光学元件污染对X射线自由电子激光光束质量的影响.docx资源-CSDN文库

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摘要

光学元件污染对 X 射线传输有很大的影响,尤其是高亮度、高相干 X 射线自由电子激光的

传输。然而,目前针对 X 射线自由电子激光光学元件污染问题的相关研究非常少。首先,给

出了 X 射线自由电子激光的特性。然后,总结了同步辐射中碳污染问题的影响、控制和清洁

方案。接着,分析了在 X 射线自由电子激光光束线中碳污染对光束品质影响的特殊之处。最

后,分析了颗粒污染在 X 射线自由电子激光光束线中可能发生的损伤、熔化和遮挡三种情况

对光束品质的影响。

Abstract

Optics contamination has a great impact on X-ray transportation, especially in high-

brightness, high-coherence X-ray free-electron lasers. However, there are very few

related studies on the optics contamination of X-ray free-electron lasers. First, the

characteristics of the X-ray free-electron laser are given. Then, the effects, control, and

cleaning schemes of carbon contamination in synchrotron radiation are summarized.

Moreover, the special effects of carbon contamination on the beam quality in X-ray free-

electron laser beamlines are analyzed. Finally, the damage, melting, and blocking that

particle contamination may occur on X-ray free-electron laser mirrors are analyzed, and

the effects of the three conditions on the beam quality are given.

1 引言

X 射线自由电子激光(XFEL)具有高亮度、高相干性和超短脉冲的特性,这些特性为科学研究

提供了前所未有的探测手段

[1-2]

。因此,近 20 年内世界上先后建成了 7 台 XFEL 装置,分别是

位于德国的 FLASH、位于意大利的 Fermi、位于美国的 LCLS、位于日本的 SACLA、位

于韩国的 PAL-XFEL、位于德国的 European-XFEL 和位于瑞士的 Swiss-FEL。另外,还有

正在建设的美国的 LCLS-II 和中国的 SHINE(上海硬 X 射线自由电子激光),以及即将开放运

行的 SXFEL(上海软 X 射线自由电子激光)。从波段角度来看, FLASH、Fermi 和 SXFEL 是

从紫外到软 X 射线波段的装置,其余的为硬 X 射线自由电子激光。从重复频率角度来

看,European-XFEL、LCLS-II 和 SHINE 是高重复频率 X 射线自由电子激光。XFEL 的优

异特性给光束传输系统的建设提出了极大的挑战。首先是高亮度带来的损伤问题,XFEL 单

个脉冲的能量可以达到毫焦量级,这种情况下单个脉冲就可以引起光学元件的损伤。为了解

决这个问题,会选择损伤阈值高的镀层,同时光束线的光学元件普遍放置在远离光源点的位

置,进而降低光学元件上的峰值功率密度,以进一步避免单脉冲和多脉冲引起的损伤问题。

其次是相干光波前保持问题,高相干光的传输要求波前保持以充分利用 XFEL 的高亮度、高

相干性的特点。这对光学元件的加工、夹持和冷却都提出了很高的要求。在上述问题的前

提下,需要考虑一个非常重要的会引起上述问题的因素,那就是光学元件的污染问题,污染问

题会直接造成光学元件损伤,引起波前畸变,导致相干度和通量的降低。光学元件的污染问

题在高功率激光的传输中非常重要,尤其是颗粒污染对光学元件损伤阈值和激光传输的影响

[3-10]

。在同步辐射的传输中光学元件的污染问题也不可忽视。特别是,软 X 射线光束传输中

光学元件的碳污染是一直存在且没有解决的问题。在同步辐射的光束线建设过程中通常会

通过提高真空度、等离子体抛光、引出电流和加入洁净的屏蔽罩等方法降低碳污染的速度,

在运行过程中还会利用在线清洁方式去除碳污染。在同步辐射中通常提到的碳污染影响包

括:碳边附近的通量损失;在 800~1600 eV 能量范围内的反射率振荡和散射损失。XFEL 是

X 射线波段的激光,因此它兼具常规激光和同步辐射 X 射线的双重特性,但由于 XFEL 仅仅

发展了十几年,特别是高重复频率 XFEL 的发展才刚刚起步,故 XFEL 光束传输中的污染问

题还没有得到充分研究。例如,碳污染在 XFEL 的相干光传输中引起的问题会更加广泛和严

重。在同步辐射中没有提及的颗粒污染,在 XFEL 中类似于常规激光会有非常严重的影响。

当 XFEL 的光学元件暴露在大气中时会有灰尘污染、人源污染,在真空腔中会有金属颗粒随

高速气流落在镜面而产生的污染。这样的颗粒在光束传输中会对波前带来非常严重的影

响。首先,本文给出了 XFEL 的特点和对光学元件的需求,并总结了同步辐射光束线中的碳

污染问题和清洁方法。然后,从 XFEL 特点和需求出发给出了光学元件污染对 XFEL 光束传

输的影响分析和可能的解决方案。

2 XFEL 的特点及对光学元件的要求

XFEL 具有高亮度的特点,如图 1 所示,它的亮度是第三代同步辐射光源亮度的 10

~10

倍。

单脉冲的光子数可以达到 10

~10

,而兆赫兹高重复频率的 XFEL 每秒的光子数还要再提

高 6 个量级,此时 XFEL 的通量比同步辐射白光通量还要高。XFEL 具有高相干性的特点,通

常自放大自发辐射(SASE)模式的 XFEL 在软 X 射线波段的空间相干性可以达到 80%以上,

在硬 X 射线波段中可以达到 50%以上

[11]

。XFEL 具有超短脉冲的特点,脉冲长度小于 100

fs,目前正在向阿秒尺度发展。此外,XFEL 除了具有上面的特性外还有高准直性的特点,以

SHINE 的光源为例,在 0.2~25.0 keV 能量范围内的半峰全宽发散角仅为 1.3~28.0 μrad,此

时即使光学元件在 200 m 位置处,光斑的半峰全宽尺寸也仅有 0.26~5.60 mm。

式中: ϕ=2πτ/λ 是在波长为 λ 时,孔径内的相位误差;τ 是孔径内的光程误差;<·>表示加权平

均。S

也可以由相位误差 ϕ 的统计结果来表示

[13]

,即

SR≈exp(−σ2)≈1−σ2,(2)SR≈exp(-σ2)≈1-σ2,(2)

式中:σ 是相位误差 ϕ 的均方根(RMS)值,其表达式为

σ2=∑iσ2i,(3)σ2=∑iσi2,(3)

式中:σ

是第 i 个光学元件引入的相位误差,对于反射式光学元件,其表达式为

σi=2π×2hi×sinθi/λ,(4)σi=2π×2hi×sinθi/λ,(4)

式中:h

为第 i 个元件的高度误差的均方根值;θ

为掠入射角。由式(2)~(4)可以推导出 S

的表

达式

[14-15]

,即

SR=1−∑i(2π×2hi×sinθi/λ)2,(5)SR=1-∑i(2π×2hi×sinθi/λ)2,(5)

进而可以推导出

hi=λ1−SR√2π×2×sinθi×N√,(6)hi=λ1-SR2π×2×sinθi×N,(6)

式中:N 为光学元件数量。当要求 S

>0.80 时,光束的波前均方根误差需要小于 λ/14(RMS),

则要求每个光学元件的高度误差为

hi≈λ14×2×sinθi×N√,(7)hi≈λ14×2×sinθi×N,(7)

以光学元件数量 N 为 6,能量为 7 keV,也就是波长 λ 为 0.177 nm,掠入射角 θ

为 4 mrad 计

算,光学元件的高度误差要求小于 0.68 nm(RMS),这是接近于理想的光学元件才可以实现

的。目前,从光学元件加工的角度可以达到 0.5 nm(RMS),但是考虑到夹持、冷却等,目前技

术难以达到这样的要求。

由于 XFEL 的高亮度特性,故需要使用耐损伤镀层,常用的镀层有 B

C、C 和 SiC 等,这类镀

层的全反射角比金属镀层小,反射率比金属镀层高,这是与大部分同步辐射光束线中显著不

同的。在实验站附近已经远离光源点时,也可以使用高熔点的金属镀层如 Ru

[16]

,增大掠入射

角,降低光学元件的长度需求。综合以上的因素,XFEL 的光束线普遍较长,光学元件的精度

要求和长度要求都达到了目前技术水平的上限。

3 光学元件污染及影响

第 2 节提到了 XFEL 对光学元件的极限要求,即使从加工、夹持和冷却等角度实现了上述要

求,还不能保证 XFEL 高品质的传输,还要考虑一个非常重要的因素,即光学元件污染。光学

元件污染会在光束线安装和运行过程中降低光学元件的面形精度。在 XFEL 光束线中污染

可以分为两种,一种是碳污染,另一种是颗粒污染,下面详细分析一下两种污染对光学元件的

影响和对 XFEL 光束质量的影响。

3.1 碳污染

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