软x射线光发射电子显微镜光束线聚焦用kb镜系统.doc

软 X 射线光发射电子显微镜光束线聚焦用 KB 镜系统 陈家华 龚学鹏 薛松 卢启鹏 彭忠琦 宋源 王依 中国科学院上海应用物理研究所 中国科学院大学 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室 摘 要： 研制了光发射电子显微镜 (PEEM) 高精度微聚焦系统, 以实现上海光源软 X 射线 PEEM 光束线的高质量聚焦根据上海光源 PEEM 光束线的概况, 给出微聚焦系统光学元件的基本参数基于 Kirkpatrick-Baez (KB 镜) 两镜方案, 设计了PEEM 线微聚焦系统介绍了 KB 镜姿态调整机构的设计方案, 即利用三垂直线性驱动装置和两水平线性驱动装置相结合来实现五维调节, 分析了姿态调节机构的原理与工作过程, 给出了微聚焦系统的整体设计方案测试了 KB 镜系统的机械性能, 给出水平调节机构以及第一面镜子 Pitch 运动的测试结果, 结果显示:水平调节机构分辨率为 0.6μm, 重复精度为 0.85μm, Pitch 角度分辨率为0.4″, 重复精度为 0.5″, 优于指标要求其它参数的测试结果亦均优于指标要求实验表明, 微聚焦系统机械指标的实现保证了 PEEM 线光斑的高质量聚焦。

关键词： 同步辐射; 光发射电子显微镜 (PEEM) ; X 射线显微镜; KB 镜; 结构设计; 作者简介：陈家华 (1982-) , 男, 浙江嘉兴人, 博士研究生, 高级工程师, 2005 年于中国科学技术大学获得学士学位, 主要从事同步辐射技术的研究E-mail:chenjiahua@作者简介：龚学鹏 (1982-) , 男, 内蒙古赤峰人, 博士, 副研究员, 2010 年于吉林大学获得博士学位, 主要从事精密机械设计与工程 CAE 分析的研究E-mail:gongxuepeng120@收稿日期：2017-03-27基金：国家自然科学基金资助项目 (No.61404139) KB mirror system of X-ray photo-emission electron microscope beamlineCHEN Jia-hua GONG Xue-peng XUE Song LU Qi-peng PENG Zhong-qi SONG Yuan WANG Yi Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences; State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences; Abstract： A high accuracy micro-focusing system was designed to improve the light spot focusing quality of the X-ray beam-line for Photo-emission Electron Microscope (PEEM) in Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) .The layout of PEEM beam-line of the SSRF was introduced and basic parameters of optics of the micro-focusing system were presented.Two Kirkpatrick-Baez mirrors (KB mirror) were adopted to finish the design of micro-focusing system.The design scheme of a key component-posture adjusting mechanism in the system was introduced.Namely, a threevertical linear driving equipment and a two horizontal linear driving device were combined to implement five-dimensional adjustment of the system.The working principle and process of the posture adjusting mechanism were introduced, and the overall design scheme of micro-focusing system were analyzed deeply.The mechanical performance of KB mirror system was tested, and the testing results of the horizontal adjusting mechanism and the pitch motion of first mirror were given.That the resolution and repeat accuracy of horizontal adjusting mechanism are 0.6 μm and 0.85 μm respectively, and those of pitch motion are 0.4″and 0.5″respectively, which are better than that of the technical requirements.The other parameters were tested as well, and the results also satisfy the technical requirements.The realization of technical targets of KB mirror system guarantees the high quality focusing of PEEM bean-line.Keyword： synchrotron radiation; Photo-emission Electron Microscope (PEEM) ; X-ray microscopy; KB mirror; structure design; Received： 2017-03-271 引言光发射电子显微镜 (Photo-Emission Electron Microscopy, PEEM) 是一种功能极为强大的表面成像技术, 通过观察样品表面发射的电子, 可以获得极高分辨率的表面形貌、化学成分和磁性信息[1]。

PEEM 具有以下主要特点:平行成像, 不需要对样品表面进行扫描, 成像速度快;配合多种激发源使用, 如氦灯、氘灯、X 射线源、电子束、离子束、甚至同步辐射光源等;通过选配多种能量分析器, 如成像能量分析器 (IEF) 、微区能量分析器等, PEEM 不仅可以获得图像, 还可以进行能谱分析[1]同步辐射光源具有高亮度、准直性、相干性、偏振性和宽能量波段等特性, 不仅是进行 PEEM 实验的优先选择, 还是获得良好实验结果的有效保证, 因此, 世界各大同步辐射装置都在建设高性能的 PEEM 光束线站上海光源梦之线的建设目标是建设一条宽能段、超高能量分辨率的软 X 射线光束线, 它有 ARPES 和 PEEM 两个实验站PEEM 实验站的能量为 20~2 000eV, 聚焦光斑大小为 5.2μm×2.2μm为了能够实现宽能段、高分辨和较小的聚焦光斑, 对梦之线各个部件的性能提出了近乎苛刻的要求其中的一个关键部件是微聚焦系统, 用于将单色光聚焦于样品处为了保证微聚焦系统的性能, 并兼顾经济条件, 采用 Kirkpatrick-Baez (KB) 镜聚焦系统, 可获得几微米的聚焦光斑鉴于 KB 镜系统的重要性, 近年来国内外各大同步辐射装置及相关研究机构对 KB 镜系统进行了大量研究。

Patrick P.Naulleau 等人研究了一种 KB 光学元件原位扫描狭缝调试系统[2]S.Matsuyama 等人对先进 KB 光学元件的四镜调试系统进行模拟研究[3]Gene E.Ice 等人研究了热中子 KB 微聚焦光学元件以及高性能的 KB 超级镜[4-5]C.Rau 等人对锥形光束低于 100nm 聚焦尺寸的KB 镜进行了研究[6]在国内, 王占山等人对 X 射线 KB 显微成像系统的光学设计、成像质量、分辨率模型以及反射镜研制等内容进行探讨和研究[7-8]由于 KB 镜系统是梦之线的关键部件, KB 镜系统性能的优劣直接影响到光束线的整体性能上海光源能够提供高光子通量、高光谱分辨和高空间分辨, 而单色光聚焦光斑尺寸非常小, KB 镜的姿态对于聚焦光斑的大小至关重要, 因此, 对 KB 镜系统的设计、加工、安装和调试都提出了非常高的要求本文在介绍梦之线基本概况的基础上, 研究了 PEEM 微聚焦系统的设计方案, 并对微聚焦系统的性能进行了测试2 PEEM 光束线概况PEEM 线是上海光源梦之线的一个分支, 其光学布局如图 1 所示考虑到锯齿墙与光源的距离约为 18 m, 因此四刀狭缝的位置选为距光源 20m 处, 用来定义整条光束线的接收角。

对于不同的光栅, 根据对通量和能量分辨率的要求来选择四刀狭缝的开度四刀狭缝吸收了大部分的热负载, 因此需要采用水冷22m处是一块垂直放置的平面镜 M1, 主要用于吸收热负载和抑制高次谐波减小掠入射角可以提高样品处的光子通量, 但是会增大第二块平面镜上的热负载, 同时会降低谐波抑制能力综合考虑, 掠入射角取为 1.2°由于 M1 的热负载很大, 因此需要内部水冷27m 处是 SX700 型平面光栅单色仪, 采用变线距的平面光栅, 共有 4 块光栅, 可以沿横向进行切换, 分别用于不同的能量范围和分辨率要求1 块平面镜表面分为 2 个镀层区域, 分别是 Ni 和 Au 镀层29.59 m处是一块垂直放置的平面偏转镜, 表面镀金, 用于将光偏转到 PEEM 分支线, 偏转角是 2.5°45 m 处分别是 ARPES 线和 PEEM 线的单色光狭缝由于在狭缝之前光束在水平方向没有聚焦, 因此狭缝的水平开口很大, 取固定值 15mm, 垂直开口可调由于狭缝水平刀口很长, 为防止热负载引起刀口形变, 采用水冷在两个单色光狭缝之后, 分别采用一对 KB 镜将单色光聚焦到各自的样品处, 由于 PEEM 实验站比 ARPES 实验站的光斑要求更小, 因此将 PEEM 实验站放置在ARPES 实验站之后, 增大 PEEM 线 KB 镜的物距, 从而减小样品处的光斑。

PEEM 线 KB 镜系统的第一面镜子水平放置, 第二面镜子垂直放置, 如图 2 所示, 其基本参数如表 1 所示KB 镜成像的基本原理为:光线由光源 A 发出, 经过两块镜子 M 和 N 后聚焦于理想像面 B, 两块反射镜沿光轴放置, 如图 2 所示, 分别满足成像公式[8]:其中:θ 1和 θ 2分别为两块反射镜的掠入射角, R 1和 R2分别为两块反射镜的曲率半径, p 为光源到反射镜中心的物距, q 为反射镜中心到理想像面的像距图 1 梦之线布局 Fig.1 Layout of dreamline 下载原图图 2 KB 镜系统原理 Fig.2 Principle of KB mirror system 下载原图KB 镜系统中采用了椭圆柱面镜两块椭圆柱面镜都是直接加工获得的, 其面形误差小于 5μrad,。