高真空低溫環(huán)境中的樣本定位

采用同步光束進(jìn)行脈沖激光沉積(PLD)原位表征

利用六軸樣本操縱器獲取的真空室內(nèi)視圖（圖片：由弗拉斯卡蒂INFN LNF的Augusto Marcelli博士和意大利米蘭比可卡大學(xué)的Valter Maggi博士提供）

根據(jù)南極洲和阿爾卑斯山脈的深冰芯中的粉塵對(duì)氣候變化和冰河形式進(jìn)行的研究需要寒冷和無(wú)污染樣本環(huán)境。儀器需在低溫環(huán)境以及溫度為‐50攝氏度的高真空室（10–7百帕）中進(jìn)行操作。

粉塵的結(jié)構(gòu)和成分通過(guò)X-射線吸收光譜、X-射線熒光和X-射線衍射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。分析需要對(duì)樣本極其復(fù)雜和非均勻的表面進(jìn)行映射，且精度需達(dá)微米級(jí)。

這一任務(wù)通過(guò)一個(gè)SpaceFAB定位機(jī)器人完成，其可在所有直線和角度方向上實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)。SpaceFAB專門針對(duì)高真空使用而定制，極其緊湊，配備真空兼容型步進(jìn)電機(jī)，可適用于-50至+80攝氏度的溫度范圍。

此實(shí)驗(yàn)為位于意大利弗拉斯卡蒂INFN LNF的CryoAlp項(xiàng)目的一部分。該研究有一部分在SSRL開(kāi)展，而SSRL是斯坦福大學(xué)代表美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室運(yùn)作的一個(gè)國(guó)家用戶裝置。

該六軸顯微操縱器在-50攝氏度下通過(guò)合格驗(yàn)證

經(jīng)測(cè)量，絕對(duì)位置精度為10微米（線性）和50微弧度（角度），重復(fù)精度僅為100納米和10微弧度。干涉測(cè)試顯示1分鐘內(nèi)的平均靜態(tài)穩(wěn)定性高達(dá)20納米，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的徹底檢驗(yàn)。

高真空中的樣本操縱器

采用同步光束進(jìn)行脈沖激光沉積(PLD)原位表征

在ANKA同步輻射裝置（卡爾斯魯厄，德國(guó)）的NANO光束線中，同步輻射的X-射線衍射和反射可用于研究薄膜在真空條件下的結(jié)構(gòu)屬性，這也是現(xiàn)代材料研究的一部分。

為了在光束線中直接使用，開(kāi)發(fā)了一體化系統(tǒng)，其中脈沖激光用于將固體靶材帶到氣相中，然后使其沉積作為襯底上的一層。光束線PLD系統(tǒng)的特點(diǎn)是激光加熱（可將襯底加熱至1200攝氏度）以及簡(jiǎn)便加載。一個(gè)特殊特征是：由于樣本操縱器的尺寸小，即使襯底高度較低，也可實(shí)現(xiàn)X-射線的較寬角度范圍。

樣本操縱器中的六足位移臺(tái)

在樣本操縱器中，由PI設(shè)計(jì)的用于高真空的六足位移臺(tái)可相對(duì)于入射X-射線定位樣本，即10 毫米 × 10 毫米的襯底，使樣本可以0.001度的分辨率繞X和Y軸傾斜±5度。此外，為了補(bǔ)償層厚度差，它可沿Z 軸（即垂直于樣本表面的方向）進(jìn)行移動(dòng)，最大移動(dòng)量為3毫米。同時(shí)，系統(tǒng)沿X和Y軸方向的移動(dòng)量可達(dá) ±6毫米，從而可以掃描到 樣本表面的不同位置。六足位移臺(tái)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，需要時(shí)可執(zhí)行進(jìn)一步的定位任務(wù)。

為X-射線衍射實(shí)驗(yàn)定位真空室

在瑞典MAXlab的儲(chǔ)存環(huán)MAX II處，光束線I811專用于通過(guò)X-射線吸收光譜進(jìn)行材料科學(xué)研究以及表面科學(xué)X-射線衍射實(shí)驗(yàn)。

提供一個(gè)多用途衍射儀用于表面、界面、薄膜和一般X-射線散射實(shí)驗(yàn)。一個(gè)H-850（之前為M-850）標(biāo)準(zhǔn)六足位移臺(tái)安裝在衍射儀上，用于將真空室與光束中的樣本對(duì)準(zhǔn)。由于其具有六個(gè)自由度，可在任意方向上定位20至50千克的真空室，且重復(fù)精度小于1微米。

X射線檢測(cè)器的定位

分析FEL同步輻射與物質(zhì)間的相互作用

作為SLAC（斯坦福線性加速器中心）的組成部分，直線性連續(xù)加速器光源(LCLS)本質(zhì)上是一臺(tái)自由電子激光源(FEL)，它產(chǎn)生超高亮度的同步輻射。利用此輻射，可開(kāi)展許多先進(jìn)實(shí)驗(yàn)，例如非線性X-射線物理學(xué)實(shí)驗(yàn)或納米結(jié)構(gòu)的單次激發(fā)成像等。目前正在原子、分子與光科學(xué)光束線(AMO)裝置上開(kāi)展一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以期深入了解FEL同步輻射與原子、分子和團(tuán)簇之間的相互作用。

使用電子和離子光譜或X-射線衍射來(lái)檢測(cè)樣品中由激光輻射觸發(fā)的反應(yīng)。為了同時(shí)記錄散射X-射線光子以及強(qiáng)X-射線脈沖與樣品相互作用所產(chǎn)生的離子和電子，采用了對(duì)X-射線高度敏感的pnCCD相機(jī)，此相機(jī)必須具有非常精準(zhǔn)的定位并達(dá)到極高的可重復(fù)性。此相機(jī)以高達(dá)每秒1000幅圖像的幀速率記錄單個(gè)像素上的完整光譜。由于檢測(cè)器采用并行架構(gòu)，因此主激光束在檢測(cè)器零件之間通過(guò)時(shí)不會(huì)造成任何損壞。

為了定位這兩個(gè)X-射線檢測(cè)器，PI開(kāi)發(fā)了一款緊湊型線性平移臺(tái)，該平移臺(tái)包括一個(gè)導(dǎo)向裝置和兩塊獨(dú)立的活動(dòng)板。檢測(cè)器能夠在50毫米的行程內(nèi)朝0“關(guān)閉”位置獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)器之間的最大距離為100毫米。平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由分辨率為50納米的絕對(duì)測(cè)量線性編碼器控制。

在對(duì)兩個(gè)檢測(cè)器進(jìn)行相應(yīng)定位時(shí)，可在廣角范圍內(nèi)記錄散射的X-射線，并且可從空間和光譜的角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。這款線性平臺(tái)設(shè)計(jì)用于高達(dá)10–9百帕的超高真空，選用不銹鋼材質(zhì)。

長(zhǎng)期定位

10-7百帕?xí)r具有高精度

位于瑞士光源(SLS)的先進(jìn)共振光譜(ADRESS)光束線是一條高性能軟X-射線波蕩器光束線，工作能量范圍為300電子伏特至1.6千電子伏特。它的RIXS終端站用于共振非彈性X-射線散射，是基于SAXES—一款高分辨率分光儀，用于400至1600電子伏特能量范圍內(nèi)的軟X-射線，由保羅謝勒研究所和米蘭理工大學(xué)共同開(kāi)發(fā)。

實(shí)驗(yàn)裝置采用VLS（變間距）光柵，其可進(jìn)行角度重新定位，以減小在兩個(gè)及以上能量上操作時(shí)高階光學(xué)畸變?cè)斐傻墓庾V線寬退化。針對(duì)這一任務(wù)，PI設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)以在多個(gè)自由度內(nèi)移動(dòng)和定位光柵：傾斜以改變角度、滾動(dòng)、垂直定位和水平橫向移動(dòng)以使用第二個(gè)可選擇的光柵。

這一長(zhǎng)期定位任務(wù)要求運(yùn)動(dòng)具有高精度：Z向?qū)?zhǔn)32毫米和晶體選擇155毫米的分辨率各為1微米，±5度內(nèi)的角運(yùn)動(dòng)的分辨率為20微弧度。此外，整個(gè)系統(tǒng)在10-7百帕的真空環(huán)境中應(yīng)可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。