劉定國、張世汯、王端正、馮學深、鍾世俊出2 - 國家同步輻射研究中心

國家同步輻射研究中心
出國報告書
出國人姓名:劉定國、張世汯、王端正、馮學深、鍾世俊
出國日期:
2012 年 7 月 8 日~2012 年 7 月 15 日。
目的地 (國家、城市):
法國、里昂(France, Lyon)。
參加會議名稱或考察、研究訓練地點:
11th International Conference on Synchrotron Radiation
Instrumentation (SRI 2012)

一、目的
� 參加國際會議與其他國家的專家學者交流。
� 收集光學設計相關資訊。
� 收集 TPS phase I 光束線相關資訊。
� 收集 X-ray optics 的資訊。
� 發表壁報論文。
二、行程
� 7 月 8 日 8 前往法國里昂。
� 7 月 9 日~7 月 13 日:參加 SRI2012 並發表論文。
� 7 月 14 日~7 月 15 日:離開里昂回台灣。
三、 內容摘要:
此次 The 11th International Conference on
Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI 2012)中,
每天除安排 2-3 場針對所有與會人員的專題演講外,接續還
同時進行多種不同主題的討論會(parallel session),與
會人員可選擇參加有興趣的主題。此次會議中相關主題有
Advances in Hard X-ray Optics、X-ray Imaging Techniques、
Time-Resolved Applications 與 X-ray Microscopy and
Nanoprobes、Advances in Soft-X-ray Optics、
Instrumentation for Macromolecular Crystallography、
New Facilities、Scattering Experiments、New
Developments in Area Detectors 等主題的討論會參與交流
討論。
其中日本運用自由電子雷射光源,並配合光學系統針對
同調硬 X 光科學課題所需的技術作出一系列的探討,其主題
包含 Ultimate focusing 3rd generation SR X-rays、
Wavefront diagnosis for X-ray free electron laser、
Focusing of Japanese XFEL SACLA、Sub-50 nm-resolution

full-field and achromatic image of incoherent X-rays
等四大項目,其核心作法是結合先進自由電子雷射光源的特
性與操控光學系統的技術,期望以最好的同調光源來探討有
興趣的科學題目。
會中也安排參訪 ESRF,此行由於開放參觀之光束線數
量很少,較值得參考 ESRF 開放參觀的多層膜實驗室晶體光
學實驗室及大型數據中心。多層膜鍍膜實驗室設置有雷射直
接觀測鍍膜過程中之曲率變化,並有專門的量測實驗室,鍍
膜完成後,直接以 X-ray 量測其反射率。晶體光學實驗室可
配合實驗及光束線需求,自行切割和拋光晶體。
四、心得概述與建議
以下將分別從各個領域說明心得與建議:
� 蛋白質繞射結晶學光束線:
GM/CA@APS 實驗站發展出讓用戶藉由不同的 pinhole 快
速切換 5, 10 及 20 µm beam size,並整合在 JBluIce(JAVA)
界面,可經由 EPICS 控制,名為 JBluIce-EPICS 控制軟體,
此軟體乃由 SSRL BluIce(TCL/TK)改良並加入更友善的用戶
GUI 界面,縮短用戶收集時間,並提供下載 JBluIce 軟體。
ALBA 的 XALOC 光束線設計與本中心 TPS-05A 光束線較
為接近,於今年四月剛取得第一組數據,會中也討論到光學
鏡用聚焦與離焦方式以符合用戶對於 beam size 的需求,聚
焦時為 49 µm × 9 µm (h×v),同時歸功於加速器,使得光束
線得到近 0.5 µm/h 的空間穩定性,令人更為關注的是光學
鏡配備有臨場偵測 slope error 及 stability 的監控機制,
預計 2012 年 7 月開放。
NSLS-II 的 Biomedical beamline 也是同樣採用 bender
的光學鏡,調整曲率將聚焦尺寸由數個 µm,變化至 100 µm。
這顯示 Protein crystallography 用戶對於聚焦尺寸的需求
並非一昧的追求 Microbeam,仍是須將聚焦點維持在 20 -

50µm 的範圍,以符合用戶所需。
DLS 正在興建中的 Phase-3 I23 beamline 可量測的波
長範圍由 1.5 to 4 Å,將是最為廣域的能量段,利用其 curved
detector 可偵測的繞射 2θ 角高達±90 度。
尚有一個 parallel session 討論 Radiation damage
(RD),SSRL 除數據收集之外,同樣可以透過遠端控制 in-situ
UV-visible 吸收光譜監測蛋白質晶體中金屬氧化態判別樣
品是否有遭受到 RD, 同樣的 DLS I24 Microfocus MX 光束
線也採用此吸收光譜做為監測工具,同時目前也有明顯的趨
勢使用高能量 大於 20 keV 以上到 56 keV 收集晶體繞射收
據,如 ESRF- ID15B 及 NSLS- X17B 光束線。
� 次微米 X 光繞射光束線:
BL21 Sub-micron XRD Beamline 是中心 TPS Phase I
的光束線。由程海東教授及李信義博士主持興建計畫,計畫
之初是以 APS ID34E 為設計藍本,目前已進入細部設計階段,
今年重要的光學元件將陸續發包,但目前仍有許多問題待解
決,這次的 SRI2012 提供許多可貴的資訊,以下將重點條列:
Working Distance:依據目前的設計,鏡心至樣品位置
僅有 5cm,在 parallel section 中,國外學者表達了 working
distance 可能不足的疑慮,參照 ALS Dr. Tamura 的光束線,
我們將會評估 2-stage focusing 的可行性。
Monochromator: 本光束線原先計畫採用與 APS ID34E
同樣的 monochromator。但考量光束線操作的便利性、元件
的維護及未來擴充的可能性,4 bounce monochromator 優於
APS ID34E 的 small-gap monochromator。但 small-gap
monochromator 的機械構造相對簡單,理論上具有較好的穩
定性。但隨著 4 bounce monochromator 技術的改進(Talk No.
TU-E-05),在穩定性上已與 small-gap monochromator 相差
無幾。
XRD Techniques:本光束線在實驗上是以 Sub-micron

Laue diffraction 為主。實驗資料的分析,必須依賴 APS 提
供軟體技術支援。會議中日本學者 Shirasawa ( Talk No.
WE-U-C-05)及法國學者 Robach(Talk No. WE-U-C-06)發表
了類似的技術,其中法國實驗團隊使用的軟體是 open source
的 Laue diffraction tools,值得深入了解。
� 奈米探測光束線:
Advanced Photon Source 將建造 Achromatic nested
Kirkpatrick–Baez mirror optics for hard X-ray
nanofocusing,其各種設計需求與本中心 TPS Phase I
Nanoprobe beamline 互有許多相同之處,如我們同樣也採用
Nested Kirkpatrick-Baez Mirrors,因為在奈米聚焦的設
計上此光學上此光學系統是一個相當適合的選擇,它有著明
顯的簡潔設計與較高的縮像比,而且在結構上更為強健與易
於校正。但建立整體光學系統的技術我們卻掌握的不多,如
兩面鏡面的結合校準、調整機構的設計、光束位置的回饋系
統,以及聚焦光束的量測技術的建立…等,故補足此一部份
是未來光束線建造需要發展的重要工作。
Diamond Light Source 在 Beamline Design and
Instrumentation for the Imaging and Coherence Beamline
I13L 中,在地基設計、控制振動、隔離熱源與去除光學元件
的熱負載均有許多值得中心光束線建造可參考之處。其中最
有幫助的是在理論與實務上均提供許多有用的實務數據,如
印證本中心 TPS Phase I Nanoprobe beamline 中第一面光
學鏡面採用 HFM 的可行性、減少振動的調整機構的設計,以
及採用水平分光的雙晶體單光儀的可行性,補足了許多我們
的設計上不足之處。
National Synchrotron Light Source II 對 Current
Status of the Hard X-ray Nanoprobe Beamline 的報告中,
此光束線能量範圍為 6-25 keV,是針對硬 X 光 microscopy
實驗所設計,光學系統則是採用 Multilayer Laue lenses。
此光束線上有許多獨特的設計,如獨立建築、溫度穩定度、

極端穩定的 2D 二度光源與光學系統,以及 X 光顯微術具 1 nm
的位置穩定度,這些設計均包含許多重要資訊,可惜演講者
細節描述不多。但該光束線在核心光學元件中,雙晶體單光
儀與 Diamond Light Source 的 I13L 光束線,以及本中心 TPS
Nanoprobe Beamline 同樣採用水平分光的型式,可見大家考
慮的重點均十分類似,且投影片中還包含具體的規格數據可
讓我們作對照參考。另外一個核心聚焦的光學元件
Multilayer Laue lenses 非目前本中心常用的元件,其應用
層面仍需再作評估,可以使我們的光束線設計的應用更為廣
泛。
� 軟 X 光非彈性散射光束線
與 BESSY II Dr. Follath 及 NSLS II 的高通量軟 X 光
同調光束線設計人員洽談後,發現由於第 3 代共步輻射的
undulator 光源同調性甚佳,故直接取 undulator 光源中間高
同調光作光源.分光後把光聚至 20×20 �m 2 的 pin-hole 供實
驗站使用.已光通量是調整光束線的解析力來達成.以 NSLS
II 為例,為求有 1×10 13
phs/s 光通量, 光束線的解析力只有
1,000.
� 光學元件:
聚焦系統已進入次微米時代。無色散系統以
Kirkpatrick-Baez 為主;色散系統的種類比較多,zone plate、
multilayer optics 及 refractive optics(CRL)各擅勝場。
ESRF 對 Development of X-ray Refractive Optics 方面已
十分蓬勃發展,如報告中所見 ESRF 已有許多座的光束線採
用此類型的聚焦系統,其它後續安裝與操作程序也十分容易,
可完成一維或二維的聚焦工作。只是其聚焦特性與波長有關,
且光學聚焦系統因材料吸收效應之故只適合部份高能量的
硬 X 光實驗,故對於本中心 TLS 光束線並不適用,而 TPS 未
來若有適合硬 X 光實驗的光束線,可採用此項元件可增加設
計上的彈性,現今此聚焦系統市面上也已有商品化的產品可
供採購。

此前 Zeiss 的光柵部門設備已轉賣 DIOS 公司,現由原
Zeiss 公司的 Dr. Bruno Nelles 負責.可供應 blazed
grating 給高能量軟 X 光使用.據 Dr. Bruno Nelles 解釋,
利用壓印式製作的光柵,其微粗糙度較蝕刻式光柵更優.使
其製作的光柵可送 PTB 確認效率. 而 HORIBA (Jobin Yvon)
的 Multi-layer 光柵已經提供商品化商品,可用於 2000 eV
以上分光使用,故可以考慮使用於新設計的高能量軟 X 光光
束線上.
� 光學量測技術:
Diamond Light Source 對開發 super-polished bimorph
mirror 提出新的作法,他們為結合不同的實驗的技術,如
scanning X-ray microscopy 用於奈米光束、Full-field
studies 用於較大尺寸的光束,需要純淨的聚焦光束
(Ellipse with slope error ~ 0.1µrad rms and figure
error 1 nm rms),並同時具有可改正上游光學系統的錯誤、
移去熱負載與架設的變形,以及使用波前控制等優點,但目
前沒有單一技術能滿足此項需求,故結合 Piezo bimorph
substrate(SESO)與 Super-polishing(JTEC)兩種技術來
完成。此類型的開發工作在 SRI2009 會議與 International
workshop on mirror design, fabrication and metrology
中已有許多先進光源對提出報告,但此次 SRI2012 的會議中
此類報告的數目已明顯的減少,可見其中所需的技術困難度
不小,而目前本中心雙光小組雖有許多同仁正從事儀器與技
術相關的研發工作,但 TPS 所需的建造工作已投入許多人力
資源,建議未來人力疏解時可再將此部份列為新的研發項
目。
歐洲(SOLEIL, DIAMOND, BESSY)等設施,除了有良好的
光學實驗室外,亦建置光束線進行 at-wavelength 的光學量
測。由於同步輻射可產生優質的短波長光源,非常適合測量
光學元件的成像及效率等參數,一般可見光光學測量系統是
難以替代的。

� 高熱載光學元件的解決方案
目前看到有兩派.a.)水冷式,經精巧的水路(side
cooling)安排,使溫度梯度的效應降低,令鏡片的 slope
error 效應降低,如 ESRF:們 L. Zhang 的解決方案。b.)另
一派為 LN2 冷卻,如 SOLEIL 與 BESSY II,特別是 BESSY II
直接以光柵作第一片光學元件,收 undulator 的光,而光柵
直接以 LN2 冷卻,光柵的熱功率在 120W 以上,但光束線解
析力在 10,000 以上,表示熱產生的 slope error 效應很低,
至於積碳問題,BESSY II 採用加電壓方式防止。
� 光學模擬:
會中有一分組, 集中討論光學模擬.目前有 SRW 軟體專
供光源計算。而 Shadow3 及 XTrace 則為 ray-tracing 的主
流.而目前光學模擬已經不是只討論光束線模擬而已.而是
由光束線的特性再加上實驗站特性,再模擬出整體實驗結果.
以同調實驗站而言,其實驗結果的解釋,與光源特性便高度
相關。
對中心的建議:整體來看,雖然我們的 TPS 完成的時間
比較晚,但同仁的努力讓我們與先進國家的水準差異不多,
唯一較弱的一環是實驗技術的研發能量。在會議中可以見到
德國、瑞士、美國及日本投資了較多的資源在光學元件、偵
測器及相關實驗設備的開發。可以預見未來在先進國家的眼
中,我們會漸漸地由學習者轉成競爭者,如果實驗相關技術
的研發與科學研究的發展有落差,可能會處於相對不利的位
置。