（核技术及应用专业论文）原子分子物理光束线安装与定标及浮地式反射飞行时间质谱计的安装调试.pdf

摘要 本论文分为两大部分，第一部分介绍国家同步辐射实验室原子分子物理光束 线的安装与测试；第二部分描述了原子分子物理实验站自行研制的反射式飞行时 间质谱计( r t o f m s ) 的结构及标定结果，并给出一些具体的实验结果。 第一部分： 第一章回顾了同步辐射的历史，介绍了同步辐射的特性，同时说明了同步辐 射在原子分子科学领域的应用。 第二章介绍了原子分子物理光束线的安装与光学准直过程。 第三章叙述了光谱定标的方法并给出了主要光学性能参数的测试结果。通过 测试说明： 1 光束线的光学和结构设计是合理的，加工安装符合要求。 2 在能量分辨本领为5 0 0 0 时，3 7 0 u m m 和7 4 0 f m m 两块光栅的峰值光通量 在5 1 0 1 2 p h s s e e 1 0 0 m a 左右，1 2 5 0 9 m m 光栅的峰值光通量为1 1 0 1 2 p h s s e c 1 0 0 m a ，与理论设计的预期值相符合。 第二部分： 第一章介绍了反射式飞行时间质谱计的特点及工作原理。 第二章详细介绍了国家同步辐射实验室原子分子物理实验站自行研制的光 电离反射式飞行时间质谱计( r t o f m s i i i ) 的结构和工作原理。该仪器为浮地 式结构，可用y a g 激光器或同步辐射为激发光源。最后介绍了仪器定标的结果 以及用于金属离子与乙硫醇反应、氟利昂1 3 4 a 光电离和光解离、乙醇氧气预混 火焰真空紫外单光子电离研究中的简单结果。 1 对于质量数为1 0 7 的a g + ，其质量分辨本领可达1 0 3 4 。 2 实验中观察到了a l + 与1 6 个乙硫醇分子形成的团簇离子。同时还观察 到了离子产物a l + f f - 1 2 s ) 。 3 结合同步辐射真空紫外单光子电离和超声分子束技术，进行了 h f c 1 3 4 a ( c h 2 f c f 3 ) 的光电离和光解离研究，确定了其主要电离解离通道。 4 通过对乙醇氧气低压预混火焰光电离效率( p i e ) 谱的测量，可以区分质 量数为4 4 ( c 2 1 4 4 0 ) 和质量数为5 8 ( c 3 h 6 0 ) 的物质的同分异构体。 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ft w op a r t s t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h ei n s t a l l a t i o n a n dt h et e s t i n go ft h ea t o m i ca n dm o l e c u l a r p h y s i c sb e a m l i n e a tn 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 yf n s r l ) t h es e c o n dp a r td e s c r i b e st h es e t u po ft h eh o m e m a d e r e f l e c t r o nt i m e o f - f l i g h tm a s ss p e c t r o m e t e r ( r t o f m s - i i i ) s e t t l e da tt h ea t o m i ca n d m o l e c u l a rp h y s i c se x p e r i m e n ts t a t i o n ，a l o n gw i t ht h ec a l i b r a t i o nr e s u l t sa n ds o m e b a s i ce x p e r i m e n t a lr e s u l t s p a r t l ： i nt h ef i r s t c h a p t e r , a b r i e fi n t r o d u c t i o ni s g i v e no n t h e h i s t o r ya n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o t r o nr a d i a t i o n i t s a p p l i c a t i o n i na t o m i ca n dm o l e c u l a r s c i e n c ei sa l s od e s c r i b e d t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h ei n s t a l l a t i o na n dt h eo p t i c a la l i g n m e n to ft h e a t o m i ca n dm o l e c u l a r p h y s i c s b e a m l i n eo f n s r l t h et h i r dc h a p t e rs h o w st h es p e c t r u mc a l i b r a t i o nm e t h o do ft h eb e a m l i n ea n dt h e t e s t i n g r e s u ro f t h em a i n o p t i c a lp a r a m e t e r f r o m t h e t e s t i n gw e c a l lf i n d ： 1 t h e o p t i c a la n ds t r u c t u r a ld e s i g n so ft h eb e a m l i n ea r er e a s o n a b l ea n dt h e o p t i c a la l i g n m e n t i sa c c u r a t e ； 2 t h ep h o t o nf l u x e so f 5 1 0 1 2 p h s s e c 1 0 0 m af o rt h et w og r a t i n g s ( 3 7 0i r a m a n d7 4 0v m m ) a n d1 1 0 1 2 p h s s e c 1 0 0 m af o rt h et h i r dg r a t i n g ( 1 2 5 01 m m ) c a nb e a c h i e v e da tt h ee n e r g yr e s o l u t i o np o w e ro f5 0 0 0 t h e s er e s u l t sa r ec o i n c i d e n tw i t ht h e t h e o r e t i c a lp r e d i c t e dv a l u e p a r t2 ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l e so ft h er e f l e c t r o n t i m e o f - f i i g h tm a s ss p e c t r o m e t e r t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e sah o m e m a d er t o f m s i i if o rt h ea t o m i ca n d m o l e c u l a r p h y s i c se x p e r i m e n t s t a t i o no fn s r l r t o f m s i i i s s t r u c t u r ea n d o p e r a t i n gp r i n c i p l e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i tf l o a t so u to ft h eg r o u n d ay a gl a s e r o rt h es y n c h r o t r o nr a d i a t i o nc a nb eu s e da st h ei o n i z a t i o ns o u r c e t h ec a l i b r a t i o n r e s u l t sa n ds o m e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nb e l o w 1 am a s sr e s o l u t i o no f1 0 3 4f o ra rw i t ht h em a s sn u m b e ro f1 0 7w a s i i a c h i e v e d 2 i nt h e e x p e r i m e n t s o ft h e g a sp h a s e r e a c t i o no fa 1 + w i t he t h a n e t h i o l m o l e c u l e s ，t h ec l u s t e r so fa i ( c 2 h s s h ) n + w i t hu pt on = 6w a so b s e r v e d a n dt h ei o n a r ( h 2 s ) c a l la l s ob eo b s e r v e d 3 b yu s i n gt h er t o f m s c o m b i n e dw i t ht h ev a c u u mu l t r a v i o l e ts i n g l ep h o t o n i o n i z a t i o nt e c h n i q u ea n dt h em o l e c u l a rb e a ms a m p l i n gm e t h o d ，t h ep h o t o i o n i z a t i o n a n dp h o t o d i s s o c i a t i o no fh f c 一1 3 4 a ( c h 2 f c f 3 ) h a v eb e e ns t u d i e d a n dt h em a i n p h o t o d i s s o c i a t i o nc h a n n e l s h a v eb e e n a n a l y z e d 4 t h ei s o m e r so f m a s s 4 4 ( c 2 h 4 0 ) a n d m a s s5 8 ( c 3 h 6 0 ) c a nb ei d e n t i f i e dw i t h m e a s u r i n gt h ep h o t o i o n i z a t i o ne f f i c i e n c y ( p i e ) c u r v eo f t h ep r e m i x e d e t h a n o l o x y g e n f l a m e ，r e s p e c t i v e l y i i i 第一部分第章同步辐射及其在原子分子科学的应用概述 第一部分原子分子物理光束线的安装与调试 第一章同步辐射及其在原予分子科学的应用概述 一、同步辐射基本性质 同步辐射( s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n ，简称s r ) 是高能量电子或正电子作加速运动 时所发射的电磁辐射。 粒子加速器的研究开始于2 0 世纪2 0 年代，但发展缓慢。直至四五十年代，物 理学家应用同步加速器产生高能带电粒子，并应用磁场把带电粒子限制在环形轨 道内运动。对于基本粒子物理实验所需要的高能量，带电粒子加速期间，能量损 失的主要原因是电磁辐射。因此，2 0 世纪4 0 年代同步辐射被认为是限制加速器达 到高能量的主要障碍。1 9 4 6 年，b l e w e t c i l l 首先在电子加速器上观察到同步辐射。 不久，e l d e 等人 2 1 在美 n g e n e m le l e c t r i cl a b o r a t o r i e s 的7 0 m e v 电子同步加速器上 观察和研究了同步辐射的性质，标志着同步辐射光源新时代的开始。2 0 世纪5 0 年代，前苏联和美国的科学家都进行了大量实验，并与理论计算进行比较，6 0 年代初开始了同步辐射应用可行性的研究，使同步辐射的应用很快进入了实用阶 段。 同步辐射光源是一种新型光源，具有常规光源所不具备的特性：口】 ( 一) 覆盖很宽的连续谱。对高能量的同步辐射装置，其发射谱可以从红外 波段到硬x 射线，即波长从1 一l o o m 。原子、分子和蛋白质的尺度也在这一范围 内，而且化学键和晶体的原子间距也在这尺度范围。就是说，同步辐射很适合用 来研究固体、分子和生物体的结构。 ( 二) 高亮度。在环形加速器内，电子被加速到光速，除了残留气体原子对 电子散射外，能量的损耗只是同步辐射。因此，从理论上讲，几乎全部输入的能量 都转化为有用的同步辐射。辐射光束的能量强烈地依赖于电子束能量。同步辐射 光源的亮度是常规x 射线源不可比拟的。 ( 三) 高准直性。同步辐射是沿着电子轨道切线方向以很小的立体角出射。 同步辐射光束的发散度约为m r a d 量级，这是高度准直的光束。其好处是：( 1 ) 光 源的面积小，因而光束的通量高，( 2 ) 准直性好，可以使样品与探测器的距离增 大，因而可以在样品台上安装各种附加设备，如环境室同时进行热处理、磁场、 第一部分第一章同步辐射及其在原子分子科学的应用概述 应力等实验。 ( 四) 偏振性。理论上，单电子的同步辐射光是在电子轨道平面方向1 0 0 的线偏振，一般情况下，加速器是多电子束运行，会使电子束在轨道每点上有发 散，造成偏振度降低，但仍是高度偏振的光，在轨道平面上下，同步辐射光是左 旋或右旋的椭圆偏振。如果应用垂直反射的扭摆器( w i g g l e r ) ，还可以使偏振光沿 垂直方向偏振。偏振性是同步辐射光的一个重要特征，对研究物质空间对称性谱 学、晶体结构测定以及x 射线光学十分有益。 ( 五) 时间结构。同步加速器的运行是一束一束电子输入储存环，当电子经 过储存环的光束线前端时，就有一束同步辐射光束线出射，因此，同步辐射光源 是一种脉冲光源。脉冲时间与电子能薰有关。一般为纳秒量级或更小。同步辐射 的时间结构提供了研究动态过程，如化学反应、生命运动、材料结构相变等过程 的可能性，同步辐射光源的这一特点在第三代同步辐射光源体现更为充分。 ( 六) 清洁光源。 ( 七) 波谱特性可准确计算。 二、同步辐射原子分子研究概述 传统光化学主要使用气体放电灯进行分子的光解离研究。1 9 7 5 年红外多光子 离解的发现，开辟了红外光化学新领域。随着准分子激光和可调谐染料激光器的 出现，可见和紫外激光化学获得迅速发展。八十年代初，随着一批专用同步辐射 光源的投入运行，又为光化学提供了一种新型光源。原子分子真空紫外吸收、荧 光、光电子、光离子等研究工作相继开展并发展非常迅速。这些研究手段互为补 充，从而推动原子分子研究向更深层次发展。 在同步辐射发展的初期，在原子、分子中的应用主要是进行吸收光谱研究。 随着同步辐射装置的发展，即第二代和第三代同步辐射光源的出现，同步辐射光 质量的不断提高，同步辐射在原子、分子中的应用在广度、实验技术和研究内容 诸方面都有很大的发展。同步辐射在原子、分子中的应用的优势主要在于真空紫 外和软x 射线波段，除了光子能量高外，还是连续谱，这是传统光谱光源和激光 所不及的，可用于研究原子、分子的价态、内价态乃至芯态能级，研究原子、分 子的电离、双电离乃至多次电离过程，研究分子离子的离解电离通道等，大大地 2 第部分第一章同步辐射及其在原子分子科学的应用概述 扩展了原子、分子的研究内容。同步辐射与原子、分子作用是单光子过程，能准 确地测量出原子、分子的能态、离解能、电离能、吸收截面、电离截面等十分有 用的物理、化学数据。由于原子、分子的高能态的能级结构复杂、态密度高，存 在着丰富能态相互作用，给理论工作提出了许多研究课题，同步辐射实验为检验 这些理论工作提供了可靠数据。 同步辐射真空紫外用于原子分子研究的能量范围主要位于6 1 0 0e v ，这一 能量范围内的光电离和光离解过程是十分重要的，因为这些过程是诸多光化学现 象的最基本的过程。了解这些过程的动力学行为以及产物分布和它们的详细能量 分布，有助于其它许多领域的研究如大气化学、大气物理、等离子体物理以及某 些相应领域如激光设计、燃烧、同位素分离和选键化学等。同步辐射光化学常用 的实验方法有光电离质谱、光电子谱、光电子光离子符合谱、吸收光谱、荧光 光谱以及双光子技术，利用这些实验技术以及超声分子束，对分子、自由基或团 簇进行光电离、光离解研究，可以获得有关能态、离解能、质子亲和能、反应通 道等方面的信息。 当分子吸收了一个真空紫外光子后，或者被激发到很高的电子态，或者被预 离解生成中性产物，或者电离产生离子和电子，或离解生成离子及中性碎片，或 者发射荧光等等 4 】。分子的光电离过程常常存在多种通道，各个通道之间互相竞 争，产物复杂。图1 给出了双原子分子光电离的各种过程和可能的产物。对于每 一个具体的研究对象来说，由于有其自身的特点，要根据实验目的，选择合适的 实验方法。 第一部分 第一章同步辐射及其在原子分子科学的应用概述 d i 3 s b l j o n 图1 双原子分子光电离的各种过程和可能的产物 本章小结 本章简要介绍了 1 同步辐射的产生及特性； 2 同步辐射在原子分子物理研究领域的应用。 4 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 一、引言 光化学实验站是国家同步辐射实验室一期工程所建实验站之一，为国内外研 究原子分子、光化学的实验用户开放了几十个课题，发表论文一百多篇。但由于 光化学实验站所使用的同步辐射光子能量在3 0 3 0 0 r i m ，且光强较弱，不能满足 原子分子研究者的要求，所以在合肥国家同步辐射实验室二期工程的建设中，广 大用户和有关专家建议增添原子分子物理光束线实验站。 原子分子物理实验站利用波荡器产生的v u v 辐射，结合分子束、激光、光 谱、质谱等手段以及其它先进技术来研究气相原子、分子、自由基和团簇的化学 和物理特性。这个实验站将为国内外从事原子物理、分子物理、团簇科学、分子 反应动力学、结构化学等学科的科学家提供一个先进的研究场所。 由前文我们知道我们所得到的同步辐射是一个连续谱的光源。因此必须通过 光束线这一套装置将波荡器产生的辐射单色后提供给原子分子物理实验站使用。 所以光束线的设计与安装的结果直接决定了实验站的分辨、灵敏度等参数的好 坏。图2 为原子分子光束线结构图。 光束线的光学准直就是根据光学设计，将光栅、反射镜、狭缝等光学元件精 确的调整到位，使入射光按照设计要求单色化并聚焦于实验样品处。光束线的安 装与准直密不可分，先安装后准直，准直达不到要求，则需重新安装。安装光学 元件前，光束线的各光学元件已用模拟的镜子准直过；安装光学元件后，主要准 直它们的空间姿态，并对空间坐标进行复核。 波荡器辐射的能量范围为7 5 1 2 4 e v ，是不可见的。我们利用波荡器上游弯 铁的出口和下游弯铁的入口提供的可见辐射的重叠部分定义出的光束模拟波荡 器辐射光束，但其与波荡器真实辐射的光束往往不一致，只能用于光学元件的初 准直。光学元件的精确准直需要光束位嚣监测器和光强监测器的配合使用来实 现。 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 图2 原子分子物理光束线结构图 二、地面画线 现场安装的第一步是地面画线。图3 给出了安装中所需的基本尺寸和地面画 线。特别要指出的是，为确保画线的精度，不但决定光束线走向的基本点需要用 经纬仪来画定，而且基本点之间的连线也要用经纬仪加高精度直尺的方法来画 定，不能使用弹墨线的方法。 p一昏藉蘸 _；|酪b ， 严豳图一 甄 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 厂。亓萨卵：9 ， 一一一一 一一一一一一一一一一 _ - ：司 o 匮一一 。喜 图3 原子分子物理光束线安装尺寸及地面画线 三、u n d u l a t o r 辐射光束方位的确定 鹄r f 船肚l e 箩 1 3 0 就l 图4 在光束线前端出口处顺光束方向观察到的同步辐射光斑 光束线光学元件的准直首先是在大气环境下进行的，除了使用水平仪、经纬 仪等仪器外，还需要使用u n d u l a t o r 辐射的模拟光源。u n d u l a t o r 辐射为不可见光 束，无法从光束线前端玻璃窗口引出，因而在大气环境下不可能直接用u n d u l a t o r 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 辐射光束进行光束线光学元件的准直。上图最下面部分表示在没有u n d u l a t o r 辐 射情况下在光束线前端出口处顺光束方向观察到的同步辐射光斑示意图，图中小 圆圈应为u n d u l a t o r 辐射的位置。用约m 2n l l t l 的光栏放在小圆圈位置，将上游二 极铁3 0 。和下游二极铁o 。度辐射引出，作为安装各光学元件的准直光源( 下称同 步辐射准直光束) 使用。 实际上，按上述方法确定的同步辐射准直光束与真正的u n d u l a t o r 辐射光束 会有一定的偏差。为了确定同步辐射准直光束是否稳定可靠，在沿u n d u l a t o r 轴 线下游尽可能远的地方安装光屏来观察。在调试期间，常常观察到由于存储环束 流轨道的不稳定引起的同步辐射准直光束的漂移。这显然会影响准直工作的进 行。 为克服这一困难，我们改用h e n e 激光做准直光源。为此，在前端出口处 插入一块9 0 。棱镜，将h e - n e 激光引入光束线的光路，使用水平仪、经纬仪和重 锤线将h e - n e 激光调至与u n d u l a t o r 轴线精确重合。u n d u l a t o r 轴线就是安装 u n d u l a t o r 的长直线段的轴线，离地面高度为1 4 0 01 1 1 1 1 - 1 。为确定h e n e 激光束的 高度与u n d u l a t o r 轴线一致，用水平仪将h e - n e 激光束在入射9 0 。棱镜前有两处、 出射9 0 0 棱镜后有一处( 下游尽可能远的地方) 的高度调整到1 4 0 0m m ；为确定 h e - n e 激光束在水平方向与u n d u l a t o r 轴线一致，需要用经纬仪和重锤线。经纬 仪安放u n d u l a t o r 轴线上、离在9 0 。棱镜约1 0m 的地方，它们之间设置两条重锤 线。旋转和平移9 0 。棱镜，使h e - n e 激光束通过两条重锤线。然后在9 0 0 棱镜的 出射面放一片硫酸纸，通过经纬仪观察h e n e 激光。如果观察到的h e n e 激光 光斑位于经纬仪的垂直轴上，说明激光束在水平方向与u n d u l a t o r 轴线精确一致。 上述调整反复进行，直到h e - n e 激光束在水平和垂直两个方向u n d u l a t o r 轴线精 确一致。以下称准直后的h e - n e 激光束为模拟光源。 四、u 1 4 - 0 2 号真空室内多孔固定光栏的准直 为了在超高真空条件下也能用上述方法来准直光束线，在u 1 4 - 0 2 号真空室 内安装了一个小孔光栏。当真空条件下需要准直光束线时，把小孔光栏馈入光路 中就可以获得同步辐射准直光束了。 实际上，u 1 4 - 0 2 号真空室内安装的是多孔固定光栏，如图5 所示。光栏板 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 上有三个固定光栏，两个小孔，相邻二者间的垂直距离为1 2m m 。在由o 4m m 针 孔的下游安装有光电二极管，可用于测定u n d u l a t o r 辐射的光强分布，从而可准 确确定中心光束的位置，修正安装时可能出现的标定误差。最下面的小孔是用作 准直光源的，当u n d u l a t o r 的轴线精确测定以后，把它调到光路中，就可以将沿 着u n d u l a t o r 轴线方向的可见的弯铁辐射引到下游。 一 一 i 【 蚕 f 形 图5 u 1 4 0 2 号真空室内安装的多孔固定光栏 光学元件安装准直和真空调试达到要求后，用针孔探测器测量了u n d u l a t o r 辐射束的位置。测量期间，发现光束位置不稳定。只有当针孔高度为2 7 5i t m 2 ( 垂 直标尺读数) 、水平为1 2 61 t l r r l ( 水平位移千分头读数) 时，通过下游的标靶可 知，光束的位置才与理论值一致。 五、水平偏转镜m h 的安装和准直 1 ) 在光束线的子午面内、光栅室下游约2m 处安放经纬仪，通过光束线的 子午面内的两条重锤线，将经纬仪的轴线精确调整到光束线的子午面内； 2 ) 把模拟光源照射到模拟m h 上，平移真空室，使其照射到镜子的中心； 3 ) 把模拟m h 镜及镜架一块儿取出，安装真反射镜、水冷板和导热铟箔，然 后把真反射镜连同镜架安装回真空室； 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 4 ) 镜子的垂直方位准直 首先用另一个h e n e 激光，从水平方向通过真空室的面向环内的c f l 5 0 口 入射到镜子上，绕光束线光轴调整真空室，使反射光束与入射光束在同一平面内 然后在下游数米处测量模拟光源经m h 反射后的出射光束的高度，测得高度 为1 4 0 0r a i n ，确认该反射镜己调正。( 此步需要移开高于1 4 0 0m m 的下游真空室 部件) 5 ) 镜子水平偏转角的准直 首先调整镜子的水平偏转角，使出射光束中心通过下游光路上的两条铅垂 线。开始调整时有偏差，朝光轴方向平移真空室( 即平移反射镜) ，并调整镜子 的水平偏转角，反复调整，使出射光束中心精确通过下游光路上的两条铅垂线。 为确认水平偏转角是否已调整正确，在9 0 0 棱镜的出射面放一片硫酸纸，通 过经纬仪观察模拟光源。观察到的h e n e 激光光斑位于经纬仪的垂直轴上，说 明出射激光束与光束线的轴线精确一致。 6 ) 镜子的位置 m h 镜子是平面镜，在垂直方向移动，可以使用镜面的不同部位。镜面的宽 度为6 0m m ，上半部的镀层为a u ，下半部的镀层为n i 。在镜架的摇臂上指示的 位置是：2 5m i l l 为上半部的镀层的中部，5 5m m 为下半部的镀层的中部，9 0m i l l 为镜架下沿的凹槽，u n d u l a t o r 辐射不受镜子的阻挡，提供给支线用。 六、垂直聚焦镜m w 的安装和准直 1 ) 除去镜箱的上盖和腔体，只保留下盖和安装镜架的可移动平台，使得可用水 平仪和经纬仪来调整移动平台： 2 ) 移动平台的垂直度和水平度调整： 垂直度调整：通过地面画线，把通过镜子中心并垂直于光束线子午面的经纬 仪安装妥当，然后滑动平台，调整导轨方向，使镜子中心走过的轨迹在经纬仪的 子午面内； 水平度调整：借助水平仪，滑动平台，绕光束线光轴调整真空室，使平台侧 面的观察点( 标靶) 走过的轨迹在水平面内。 3 ) 在反射镜的姿态调整过程中，发现由于镜架的四个平面弹簧偏硬，致使载 1 0 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 镜台脱离支点，因而使姿态调整失控。采取增加拉簧的强度和去掉拉簧附近的一 块平面弹簧措施后，问题得到解决。光束线上的6 个同类镜架都做了相同的处理； 4 ) 在真空室外将真反射镜、水冷板和导热铟箔安装到镜架上( 要注意放正 镜子的前后位置) ，然后将真反射镜连同镜架安装到可移动平台上； 5 ) 用水平仪检查反射镜的垂直高度，通过调整镜箱的高度，使镜面中心达到 设计高度( 镜子的滚角是正确的情况下，测得高度才正确) ； 6 ) 镜子仰角的准直 调整镜子的仰角和入射狭缝高度，使出射光束通过入射狭缝和下游铅垂线， 并照射到光栅的子午面中心。在这种情况下，如果入射狭缝的高度为设计值，说 明光路是正确的。调整完毕后测得入射狭缝高度与设计值1 2 2 2 7 m 之差可忽略不 计； 7 ) 镜子滚角的准直 调整镜子的滚角，使出射光束通过入射狭缝照射到下游铅垂线上，并照射到 光栅的弧矢面中心。 8 ) 镜子的摆角准直 借助安装在下游的位于光束线子午面内的经纬仪观察镜子前沿和后沿中心 刻线( 前者需薄纸片把刻线延伸出镜面，否则观察不到) ，使其与经纬仪的垂直 叉丝重合。然后，观察出射光束在入射狭缝平面上的光斑的水平度。如果镜子的 实际子午面与基底的几何轴线不重合，光斑不水平，需微调摆角，宜到满意为止。 调试结果表明，该镜子的实际子午面与基底的几何轴线的重合程度是令人满意 的，因此几乎不需要进行再次调整。 上述5 卜8 ) 步反复进行，直到满意为止。 9 ) 准直精度的检查 由于m w 是柱面镜，光束又比镜子窄，因而可以平移来选择未受污染的镜 面。如果上述调整的精度高，进行这种操作后光路不受影响。平移镜子，用水平 仪检查入射光束高度( 在入射狭缝附近) 是否发生改变，便可知安装精度是否达 到要求。造成平移镜子时入射光束高度发生改变的因素很多，如平移导轨是否与 光轴垂直，是否水平，镜子的摆角调整是否到位等。 我们把m w a 反复调整后，发现平移镜子时入射狭缝上光斑的高度只有微小 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 的改变，证明上述调整的结果是满意的。 1 0 ) m v h 柱面镜在移动平台上的位置 m v h 柱面镜的中心处于光路时，转动把手标尺的读数为2 0 i 1 1 1 1 1 七、垂直聚焦镜m v l 的安装和准直 由于垂直聚焦镜m w 和垂直聚焦镜m y 是安装在同一个移动平台上的，垂 直聚焦镜m v h 调整完毕后，就认为移动平台已经调整好了。因此，m v l 的调整 只能通过镜架的调整来进行。 垂直聚焦镜m v l 的安置和准直过程基本同上，只是由于在出射光束中多了 一个平面反射镜，因而给判断m v l 是否调正带来一些困难。 1 ) 在真空室外将真反射镜、水冷板和导热铟箔安装到镜架上( 要注意放正 镜子的前后位置) ，然后将真反射镜连同镜架安装到可移动平台上： 2 ) 检查反射镜的垂直高度是否正确。通过调整镜架的高度，使镜面中心达 到设计高度( 镜子的滚角是正确的情况下，测得高度才正确) 。这里，不能通过 调整镜箱的高度来调整镜面中心的高度，因为m 已经调整到所需的高度； 3 ) 镜子仰角的准直 移走m l 镜箱，在出射狭缝上方放置一光屏( 硫酸纸) ，测量出它与垂直聚 焦镜m v 。的水平距离，椐此和m x n 的出射光束的理论仰角计算出出射光束在光 屏在上应有的高度，并在光屏上画出水平线。调整镜子的仰角，使出射光束照射 到水平线上： 4 ) 镜子的滚角准直 调整镜子的滚角，使出射光束在光束线的子午面内； 5 ) 镜子的摆角准直 借助安装在下游的位于光束线子午面内的经纬仪观察镜子前沿和后沿中心 刻线( 前者需薄纸片把刻线延伸出镜面，否则观察不到) ，使其与经纬仪的垂直 叉丝重合。然后，观察出射光束在入射狭缝平面上的光斑的水平度。如果由于镜 子的实际子午面与基底的几何轴线不重合，造成光斑不水平，则需微调摆角，直 到满意为止。调试结果表明，该镜子的实际予午面与基底的几何轴线的重合程度 是令人满意的，因此几乎不需要进行再次调整。 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 同m v h 一样，由于m w 是柱面镜，光束又比镜子窄，因而可以平移来选择 未受污染的镜面。如果上述调整的精度高，进行这种操作后光路不受影响。平移 镜子时，用水平仪检查入射光束高度( 在入射狭缝附近) 是否发生改变，便可知 安装精度是否达到要求。我们把m v l 反复调整后，发现平移镜子时光屏上光斑 的高度只有微小的改变，证明上述调整的结果是满意的。 6 1m w 柱面镜在移动平台上的位置 m w 柱面镜的中心处于光路时，转动把手标尺的读数为8 6 2 i l r n 八、垂直偏转镜m l 的安装和准直 1 ) 在真空室外将真反射镜、水冷板和导热铟箔安装到镜架上：然后把镜架 法兰安装在平台上，用精密水平尺将其调平。用一束h e n e 激光从水平方向照 射到镜子上，调整反射镜，使出射h e n e 激光束与入射光束在同一水平面内( 用 水平仪观察) ； 2 ) 把真空室移入光路中，借助光路上的经纬仪，将真空室的镜架法兰口调 致与束线的子午面平行。然后将镜架法兰安装回真空室。旋转镜架法兰，使通过 m l 后的光束照射到入缝附近。紧固法兰，同时观察光束在入缝附近的变化情况， 要设法使光束保持在束线子午面内。由于镜架是安装在法兰上的，紧固法兰会影 响镜子的姿态，因此，应尽可能把法兰紧固到位，以免检漏时再紧固法兰而破坏 已调整好的镜子的姿态； 3 ) 用安装在镜子弧矢面内( 通过地面画线) 的经纬仪检查镜子的水平位置， 用水平仪检查镜子的垂直高度，并调整到设计值； 4 ) 镜子仰角的准直 通过镜架的仰角调整来调整出射光束，使其通过下游子午面内的重锤线，并 照射到光栅的予午面中心。在上述调整中，入射狭缝及其调整机构是不在线的， 因为它在线的话会摭挡下游经纬仪的视线。在入射狭缝处一片硫酸纸，测量光斑 的高度，结果比设计值小约0 4m m ( 设计高度为1 4 3 8 7m m ) 。这是由m v l 和 m l 的高度、水平位置和仰角的调整误差造成的。实际上，该误差只是使单色器 的包含角1 5 1 。增加约o 0 1 。，对光束线的性能没有任何影响。 5 ) 镜子的滚角准直 第一部分 第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 通过镜架的滚角调整来调整出射光束，使它通过狭缝照射到光栅的弧矢面中 心( 通过安装在光路中重锤线) 。 6 1 镜子的摆角准直 由于m l 是平面镜，摆角调整不敏感。实际上，在进行第1 ) 步时，已将摆角 调正确； 7 ) 平移导轨与光轴垂直度的调整。 由于平移导轨是垂直安装在法兰上的，在进行第2 ) 步调整时，已完成了本 调整。通过上述调整后，移动镜架，观察入射光束高度( 在入射狭缝附近) 变化 情况，发现光束高度只有微小变化。说明m l 已调正。 8 ) m l 镜子在移动平台上的位置 m l 的中心处于光路时，转动把手标尺的读数为1 5 格 九、入射狭缝的安装和准直 在地面上标记入射狭缝的投影，通过入射狭缝的投影画垂直于光束线子午面 的垂直线，把经纬仪安装在该线上以准直入射狭缝的水平位置；将入射狭缝及其 调整机构就位，借助经纬仪将入射狭缝调整到所需位置； 把水平仪安装在入射狭缝下游( 不一定在光路上) 能观察到入射狭缝的地方， 用它测定入射狭缝的高度和水平度。由于入射狭缝平面不垂直于水平面，不能通 过水平仪直接观测入射狭缝的高度和水平状态。为进行此测量，事前已在平台上 将狭缝在狭缝腔内的几何位置转移到了狭缝腔的表面，刻画出标记线。旋转狭缝 腔体，把标记线调致水平。然后，上下移动狭缝，让入射光均匀通过狭缝。 十、光栅的安装和准直 光栅的安装和准壹是整条光束线安装和准直的核心。它包括光栅相对于光栅 转轴的准直和光栅室在束线光路中的准直两方面。一般情况下，前者是离线进行 的，然后把准直后的光栅室移入光路，再进行第二步准直。我们是在光束线已就 位并且真空调试完成后来进行光栅的安装和准直的，因此这两方面的工作是在线 进行的。 1 ) 光栅转台的复测 1 4 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 此次光栅的安装和准直是在完成束线真空调试一年多后进行的，在安装和准 直真光栅前，进一步复测了光栅转台经烘烤的变化情况。 卸去光栅室两侧的玻璃观察窗，在光栅转轴两端的同轴孔内各放置一只同心 圆标靶，通过它们将光栅室外的准直望远镜调正。然后，卸下同心圆标靶，在光 栅移动台上放置一标靶，移动光栅移动台，观察标靶的移动情况。检查结果是满 意的，证明了光栅平移导轨与光栅转轴是精确平行的。 2 ) 光栅转轴姿态的复测 在通过光栅中心的地面投影，并垂直于子午面的地面画线上放置水平仪，设 定在光栅要求的高度，又在光栅旋转轴两端的同轴孔内各放置一只同心圆标靶， 调整光栅室，将光栅转轴姿态进一步准直，即将光栅转轴调整到精确水平，并与 子午面垂直。 经过上述两步调整后，下面进行光栅的安装和准直。先安装3 7 0l r a m 光栅， 然后安装7 4 01 m m 光栅，最后安装1 2 5 01 m m 光栅。 3 ) 3 7 01 n u n 光栅的安装和准直 ( 1 ) 卸下光栅架( 此操作在进行上述两步前已经完成了) 。在净化室内，把 模拟光栅两侧的水冷板固定到准备好的铝板上，将水冷板连同拉紧弹簧一道从模 拟光栅上取出，并卸下模拟光栅： ( 2 ) 从包装盒取出光栅，在其两侧和两端刻画出中心线，然后把它安装到光 栅架上，并安装水冷板和导热铟箔； ( 3 ) 把安装好光栅的光栅架安装到光栅转台上，移动转台使光栅中心与光轴 重合，记录下手轮转动的圈数( 光栅平移台刚好接触u 形支架手轮方向侧壁的 位置为起点) 和手轮刻度； ( 4 ) 通过水平仪观察光栅的高度，调整光栅架使光栅表面与光栅转轴一致， 并在光栅的表面两边没有用的地方刻画出转轴的标记： ( 5 ) 借助安装在下游的位于光束线子午面内的经纬仪，观察光栅前沿和后沿 中心刻线( 前者需薄纸片把刻线延伸出镜面，否则观察不到) ，调整光栅摆角使 其与经纬仪的垂直叉丝重合。 ( 6 ) 按照m c k i r m y 等提出的方法准直光栅刻鲥5 1 ，如图6 所示： 在我们的条件下，由于光栅转台的转动角度限制，不是每块光栅的+ 】，0 和1 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 级在光屏上的光斑都能调整到使它们重合。为了进行此调整，我们在光栅室上方、 束线子午面内放置一光屏，并在光屏中心画上直线，如图7 所示。 光栅需绕v 厂= = = i ：= = 1 轴转动。i ：= - - - - l 光栅需绕x 厂 轴转动 l ：= ：= ：二i 光栅已准厂 曹1 i 图6 l l c k i n n y 等提出的准直光栅刻线的方法 图7 准直3 7 0l l m m 光栅时激光器和光屏的安排 首先把h e - n e 激光器安置在图中所示位置，借助下游经纬仪把激光束调整 到束线子午面内，并入射到光栅的中j 匹。其次，把经纬仪朝向光屏，调整光屏方 向使其上的画线与经纬仪的垂直叉丝重合。第三，松开正弦杆与光栅转轴的连接， 在最大范围内旋转光栅，仔细观察+ 1 ，0 和1 级光在光屏上画过的轨迹，由此判 断并调整光栅的滚角或摆角，直至线+ i ，0 和1 级光画过的轨迹或延长线完全重 第一部分 第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 合，但不一定与光屏上的画线重合。最后，如果不重合，需要旋转光栅室使它们 实现重合。我们在进行这一步调整时，只是把光栅室在水平面内向反时针方向旋 转了约o 2 m r a d 就达到了目的。 4 ) 7 4 01 m m 光栅的安装和准直 重复3 7 01 m m 光栅的安装和准直程序，完成7 4 01 m m 光栅的安装和准直。 不同在之处是h e - n e 激光器安置位置有所差别，如图8 所示。 图8 准直7 4 0l m m 光栅时激光器和光屏的安排 5 ) 1 2 5 0i m m 光栅的安装和准直 重复3 7 01 m m 光栅的安装和准直程序，完成1 2 5 0 1 m m 光栅的安装和准直。 不同在之处是h e n e 激光器安置位置有所差别，如图9 所示。 第部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 图9 准直1 2 5 0l m m 光栅时激光器和光屏的安排 6 ) 光栅及光栅室准直情况的检查 第一步，把经纬仪转向光栅室上方的光屏，同时把h e - n e 激光也照射到光屏 上，让激光光斑与经纬仪的十字叉丝重合，用h e n e 激光在光屏上产生的杂散光 作为光栅室准直的光源。为了提高杂散光的品质，在光屏上贴一块磨沙陶瓷板： 第二步，把经纬仪转向光栅，扫描光栅，观察衍射光是否与经纬仪的垂直叉 丝重合。如果不重合，则要调整光栅室的滚角和摆角，直到衍射光与经纬仪的垂 直叉丝重合为止。检查结果是衍射光与经纬仪的垂直叉丝完全重合，无须再调整 光栅室的滚角和摆角。 第三步，分别切入另外两块光栅，用同样的方法观察衍射光是否与经纬仪的 垂直叉丝重合。如果不重合，说明光栅的刻线没有与光栅转轴达到足够高的平行 度，需要进一步调整光栅的刻线与光栅转轴的平行度，而不能调整光栅室的滚角 和摆角。检查结果是衍射光与经纬仪的垂直叉丝完全重合，无须再进行任何调整。 7 ) 光栅切换机构的标定 按照设计，光栅的切换操作应在光栅处于零级的位置进行。由于加工的错误， 光栅的切换操需要正弦驱动机构走到3 1 5m m ( g 线位移传感器读数) 位置进 行。 根据光栅的准直结果，各光栅的位置是：以光栅移动台碰到左侧壁为起点， 第一部分第二章原子分子光束线光学元件的安装和准直 驱动丝杆转动的圈数分别是： 1 2 5 0 1 m r a 光栅3 圈4 9 。 7 4 0 l m m 光栅3 4 圈4 0 。 3 7 0 l m m 光栅6 5 圈9 5 。 十一、出射狭缝的安装和准直 实际上，在进行真空室的安装时已对出射狭缝及扫描台进行过精确的安装和 准直，现在需要进行复测。图1 0 给出了出射狭缝处于4 1 5 5m m ( 出射狭缝扫描中 间位置) 位置时的相关尺寸即出射狭缝腔体出口平面离扫描平台下游端面的距 离为9 7 1m l r l ，扫描平台下游端面离左侧导轨( 向上游看) 的下游端面的距离为 3 6 8 9 2r n m 。 图l o 出射狭缝处于4 1 5 5m l t l 位置时的相关尺寸 把经纬仪安装在出射狭缝扫描