ft h er e f l e c t o m e t e r 反射率计的工作真空室用一台4 0 0 l s 的涡轮分子泵作主泵，其一次工作循 环( 测量、破空、更换样品、抽空) 需要约6 h ，其中测量只用了不到一半时间， 大量时间用在对真空室的抽空及样品送入、退出光路的运动上，致使该装置使 用效率没有充分发挥。由于只有一个探测器，实际测量反射率时，样品退出光 路，探测器直接测入射光，再送入样品测反射光，样品一进一出需15 m i n 以上， 在此过程中光源很可能出现变化，致使反射率测试精度下降。 针对反射率计现存的缺陷，本文提出改进方案，具体内容包括： 1 针对光源发生漂移时，反射率计本身不能实时监测光强变化情况、并 及时对所测数据进行调整致使测试精度不能保证这一问题，提出在真 空室的前端合适位置增加一个光强探测器和一套传动装置，以便在测 试反射光的同时，迅速将新加的探测器插入光路，实时测量入射光光 强，从而实现入射光、反射光几乎同时监测，最大限度地消除了光源 波动给测试精度带来的不利影响，节省了样品频繁进出光路所花的时 间，提高了测试结果的可信度和测试效率。 2 针对更换样品真空室需破空，严重浪费有效测试时间的问题，提出三 种改进方案，通过加预抽室，样品传送机构实现主真空室不破空便可 对1 0 0 6 0 m m 2 的常规样品进行更换，从而大幅提高测试效率。对三 种方案特点进行比较、分析。 3 更换过滤片有时也需要破空工作真空室，而且现有的滤片架结构不利 于滤片的充分利用。为此提出改束线管路的结构或改变滤片送迸机构 两种方案，以提高滤片的利用率，并实现主真空室不破空便可更换滤 2 片，提高了测试效率。 4 通过精确计算及a n s y s 力学分析，设计了铰链结构，将真空室门铰接 在主真空室端部，实现单人即可轻松开启真空室更换样品或进行机器 调整、维护，减少了操作人员个数，减轻了工作人员工作强度。 5 对设计一个全新工作真空室做了探讨，改圆形工作真空室为方型，通 过一些详尽的力学计算及a n s y s 有限元受力分析，选取了合适的真空 室壁厚，对真空室加强筋板的基本结构和尺寸进行了优化，使真空室的 设计更加合理，为反射率计主要部分的改动作好技术准备。 1 2 本课题在国内外的研究概况 采用不同波长光源的反射率计在各国已得到广泛地应用。j 1 l a r r u q u e r t 等 用反射率计在超高真空下( 保证铝膜在测量过程中不被氧化) 测量无氧铝膜的 远紫外反射性能，这些数值是在从8 2 6 n m 1 1 3 5 n m 的几个波长下测量的。装 置的主要部件为：气体放电发射光源、超高真空单色仪、断路器室、u h v 沉积 和反射率测量室、辅助室；在上述五个室之间分别安装差分抽气系统。在此装 置中提出利用辅助真空室作为更换样品室，每次更换样品时不需要打开主真空 室，大大减少更换样品时闻提高测试效率1 7j 。 f r a n zs e h l i f e r 等采用可调软x 射线辐射光( b e s s y ) 研究测试过c r s c 多层 膜在软x 射线范围的一些光学性能，基体为s i 晶体或者s i 3 n 4 膜。s x 7 0 0 型p m - 4 平面光栅单色仪的平面镜和平面光栅将同步辐射光发送到椭圆形镜，椭圆形镜 利用强磁驱使光束垂直入射到出口裂缝上，在出口裂缝的后面配有从0 1 4 到 2 5 m m 范围的针孔来调节光束的粗细，最后得到的光束进入反射率计。该反射 率计工作真空室内部装有探测器、角度仪、驱使样品台做旋转( 实现样品探测 器20 联动) 和平移运动的驱动电机【3 l 。 n i f 的a e j i r i 等利用外差和超窄波段的反射率计去解释j i p pt l i u t o k a m a k 微波( 波长l m m 3 0 c m 的高频电磁波) 的反射率计中的失控效应状态， 研究表明失控不是测试系统的问题，而是微波和等离子体之间相互作用的结果 t 9 1 。 世界上仅有的几个使用同步辐射的软x 射线反射率计都分布在少数几个建 有大型同步辐射光源的地方，远离软x 射线镀膜车间或实验室，给多层膜反射 率的测量及其结构的优化带来了不便。为了解决这一问题，几个使用激光等离 子体光源的反射率计陆续被建立起来i l 肛】。 充分利用中子的优点而建立的新型反射率计a d a m ( 用于材料分析的先进 的衍射计) 在1 9 9 6 年正式进入法国格勒诺布尔的i l l 实验室1 1 。 基于在j u l i c h 的f i l l 一2 ( d i d o ) 反应堆的中子为光源的反射率计几年前已放 设立，可以对厚度在几n m 范围的有磁膜进行反射与磁发散的小角度测量i ”】。 在德国g e e s t h a c h t 的g k s s 研究中心，建成了针对磁及无磁系统和极小结 构的软物质研究的新型中子反射率计( n e r o ) i l ”。在h a n a r o 的热中子端 口( 韩国k a e r i 的3 0 m w 反应堆) 上将建立具有水平样品结构的中子反射率 计1 1 7 】。在荷兰代夫特的i r i ，阿尔及利亚的n u r 反应堆、法国l 6 0 nb r i l l o u i n 实验室等【1 8 以0 1 ，均建成了中子反射率计。 1 3 本课题的意义 针对反射率计在使用过程中暴露出的一些问题，提出了针对性的改进措施， 并采用了相关计算和结构设计，这些措施的实现，将使反射率计测试精度得到 提高，测试效率大幅提升，并可减轻操作人员劳动强度。 4 第二章合肥同步辐射反射率计简介 2 1合肥国家同步辐射光源实验站 国家同步辐射实验室建有我国第一台以真空紫外软x 射线为主的专用同 步辐射光源。其主体设备是一台能量为8 0 0 m e v 、平均流强为1 0 0 3 0 0 m a 的电 子储存环，用一台能量2 0 0 m e v 的电子直线加速器作注入器。来自储存环弯铁 和扭摆磁铁的同步辐射特征波长分别为2 4 n m 和o 5 n m 。该反射率计在合肥同 步辐射二期工程计量光束线基础上建成的1 2 。国家同步辐射光源实验站的总体 分布如下图2 1 。 图2 1 国家同步辐射光源实验站的总体分布图 f i 9 2 1 t h eg e n e r a ld i s t r i b u t i o nm a po fn s r l 起儡彝撼横荐 光黼射标准和计量线总体分布圈 图2 2 光谱辐射标准和计量线总体分布图 f i 9 2 2 t h eg e n e r a ld i s t r i b u t i o nm a po f s p e c t r a lr a d i a n c es t a n d a r da n dm e t r o l o g i c a ll i n e s 2 2 反射率计 2 2 1 反射率计组成及工作原理1 2 2 j 光谱辐射标准和计量光束线是由b 1 2 弯铁引出的，具有正入射和掠入射两 个分支的光束线。它们共用一个前端、自然分光成两束反射率计位于掠入射 光束线的后置镜和气体电离室之问，其空间排布如图2 2 所示，主要由下列几 部分组成( 图2 3 ) ： 1 ) 过滤片：用于滤除高次谐波。测量时入射光除了含有需要的波长2 外， 还含有波长为2 2 、2 3 、2 4 的高次谐波。为此入射光在照射样 片前，需透过特定材料制成的滤光片滤除这些影响测试精度的高次谐 波。常见的滤片有a i ( 1 7 - 3 4 n m ) 、m g f 2 ( 1 1 5 - 1 4 0 n m ) 等； 2 ) 可调光阑：用于调试入射光斑大小； 3 ) 前后光强探测器：通过光强探测器为反射率计光轴调整提供更携确的 基准，同时也可对入射光强进行修正；测试过程中，只能使用后面的 光强探测器： 4 ) 前后位置探测器：现场安装调试过程中，用于将反射率计光轴跟同步 辐射光光轴大致调至重合： 5 ) 样品位置调整机构：调整样品位置，目前用于水平和竖直位置调整的 部分已损坏，样品只能沿z 轴平移和转动，以进入或退出测试光路， 并进行角度扫描： 6 ) 样品探测器扫描机构：控制样品和探测器既可单独旋转，又可以o 2 0 方式联动旋转： 7 ) 超高真空差分馈入系统：实现样品和探测器扫描的运动是由大气传到 主真空室内的，因此馈入系统既要保证有较高的传动精度，又必须能 够满足超高真空密封的要求： 8 ) 超高真空系统，给反射率计提供2 1 0 - 8 t o r r 的极限真空； 9 ) 计算机控制系统。 工作原理： 根据物理定义，反射率r 为反射光强度与入射光强度之比，即r = e o e ；。 反射率计实际工作时，样品固定在样品架上并退出光路，由分光光栅选出的一 定波长的入射光经滤片滤除高次谐波，通过光阑将杂散光滤除，照射到光强探 测器上，得到入射光强度e i ；将样品通过馈入机构送入光路，再由探测器测出 样品反射的反射光强度，两者比值即为此样品反射率。 6 过滤片 由分光光毋 选出的入射光 图2 3 反射率计示意图 f i 9 2 3 t h es k e t c hm a po ft h er e f l e c t o m e t e r 2 2 2 反射率计主要参数指标1 2 2 l 主要参数指标： 1 ) 波长范围：5 2 0 0 n m ； 2 ) 极限真空2 1 0 一p a 。可在1 0 4 p a 下工作； 3 ) 样品最大尺寸：2 0 0 x l o o m m 2 ； 4 ) 样品和探测器既可单独旋转又可e 2 e 联动，旋转精度0 0 1 。，角分辨率 0 0 0 5 0 。 5 ) 样品台具有x 、y 、z 平移及旋转功能，x 向平移2 0 r a m ，精度2 0 p m ： y 向平移2 0 r a m ，精度2 0 t t m ：z 向平移1 2 0 r a m ，精度1 5 t t m ：绕x 轴 转动士1 0 0 ，精度o o l o ；绕y 轴转动4 - 1 0 0 ，精度0 0 1 。；但实际应用中， 种种因素影响使得其只能作沿z 向平移和绕z 轴旋转，其它运动不能 实现。 2 2 3 超高真空动密封馈入系统 样品和探测器的扫描运动是由大气传入主真空室的，因此馈入系统既要保 证较高的传动精度，又必须能够满足超高真空密封要求，反射率计的极限真空 一般在l o 面p a 量级，目前国内外各s r 实验室反射率计的馈入系统大都采用差 分馈入系统，主要有两种类型；一种是分离的双轴馈入系统如图2 4 示，如德 国的d e s y - h a s y l a b l 2 3 1 、日本的k e k p f 1 24 1 ，b s r f 的高精度反射率计均是采 用的这种型式。这种结构的最大好处是样品和探测器采用两套相互独立的馈入 系统，每套系统本身都可以方便地实现旋转和平移运动，互不干扰，而且测角仪和 编码器可以同时与轴直接相连，但这类系统在装调时较麻烦，两套系统的同轴性 需要靠调整来实现，而且由于两套系统各自占用了主真空室的两侧，更换样品 只能从主真空室的上方进行，操作很不方便。另一种同轴转动、平移轴系馈入系 统如图2 5 所示。美国的b n l n s l s ，德国的b e s s y - p t b l 2 5 均为这种结构，其优 点在于样品和探测器的同轴精度较高且更换样品可以从主真空室的侧面进行， 而且便于实现常规样品在真空状态下的切换，使用十分方便，缺点是编码器不能 直接与轴相连。机械加工的难度较大，真空差分系统也存在一定难度。中科大的 反射率计采用第二种结构，并做了一定改进。 l ，样品2 ，探测器3 ，角度仪4 ，密封波纹管5 ，线性运动馈入机构 6 ，差分泵抽气口7 ，平衡重量 图2 4双轴馈入系统示意图 f i 9 2 4 t h es k e t c hm a po fd o u b l e a x i sf e e d t h r o u g hs y s t e m 根据测量的实际需要，以及加工、调试、检测的实际情况。中科大同步辐 射反射率计采用了同轴转动、平移轴系馈入系统，如图2 6 所示。与国外的结 构不同，该套结构的差分抽气系统只需要一套，将外筒与真空室通过c f 刀口法 兰联接在一起，外筒的内壁通过轴承可以使中间轴在其中保持转动和平动两种 工作模式，内轴以同样的方式与中闻轴相隔离，在各轴之间的空隙里。又各自分别 通过3 道密封圈沿轴向隔成4 个空间，分别是大气、低真空区、高真空区和超高 真空区，形成从大气到超高真空的压力梯度，在中间轴上对应高真空区和低真空 区开有抽气孔，使其与设在外筒上对应真空区域的抽气孔相通，保证将其与内轴 间的气抽走，采用聚四氟乙烯弹性载荷密封圈作为转动平移的动密封元件。最大 程度地降低密封圈带来的摩擦阻力，并通过密封圈自身的弹性力保证密封圈始 8 终与密封面的有效接触。用一台机械泵作为差分系统的低真空级，一台1 5 l s 的 离子泵作为差分系统的高真空级，配以分子泵作为预抽，实现从大气到1 0 p a 的 动密封差分。在传动上两套轴都分别以步进电机驱动速比为l ：3 6 0 的h u b e r 测角仪，其角分辨率为0 0 0 5 。，角度误差小于3 0 ”，带动两轴分别进行旋转；以 步进电机驱动蜗轮传动系统，通过螺纹机构带动两轴分别进行平移。通过合理 的精度分配，保证同轴转动、平移轴系馈入系统的输出精度优于5 p t m 。 图2 5 同轴馈入反射率计系统 f i 9 2 5 t h es k e t c hm a po ft o g e t h e r a x i sf e e d t h r o u g hs y s t e m 两翼望慷弄窑 1 真空室2 外筒3 中间轴4 密封圈5 内轴6 轴承 图2 6 超高真空高精度同轴旋转平移差分馈入系统 f i 9 2 6 d i f f e r e n c ef e e d - t h r o u g hs y s t e mo f u h vh i g h p r e c i s i o nt o g e t h e r - a x i sr o t a t i o na n dm o v e m e n t 2 2 4 样品调整机构 该结构通过采用复合叠加的双v 型导轨结构，保证各维运动能够达到各自 的精度要求前提下，使用专门制作的真空步迸电机，从而保证对样品姿态的自 动调整和超高真空的要求。 9 样品除具有从外部馈入的转动和平移外，反射率计在设计使用初期，在样 品架上还具有较高精度的x 、y 向平移以及绕x 、y 轴转动的功能，但实际使 用中，由于种种原因，系统已损坏，无法实现样品架姿态的调整，只能作z 轴 向平移和绕z 轴的移动。 从能够对光学元件进行实测的角度出发，样品架应能够装卡2 0 0 x 1 0 0 n m 2 的光学元件，在进行非常规样品测试时，样品更换只能通过打开主真空室的办 法进行，在进行数量较大的常规中5 0 m m 样品检测时，一次沿轴线排列3 - 4 块 样品，通过平移完成样品切换，待所有样品测试完成后，打开主真空室更换全 部样品。 2 2 5 样品、探测器随动机构 根据反射率计工作原理和满足实验工作的要求，通过控制系统可以控制样 品和探测器既可单独旋转又可0 2 0 联动：样品和探测器旋转精度o 0 l o ，角分辨 率0 0 0 5 0 。为了能够满足不同实验检测精度的要求，设计了两种不同的工作方式。 以实现样品的波长扫描测试和角度扫描测试。 2 2 6 前后光斑位置探测靶及强度探测器 反射率计最终的测量精度不仅仅取决于反射率计的制造精度，同时也与它 的在线调试精度有关，通过前后荧光探测靶，可将反射率计光轴与同步光光轴大 致调至重合，通过光强探测器可为反射率计光轴调整提供更精确的基准，同时也 可用来对入射光强进行修正。 为了保证仪器光轴与实际光轴相重合，在反射率计镜箱前后各装上一个探 测器，装调时，首先用激光器找准前后法兰中心，以激光的光斑中心为基准来调 整整个反射率计系统光路及零位，使得激光的光斑中心成为反射率计系统的自 身光轴，并用前后位置探测记录下激光光斑中心位置，在线装调时，通过读取前 后探测器上同步光的实际位置，调整反射率计的光轴与同步光光轴相重合。 2 2 7 反射率系统的准直与调试 在同步辐射光束线工程中，束线和实验站的光学调试和标定工作占据着十 分重要的地位，光学调试和标定工作进行的好坏，往往直接影响着束线和实验 站的实际指标和使用效果，为了使束线和实验站的实际指标和使用效果达到最 佳，除了设计、加工和调试外，更应该在设计阶段就充分考虑到现场安装和调 试过程中可能遇到的问题，并事先给出调试所需要的基准和辅助方法、手段和 结构。在合肥国家同步辐射实验室二期工程计量光束线反射率计装置的设计和 调试中，结合最终的现场调试和实验，在设计阶段充分考虑了仪器的现场检测、 安装、准直、调试工程中所需要的辅助手段和仪器光学基准的寻找与对准，为 最终的安装和准直工作提供了方便。 i o 首先使用氦氖激光器作为调试的基准，使激光器光斑通过前后法兰和样品 中心，以此作为调整各维运动机构精定位的基准，以及调试样品探测器0 2 0 扫描运动的定位基准，此时将前后光强探测器移入光路，微调探测器使每个探 测器的信号均达到最大，记录下每个探测器此时的位置，从而完成以氦氖激光 器作为调试基准到以光强探测器为在线准直的基准转换。在以同步光进行现场 调试时，通过前后荧光探测靶，可将反射率计光轴与同步光光轴大致调至重合， 通过光强探测器可为反射率计光轴调整提供更精确的基准，这时，只要通过调 整系统的微调机构将四路光强探测器的信号调至最大，就完成了系统光路与同 步光的准直。反射率计各装置如图2 7 。 图2 7 反射率计实际结构图片 f i 9 2 7 t h ep r a c t i c a ls t r u c t u r ep h o t oo ft h er e f l e c t o m e t e r 2 3 反射率计操作 2 3 1 反射率计测试方法 1 波长扫描 待测样品和探测器固定在某一入射角，利用单色器分光进行波长扫描。 测出该入射角下反射率随波长的变化情况。 2 角度扫描 固定波长，反射率计做o 2 0 角度扫描，测量样品在不同0 ( 入射角) 下的反射率。 2 3 2 反射率计操作流程 1 ) 安装样品，记录样品位置，抽真空( 约三小时) 。 2 ) 检查光束线上的各真空计，确认真空度正常( 6 7 x 1 0 一p a ) ，检查反射 率计真空度到 2 x 1 0 4 p a 时，打开反射率计前的手动阀( 型号v a t c f l 0 0 ，位置显示白点从c l o s e 到o p e n ) 。 3 j 打开“掠入射光束线单色器控制系统”、“样品及探测器控制系统”， 启动控制软件l a b v i e w 线站联动。对单色器、样品台、和探测器寻零 ( 完成初始化) 。 卅根据测试样品的需要选择合适的滤光片( 有s i n ，z r ，c ，a 1 ，i n 可供 选择) 。 彭检查光源的稳定性，重复测试直通光，如果稳定性不好，由线站运行 人员进行光路或轨道调试。 硼测试直通光之前对探测器位置进行优化。找出探测器的最佳位置，此 时探测器在光路上且信号最大，测试直通光( 即入射光) 。 刀移动样品台，将要测试的样品送到光路中。 彤开始反射光测试。根据需要可以选择“角度联动扫描”或“波长联动 扫描”。 纠测试完成后，对单色器、样品台和探测器寻零。处理采集到的反射、 入射光数据，计算反射率。 1 0 ) 再依次关w m 0 ，p v 0 ，b s 0 ，w m l ，p v l ，p v 2 ，最后关闭c f l 0 0 手动 阀门。 1 1 ) 关闭控制器电源。 2 4 反射率计现存问题 1 、测试精度不能保证。反射率计本身不能实时监测光强的变化情况，并及 时对所测数据进行调整。按照操作流程，反射率计工作时先测入射光强 度e i ，然后样品送入光路，测反射光强度( 设为e 。) ，整个过程耗时在 1 5 - 3 0 m i n 之间( 视样品位置丽定) ，在这么长的时间内，由于光源不稳 定入射光的强度很可能发生变化。而此时样品已经处于光路中，变化后 的入射光实际强度e i 无法用唯一的一个探测器测得，只能测此时由 e j 引起的反射光强度e o ，因此正确的反射率为r = e 。e l 。但实际的 e i7 不可测，只能用e i 代替，这样必然会引起反射率r 误差，致使测量 精度不能保证。 图2 8 给出了间隔3 8 m i n 的入射光光强测试结果，入射光波长在 1 1 5 1 4 0 n m 之间。由图可见，光源的不稳定使得入射光强度发生了较大 变化，其变化范围在2 0 以上! 入射光如此“漂移”无疑使反射率计的 测试精度无法保证。因此，为提高反射率计的测试精度，对入射光和反 射光进行实时监测显得十分必要。 1 2 41 1 6 1 1 81 2 0 2 21 2 4 1 2 8 t 2 81 3 01 3 21 3 41 3 61 3 8 1 4 01 4 2 图2 8 不同时间测得的1 1 4 1 4 2 n m 波长的入射光光强 f i 9 2 8 t h ei n t e n s i t yo fl1 4 1 4 2 n mi n c i d e n c el i g h tm e a s u r e di nd i f f e r e n tt i m e 2 测试效率低。主要表现在： i 反射率通过入射光与反射光的比值确定。测量样品反射率，必须同 时测量入射光和反射光光强，此过程对每一个样品都是必不可少的。 现行反射率计在实际测量中，先测入射光，再送样品进光路测反射 光，样品由进入光路再退出所用的时间特别长；当样品架上安装多 片样品时，由于样品中心距离光路的远近不同，使得这一过程费时 1 5 - 4 0 m i n 不等。严重影响反射率计的测试效率。 i i 新样品装入真空室，抽真空时间需3 h 。在此期间，虽然有光却因真 空度没有达到要求无法进行反射率测量。因此抽空严重占用有效测 量时间，影响测试效率。 i i i 更换过滤片有时也需要破空，影响测试效率。光路中过滤片尺寸约 为1 4 5 x 6 m m 2 ，滤光孔直径约4 m m ，此处滤片出现破损，整块过滤 片即需更换，浪费严重。 3 操作人员劳动强度大。现结构真空室门用1 2 个螺钉安装在真空室端法 兰上，真空室门重量在2 5 k g 以上，开启十分不便，一个人无法开启。 为提高反射率计精度、效率和测试过程经济性，有必要对一些结构作一定 改动。 o o 0 o o o 一 一 一 一 一 第三章反射率计的改进 3 1入射光强实时测量装置设计 3 1 1 改进目的 针对反射率计不能同时测量入射光光强跟反射光光强，影响测试精度、占 用有效测试时间的问题，提出在真空室的前端加一入射光强实时测量装置，采 用磁力传动装置操作一探测器来测量入射光强度，实现实时监测，以保证测量 精度、提高测试效率；之所以用磁力传动装置，是因为它传动快速、绝对密封， 不会因为它的加入对主真空室的真空度带来不利影响。 3 1 2 改进方案 图3 1入射光强探测器接口 f i 9 3 1 t h et i e - i no fi n c i d e n c el i g h ti n t e n s i t yd e t e c t o r 度1 置连接的 定位装置 真空室 运动轨遣 星门 如图3 1 所示，在现有真空室前端面加设一入射光光强实时测量装置接口， 用于连接磁力传动装置，操作光强探测器伸入到真空室的内部。需要测量入射 光强度时，调节磁力传动装置，带动光强探测器移动到光路上，完成入射光强 e i 测量；测量反射光光强时，探测器退出。由于磁力传动装置具有绝对密封和 快速准确移动的优点，此测量过程用时不超过l m i n ，基本实现了入射光和反射 1 4 光同时测量，提高了测试精度；这套装置的加入还免去了为测入射光样品必需 退出光路的操作，提高了测试效率。 该改进方案是综合考虑下节“样品送给机构改进”设计方案提出的。在“样 品送给机构改进”设计方案中样品送入装置的转动轨迹为m 5 0 0 m m 的圆，工作 真空室内径为 6 0 0 m m ，真空室门尺寸m 4 0 0 m m ，因此可以在真空室门的左侧 同高度处合适位置加装一磁力传动装置。通过精确计算和空间位置的合理安排， 可以保证样品测量过程中，新加的入射光光强探测器不会与样品传递装置及原 结构产生任何干涉。 3 2 样品送给机构改进 3 2 1 改进目的 在反射率计使用过程中，更换测试样品是最频繁、最占用有效测量时间的 操作。目前该测量仪的样品台通过螺钉与螺孔夹紧在真空室的内部，通过角度 仪的前部的样品架定位装置对样品架定位，该装置采用一面( 定位三个自由度) 、 两孔( 利用螺钉及样品架上的螺孔定位其余三个自由度) 定位方式，如图3 2 。 样品架可以装卡2 0 0 l o o m m 2 的光学元件，在进行非常规样品测试时，样品更 换只能通过打开主真空室的办法进行，在进行数量较大的常规0 5 0m m 样品检 测时，一次沿轴线安装3 - 4 片样