針對國內高壓科學、能源材料等多學科的學科優勢，為滿足廣大用戶需求，HEPS高能量分辨譜學線站正在設計建造一臺具有先進國際水平的X射線拉曼散射(XRS)譜儀—“乾坤”。其中，球面壓彎分析晶體基于羅蘭圓幾何條件，將特定能量的X射線聚焦至探測器上，是XRS譜儀的核心光學部件。聚焦面形精度和高能量分辨是球面彎曲分析晶體的兩項極為關鍵，又互相影響的技術指標，因而極具挑戰性。“乾坤”譜儀采用6組模組化分析晶體陣列，由90余塊半徑1m的分析晶體構成，其晶體能量分辨的設計指標與電子-空穴態壽命展寬數量級相當，達到ΔE/E~10-5，球面彎曲面形精度滿足1:1聚焦需求。
在HEPS工程指揮部的部署下，HEPS高能量分辨譜學線站團隊與光學設計、光學機械、光束線控制系統相關人員，聯合多學科中心晶體實驗室積極攻關。線站核心成員郭志英、多學科中心晶體實驗室刁千順，經過多年技術攻關和反復嘗試，不斷改進優化分析晶體制備工藝，最終探索出兼顧能量分辨與聚焦特性于一體的球面彎曲分析晶體制備方法。今年10月2日-5日，項目團隊在北京同步輻射裝置(BSRF)1W2B線站上，采用Si(111)雙晶單色器Si(220)切槽單色器兩次單色化、毛細管微聚焦的光學配置，利用自研三元譜儀樣機，對譜儀單模組內15塊分析晶體(圖1)，采用EPICS-Bluesky控制系統實現單色器聯動掃描，開展了批量、高精度指標測試(裝置見圖2)。優化后入射能量帶寬實現高分辨，達到半高全寬0.8eV@9.7keV，分析晶體自身能量分辨(圖3)達到半高全寬~1eV@9.7keV，與理論預測值相當，聚焦特性得到充分驗證(圖3、圖4)，各項指標全部滿足工程設計需求。
HEPS高能量分辨譜學線站是我國首條專注于硬X射線非彈性散射譜學實驗的線站，聚焦核能級超精細結構、聲子態密度、芯能級電子躍遷和價電子激發的探測，主要提供核共振散射(NRS)、XRS、共振非彈性散射(RIXS)等譜學方法，服務于量子科學、能源科學、材料科學、凝聚態物理、化學、生物化學、地學、高壓科學、環境科學等多學科前沿研究。其中，XRS是一種基于X射線非彈性散射原理的先進譜學實驗技術，歐洲ESRF (72塊分析晶體)、美國APS(19塊分析晶體)、日本SPring-8(12塊分析晶體)、法國SOLEIL(40塊分析晶體)、英國Diamond光源等光源已建成或規劃建設XRS旗艦線站。由于非彈性散射截面極小，比X射線吸收截面小4~5個量級，XRS實驗技術需要高亮度光源以增加入射光子通量，同時也需要大立體角譜儀提高探測效率，而大立體角探測需要多塊發現晶體實現。
首批分析晶體的指標通過在線測試，將滿足大批量分析晶體加工的工程需求，對HEPS“乾坤”譜儀、高能量分辨譜學線站的實施都具有里程碑意義。值得一提的是，該類型分析晶體的工藝也已經用于多種類型譜儀分析晶體的研制。接下來，該團隊將高質量完成其余模組分析晶體的批量加工，同時，將致力攻關無應力高能量分辨分析晶體的研制。晶體研發工作還獲得先進光源技術研發與測試平臺PAPS的支持，BSRF-1W2B、3W1、4W1A、4W1B線站提供機時。
圖1. HEPS自研分析晶體
圖2. 分析晶體測試裝置，其中，左圖給出了散射光和分析晶體分析光路示意圖
圖3 分析晶體測試結果，左上為4#晶體能量分辨率實驗結果和擬合曲線，左下為三塊晶體在探測器上的聚焦光斑，右側為分析晶體能量分辨率批量測試結果
圖4 掃描單色器能量時探測器上的光斑變化情況
圖5 測試人員合影
