Rysunek 4. Schemat linii URANOS

Pierwszy element linii generujący promieniowanie elektromagnetyczne to kwaziperiodyczny eliptycznie polaryzujący undulator, który jest źródłem dowolnie spolaryzowanej wiązki promieniowania w zakresie UV i miękkiego promienowania X.  Następnym elementem optycznym jest zestaw szczelin i toroidalne lustro M1 (16 m od źródła), które kolimuje wiązkę wertykalnie i ogniskuje horyzontalnie w kierunku wertykalnym na szczelinie wyjściowej (26 m) oraz prowadzi wiązkę fotonów do komory monochromatora (18.7 m) na układ lustra i siatki dyfrakcyjnej w geometrii plenarnej (PGM – plane grating monochromator) lub na układ lustra i siatki w geometrii normalnej (NIM – normal incidence monochromator). Monochromator PGM pracuje w zakresie 14-600 eV, a NIM 8-30 eV. Za komorą monochromatora znajduje się cylindryczne lustro (20 m) ogniskujące światło w kierunku wertykalnym na szczelinie wyjściowej. Za szczeliną wyjściową umieszczone jest toroidalne lustro (27.3 m), które odzwierciedla szczelinę wyjściową 1:1 na powierzchni próbki w komorze analizy na stacji końcowej.

 

Rysunek 5. Model linii URANOS.

 

Undulator

 

Rysunek 6. Undulator Apple II - źródło promieniowania linii URANOS.

Źródłem promieniowania synchrotronowego dla linii URANOS jest eliptycznie polaryzujący undulator typu Apple II o kwaziperiodycznej geometrii pola magnetycznego wyprodukowany przez Kyma SrL. Zastosowanie takiej geometrii pola umożliwia znaczną poprawę czystości spektralnej wiązki promieniowania UV (osłabienie składowych harmonicznych).  Na linii udział wyższych harmonicznych w widmie promieniowania wzbudzającego padającego na próbkę jest na poziomie < 1%. Eliminacja składowych harmonicznych w widmie promieniowania wzbudzającego jest szczególnie istotna dla techniki ARPES ponieważ celem tej techniki jest odwzorowanie struktury pasmowej ciała stałego. Intensywność eksperymentalnie odwzorowywanych pasm jest zależna od prawdopodobieństw danych przejść optycznych w ciele stałym i bywa niewielka. Natomiast liczba obserwowanych pasm, szczególnie w materiałach o dużych, wieloatomowych komórkach sieciowych może być bardzo znaczna. W tej sytuacji zarówno podwyższenie poziomu tła jak i obecność replik pasm spowodowane przez obecność składowych harmonicznych w widmie promieniowania wzbudzającego mogą uniemożliwić prawidłową interpretację wyników pomiarowych.
Undulator Apple II może wytworzyć dowolnie spolaryzowane promieniowanie elektromagnetyczne - dostępne są polaryzacje: liniowa horyzontalna, liniowa wertykalna, wszystkie liniowe skośne, kołowe prawo i lewo skrętna, oraz dowolne polaryzacje eliptyczne. 

Przykładowe pomiary efektów dichroicznych w strukturze pasmowej zarejestrowane techniką ARPES, są spowodowane przez zależność między elementami macierzowymi przejść optycznych, a kierunkiem drgań pola elektromagnetycznego fali promieniowania UV.

Rysunek 7. Widma ARPES ukazujące efekt dichroizmu kołowego na próbce Bi₂Te₃ dla różnych (odpowiednio kołowej lewoskrętnej i kołowej prawoskrętnej oraz różnica sygnałów) polaryzacji promieniowania o energii hv = 55 eV.

Parametry urządzenia wstawkowego:

Parametr	Wartość
Typ urządzenia wstawkowego	EPU Apple II, kwaziperiodyczny, Kyma S.p.a.
Zakres ruchu otwarcia	20 (min. 18mm) – 200 mm
Magnesy pole nasycenia maks. amplituda pola magn.  Liczba okresów Długość okresu (λ0) Całkowita długość	Stałe Nd FeB;  1.24 T; 0.6 T, (0.8 T dla 18 mm); 21; 120 mm; 2660 mm;
Mody pracy	Równoległy i antyrównoległy
Dostępne polaryzacje	Wszystkie, pełna kontrola polaryzacji światła: liniowa horyzontalna, wertykalna, skośne, kołowa prawo i lewo skrętna, dowolne eliptyczne
Moc promieniowania przy pełnym zamknięciu	600 W (dla prądu 500 mA)
Parametr $$K=\frac{eB{\lambda }_{\mu }}{2\pi m_{e}c}$$	Max. 6.5

 

Monochromator

 

Rysunek 8. Komora monochromatorów PGM i NIM na linii URANOS, oraz komora lustra 2 cylindrycznego.

Komora monochromatorów zawiera dwa układy optyczne, pierwszy pracuje w geometrii plenarnej - ślizgowego kąta padania - PGM (plane grating monochromator), drugi w geometrii normalnego padania - NIM (normal incidence monochromator). Monochromator PGM pracuje z siatką o gęstości linii 600/mm, zaś NIM z siatką o gęstości linii 2000/mm. Są to siatki laminarne czyli posiadające prostokątny profil żłobień. Zastosowanie dwóch różnych geometrii odbicia pozwala optymalizować parametry wiązki fotonów w zależności od potrzeb: może to być np. maksymalizacja strumienia fotonów, maksymalna czystość spektralna wiązki lub minimalna deformacja polaryzacji. Monochromator PGM pracuje w zakresie 14-600 eV, zaś NIM w zakresie 8 – 30 eV.

Rysunek 9. Geometria monochromatora PGM. Na rysunku ukazane są dwa skrajne położenia siatki i lustra względem siebie.

Rysunek 10. Geometria monochromatora NIM z lustrem statycznym. Pokazane dwa skrajne położenia siatki monochromatora.

Wiązka wychodząca z monochromatora musi być skierowana w kierunku nieruchomej szczeliny wyjściowej (w kierunku poziomym) tzn. niezależnie od wybranej energii wiązka zawsze musi znajdować się na tej samej wysokości względem szczeliny wyjściowej. 

Długość fali promieniowania przechodzącego przez monochromator PGM i NIM można określić wzorem: 

 

 

 

Gdzie αn, βn to odpowiednio kąty padania i dyfrakcji na siatce, mierzone względem normalnej do powierzchni, N to gęstość linii, żłobień na siatce dyfrakcyjnej (dla PGM 600 mm-1), zaś k to rząd dyfrakcji. 

Dla siatki pracującej w trybie PGM, ze względu na zmienny kąt padania (zależny od kąta lustra) określamy również tzw. stałą c_ff (fix-focus constant):

 

 

 

Parametr c_ff ma praktyczne zastosowanie. Jeżeli wymagane są bardzo duże zdolności rozdzielcze należy ten parametr zwiększać (maksymalizować, α i β mają ograniczony zakres), z kolei jeśli minimalizujemy składowe harmoniczne wówczas należy dążyć do minimalnych możliwych wartości c_ff ponieważ pozwoli to na bardziej wydajne tłumienie składowych harmonicznych w monochromatorze.  

Szczeliny wyjściowe

Szczeliny wyjściowe wyposażone są w precyzyjny mechanizm otwierania równoległego szczelin. 

$$$$

Energetyczna zdolność rozdzielcza (RP), w zależności od rozmiaru szczeliny wyjściowej Δs_ex, kąta wyjścia β_n, rzędu dyfrakcji etc. jest określona jako: 

 

 

 

gdzie q określa odległość pomiędzy lustrem ogniskującym, a szczeliną wyjściową i wynosi 6 m. Stąd przyczynek zależny od szczeliny wyjściowej w rozdzielczości energetycznej linii można wyliczyć jako:

 

 

 

N wynosi 600 /mm dla PGM i 2000 /mm dla NIM, zaś β_n to kąt dyfrakcji na siatce monochromatora mierzony względem normalnej do powierzchni. Kąt β_n można zdefiniować poprzez kąt padania α_n jako cosβ_n = c_ff cos⁡α_n.

Całkowita rozdzielczość linii

Całkowitą rozdzielczość linii URANOS można zdefiniować w następujący sposób:

 

 

Gdzie ΔE_source to wpływ skończonego rozmiaru źródła na rozdzielczość, ΔE_{exit slit} to wpływ szczeliny wyjściowej na rozdzielczość wiązki fotonowej, ΔE_slope to wpływ błędów związanych z nachyleniem elementów optycznych linii, a ΔE_diffraction to limit dyfrakcyjny dla szczeliny wyjściowej dla danej energii i określony jest kryterium Raleigha.

 

Na linii dostępne jest makro do obliczeń całkowitej rozdzielczości wiązki fotonowej.

 

System pozycjonowania wiązki

Pomiary na linii URANOS są w dużej mierze automatyczne i programowalne. Aby móc to osiągnąć zastosowano system korekcji położenia wiązki. System ten polega na zmianie ustawienia kątowego (roll) lustra 3 (lustro cylindryczne) w zależności od różnicy znormalizowanego prądu na horyzontalnych okładkach szczelin wyjściowych 

,

 

gdzie p → 0. Wykorzystanie regulatora PID umożliwia śledzenie pozycji wiązki oraz korygowanie jej pozycji poprzez zmianę położenia lustra. W konsekwencji układ jest dostosowany do automatycznych pomiarów np. struktury pasmowej w zależności od energii wzbudzenia czyli tzw. pomiarów k_z.

Strumień fotonów

Za szczelinami wyjściowymi oraz lustrem 4 (skupiające, toroidalne) znajduje się diagnostyka 4 z pompą sublimacyjną do pompowania różnicowego w ostatnim sektorze linii UV przed komorą spektrometru fotoelektronów. Na manipulatorze diagnostyki zamontowana jest fotodioda typu XUV-035 za pomocą, której zmierzono strumień fotonów przy szczelinie wertykalnej 25 µm (250 µm) i horyzontalnej 300µm (500 µm) dla monochromatora PGM (NIM) dla całego zakresu generowanego promieniowania, przy zakumulowanym prądzie w pierścieniu wynoszącym 400 mA. Uzyskane wyniki pokazano na rys. 12.

 

$$$$

 

Rysunek 13. Komora lustra płaskiego i uchwyt lustra na przesuwie liniowym.