高真空低溫環(huán)境中的樣本定位

采用同步光束進行脈沖激光沉積(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氣候變化和冰河形式進行的研究需要寒冷和無污染樣本環(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）中進行操作。

粉塵的結(jié)構(gòu)和成分通過X-射線吸收光譜、X-射線熒光和X-射線衍射實驗進行研究。分析需要對樣本極其復(fù)雜和非均勻的表面進行映射，且精度需達微米級。

這一任務(wù)通過一個SpaceFAB定位機器人完成，其可在所有直線和角度方向上實現(xiàn)六自由度運動。SpaceFAB專門針對高真空使用而定制，極其緊湊，配備真空兼容型步進電機，可適用于-50至+80攝氏度的溫度范圍。

此實驗為位于意大利弗拉斯卡蒂INFN LNF的CryoAlp項目的一部分。該研究有一部分在SSRL開展，而SSRL是斯坦福大學(xué)代表美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室運作的一個國家用戶裝置。

該六軸顯微操縱器在-50攝氏度下通過合格驗證

經(jīng)測量，絕對位置精度為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。干涉測試顯示1分鐘內(nèi)的平均靜態(tài)穩(wěn)定性高達20納米，從而可實現(xiàn)對樣本的徹底檢驗。

高真空中的樣本操縱器

采用同步光束進行脈沖激光沉積(PLD)原位表征

在ANKA同步輻射裝置（卡爾斯魯厄，德國）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)的特點是激光加熱（可將襯底加熱至1200攝氏度）以及簡便加載。一個特殊特征是：由于樣本操縱器的尺寸小，即使襯底高度較低，也可實現(xiàn)X-射線的較寬角度范圍。

樣本操縱器中的六足位移臺

在樣本操縱器中，由PI設(shè)計的用于高真空的六足位移臺可相對于入射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，為了補償層厚度差，它可沿Z 軸（即垂直于樣本表面的方向）進行移動，最大移動量為3毫米。同時，系統(tǒng)沿X和Y軸方向的移動量可達 ±6毫米，從而可以掃描到 樣本表面的不同位置。六足位移臺固定在轉(zhuǎn)臺上，需要時可執(zhí)行進一步的定位任務(wù)。

為X-射線衍射實驗定位真空室

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

提供一個多用途衍射儀用于表面、界面、薄膜和一般X-射線散射實驗。一個H-850（之前為M-850）標(biāo)準(zhǔn)六足位移臺安裝在衍射儀上，用于將真空室與光束中的樣本對準(zhǔn)。由于其具有六個自由度，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，可開展許多先進實驗，例如非線性X-射線物理學(xué)實驗或納米結(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)裝置上開展一項實驗，以期深入了解FEL同步輻射與原子、分子和團簇之間的相互作用。

使用電子和離子光譜或X-射線衍射來檢測樣品中由激光輻射觸發(fā)的反應(yīng)。為了同時記錄散射X-射線光子以及強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X-射線高度敏感的pnCCD相機，此相機必須具有非常精準(zhǔn)的定位并達到極高的可重復(fù)性。此相機以高達每秒1000幅圖像的幀速率記錄單個像素上的完整光譜。由于檢測器采用并行架構(gòu)，因此主激光束在檢測器零件之間通過時不會造成任何損壞。

為了定位這兩個X-射線檢測器，PI開發(fā)了一款緊湊型線性平移臺，該平移臺包括一個導(dǎo)向裝置和兩塊獨立的活動板。檢測器能夠在50毫米的行程內(nèi)朝0“關(guān)閉”位置獨立運動；檢測器之間的最大距離為100毫米。平臺的運動由分辨率為50納米的絕對測量線性編碼器控制。

在對兩個檢測器進行相應(yīng)定位時，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其進行評估。這款線性平臺設(shè)計用于高達10–9百帕的超高真空，選用不銹鋼材質(zhì)。

長期定位

10-7百帕?xí)r具有高精度

位于瑞士光源(SLS)的先進共振光譜(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)共同開發(fā)。

實驗裝置采用VLS（變間距）光柵，其可進行角度重新定位，以減小在兩個及以上能量上操作時高階光學(xué)畸變造成的光譜線寬退化。針對這一任務(wù)，PI設(shè)計了一個系統(tǒng)以在多個自由度內(nèi)移動和定位光柵：傾斜以改變角度、滾動、垂直定位和水平橫向移動以使用第二個可選擇的光柵。

這一長期定位任務(wù)要求運動具有高精度：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)的角運動的分辨率為20微弧度。此外，整個系統(tǒng)在10-7百帕的真空環(huán)境中應(yīng)可保持長期穩(wěn)定。