“梦之线”顺利通过中科院组织的工艺测试——上海光源超高能量分辨光束线研制达到世界最好水平

2014年10月28日，在由中科院组织的工艺测试中，超高分辨率宽能段光电子实验系统（“梦之线”，BL09U）项目顺利通过技术测试，全面达到验收指标。其中，作为关键指标的光束线的能量分辨本领，一举突破50000，此分辨率下的光子通量亦达到1.2E10 phs/s。此前，瑞士光源ARDRES光束线拥有世界最高的软X射线分辨能力，相同能量下的分辨本领为33000。

梦之线是由国家财政部支持、中科院物理所牵头、上海应用物理研究所和大连化学物理研究所共同承建的国家重大科研装备研制项目，目标是建成国际上最先进的同步辐射光电子实验系统。上海应物所负责双插入件和光束线的建设。梦之线的科学目标是实现超宽能段覆盖（20－2000eV）和超高能量分辨（25meV@867eV），并将角分辨光电子能谱（ARPES）、光电子显微镜（PEEM）两个实验站与光束线有机集成，创造一个绝佳的软X射线实验环境。ARPES是唯一能直接获得倒易空间中费米能级附近价带电子的方向、速度和散射过程的实验手段，适用于研究强关联电子系统（超导、石墨烯等）、自旋电子学（拓扑绝缘体、反常量子霍尔效应以及磁性材料）、纳米结构及纳米材料等。PEEM则能动态地对上述材料在实空间中呈现的结构进行高空间分辨解析。两种手段相互补充，构成了一套完整的分析材料电子能带特性及其构效关系的光电子实验集成系统。

超高的性能指标对光束线的设计与建设提出了前所未有的挑战，上海光源建设团队从设计、加工，到安装调试，都进行了大量精心的调研与准备，克服了重重困难和障碍。光束线很多部件的指标已经达到了目前的工艺制造极限，例如光栅的面形误差要小于0.1μrad，光栅的刻线密度最高达3600L/mm，单色仪的机械稳定性小于0.01弧秒。高热负载会引起镜面的热变形，在超高能量分辨率的条件下，对镜面热变形的要求也非常严格，因此提出了一种新的光束线设计，通过调节光栅的角度修正热变形对能量分辨率的影响，经过实际测试效果非常好。对于光束线的准直、安装、温度稳定性、振动稳定性也较以往线站相比提出了更高的要求。由于光束线的能量范围覆盖碳边，为了防止碳污染对以后实验的影响，对每一个镜箱的真空都提出了严格的要求，并进行了一个多月的真空烘烤，镜箱真空达到1.1E-10 Torr。为了避免在低能处的超高热负载，光源采用双EPU作为光源，分别适用于低能段和高能段。单色仪中采用4块极高光学平整度的变线距光栅，以覆盖不同的光子能量范围。为了使光栅切换过程中样品处的光斑位置不变，就要对光栅的姿态进行非常精密的调节，单色仪放置于辐射防护棚屋之外，对辐射防护提出了很高的要求，通过采取局部屏蔽的方式，解决了这一问题。单色仪的温度稳定性对能量的稳定性有很大影响，为此把单色仪置于恒温棚屋内，温度稳定性为0.1°C，获得了<10meV@24小时的能量稳定性。单色光狭缝的热膨胀对于能量稳定性也有很大的影响，采用因瓦合金作为单色光狭缝的支架，最大限度地降低了单色光狭缝的热膨胀系数，并且采用局部控温的方式保证其温度稳定性。狭缝后是KB镜，用来将单色光聚焦到样品处，聚焦光斑的大小是几个微米，KB镜的姿态对于聚焦光斑的大小至关重要，两块KB镜一共有10个自由度可以调节，对于加工、安装和调试提出了非常高的要求。

光束线子项目自2010年1月开始动工，于2013年7月30日通光至实验站。随后在单色光模式下不断优化光路，冲刺软X射线能量分辨率的世界纪录。在此过程中，解决了一系列的问题。例如，在长时间（>24小时）稳定性测量中，发现能量有漂移现象，原因其一是恒温棚屋长时间温度的温度性欠佳，是由环内工艺水的水压、水温不稳造成恒温棚屋的风机工作状态不稳定，后通过给恒温棚屋专配冷水机得以解决；发现单色光狭缝处的因瓦合金支架大厅局部吹风温度变化较大，导致高度变化，引起能漂，采用有机玻璃罩将支架屏蔽保护后大为改善。

在工艺测试中，也对能量覆盖范围、偏振性能、ARPES能量分辨率和PEEM空间分辨进行了测试，均达到了项目验收要求。（物理与环境部 供稿）