CN111208553A - 一种荧光靶探测器及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种荧光靶探测器，包括与真空管道对接的四通真空腔体，真空腔体沿水平方向与观察窗连通，该观察窗正对相机，该真空腔体沿竖直方向与真空直线导入器连通，真空直线导入器中心有连接杆，一端延伸入真空腔体内，并连接荧光靶芯体，荧光靶芯体包括荧光靶片，该荧光靶片与入射光成90°并沿竖直方向自上而下分隔为标定区和测量区。本发明还提供一种采用上述荧光靶探测器高精度地测量同步辐射X光的光斑形状和位置的探测方法，能够简洁快速实时在线标定相机摄像头像素，从而解决现有技术中量化荧光靶图像精度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及同步辐射X射线位置测量领域，更具体地说，涉及一种荧光靶探测器及其探测方法，用于X射线的位置测量和光斑形状的成像测量。
背景技术
第三代同步辐射装置中，X光束位置对储存环调束、提高光束稳定性、光束线调试和利用光束线站开展实验研究都是非常重要的参数，要测量光束的位置，最有效的方式就是直接观测光斑。目前，国内光束线的X射线位置监测大多采用丝扫描或荧光靶方式测量处理，丝扫描探测器是用一根或多根导体丝扫过光束，根据金属丝上产生的光电流分布测量光束的中心和分布情况。荧光靶探测器是利用X射线打在某些物质，如晶体或荧光粉上发出可见光的现象，测量X射线的位置和空间分布。
丝扫描受扫描丝热形变影响较大、扫描速度慢、不能实时测量。现有的荧光靶探测器使用了CVD金刚石或YAG荧光靶和高灵敏度黑白工业视频摄像头，能够实时快速地给出光斑图像信息，但不具备数字化功能，不能精确地给出光斑尺寸、稳定性等信息。
要实现荧光靶的量化测量功能，首先是要对CCD相机的像素进行标定。传统的标定方式是单独对CCD相机进行离线标定，即用标样来刻度相机的像素。但是X光束在荧光靶上所呈现的图像包括一系列的系统误差(荧光靶的弥散，靶片的光子转换线性度，成像系统的冲击响应特性，成像系统的线性度以及景深误差等)，标样无法重现荧光转换中的一系列物理过程，因此除了成像系统的误差外，还需要对其他的物理量的影响分别做测量最后计入最终的标定结果中。因为每条光束线的光通量，能量等参数是根据实验要求不断变化的，因此很难将所有工作情况下的影响因素全部提前测试出来，从而很难做出微米量级高精度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能简洁快速实时在线标定的荧光靶探测器及其探测方法，从而高精度的测量同步辐射x光的光斑形状和位置，以精确量化荧光靶图像。
一种荧光靶探测器，安装于光路真空管道上，包括与真空管道对接的四通真空腔体，该真空腔体沿水平方向与一观察窗连通，该观察窗正对一相机，该真空腔体沿竖直方向与一真空直线导入器连通，所述真空直线导入器中心有一连接杆，一端延伸入真空腔体内，并连接一荧光靶芯体，所述荧光靶芯体包括一荧光靶片，该荧光靶片与入射光成90°并沿竖直方向自上而下分隔为标定区和测量区。
所述标定区包括离子溅射的金属层以及该金属层上通过紫外光刻的高精度靶标图形窗口，能分别在水平和垂直方向提供亚微米精度的尺寸，可以是周期性排列的周期常数，也可以是单独的图形上的尺寸。
所述荧光靶芯体还包括一反光镜，所述反光镜与荧光靶片成45°设置。
所述荧光靶片固定在一靶片固定架上，该靶片固定架与反光镜均固定在一顶部固定支板上，所述顶部固定支板与所述连接杆相连。
所述连接杆的延伸出真空腔体的另一端与一电机相连。
所述荧光靶探测器上安装有多个测量设备姿态的靶标座。
所述离子溅射的金属层的厚度为100nm，材料选用Cr、Ti、Al或Au。
所述荧光靶片的有效发光层厚度小于等于0.2mm。
所述荧光靶片的材料为掺杂Ce的YAG薄片、抛光多晶CVD金刚石片或LYSO。
所述反光镜采用表面金属化的抛光硅片或化学抛光的不锈钢片。
一种荧光靶探测器的探测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，将权利要求1所述的荧光靶探测器安装在光路真空管道上，使所述荧光靶探测器通光；
步骤S2，将荧光靶探测器中荧光靶片的标定区置于光路中心，让X射线在所述标定区内成像发出可见光，该可见光通过所述标定区的靶标图形窗口射出，并将图像传递给相机；
步骤S3，所述相机通过远程控制对图像进行对焦，光路确定后采集所述标定区的图像并提取图像信息；
步骤S4，根据所提取的图像信息，计算当前测量条件下的水平像素系数Kx和垂直像素系数Ky；
步骤S5，驱动电机将荧光靶片的测量区移到光路中心进行测量，得到光斑尺寸和位置信息；
步骤S6，测量结束，驱动电机将荧光靶芯体移出光路。
所述步骤S4中的水平像素系数Kx和垂直像素系数Ky按照公式(1)计算：
所述步骤S5中的光斑尺寸和位置信息按照公式(2)计算：
式中，SX和SY分别表示光斑水平和垂直方向的尺寸，光斑位置信息则通过SX/2和SY/2处的坐标确定。
本发明的荧光靶探测器通过在荧光靶片上制作的高精度靶标，能够简洁快速实时在线标定相机摄像头像素，使得荧光靶探测器能够高精度地测量同步辐射X光的光斑形状和位置，从而解决现有技术中量化荧光靶图像精度不高的问题。另外，该荧光靶探测器的结构更加小巧优化，并通过反光镜消除了靶片发光面到相机处的光程差，从而没有“近大远小”的成像误差。
附图说明
图1是按照本发明的荧光靶探测器的结构示意图。
图2是图1的右视图。
图3是按照本发明的荧光靶芯体的结构示意图。
图4是按照本发明的荧光靶片的结构示意图。
图5是按照本发明一个实施例的X光路走向示意图。
图6是按照本发明一个实施例的标定区像素标定示意图。
图7是按照本发明一个实施例的测量区光斑探测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述使能更好地理解本发明的荧光靶探测器及其探测方法的功能、特点。
如图1和图2所示，本发明的荧光靶探测器主要包括：真空腔体1、真空直线导入器2、观察窗6以及CCD相机11。其中真空腔体1为一四通结构，沿z向，即光束方向的上、下游有两个通口，分别由法兰密封，沿y向导通真空直线导入器2，沿x向则连通观察窗6。
该真空腔体1与真空管道(图未示)对接并保持真空度，其主体内径为150mm，具有入口法兰和出口法兰，入口法兰是沿X光束照射方向的上游法兰，出口法兰则是沿X光束照射方向的下游法兰。在本实施例中，入口法兰和出口法兰均为CF100法兰，法兰－法兰端面距离可以根据工艺要求调整，在一较佳实施例中为100mm。一荧光靶芯体3容置于该真空腔体1中。
真空直线导入器2包括位于其中心的一连接杆21，该连接杆21的一端用来与荧光靶芯体3相连而延伸入真空腔体1的内部，另一端与电机8相连，通过驱动电机8而实现荧光靶芯体3的升降运动。真空直线导入器2的两侧还设有导杆23，以保证真空直线导入器2能够沿直线运动。
CCD相机11和观察窗6相对，两者均固定在CCD相机支架7上，从而能够准确观察到荧光靶芯体3上的图像。
荧光靶芯体3的结构如图3所示，包括荧光靶片31、靶片固定架32、反光镜33以及顶部固定支板34。靶片固定架32与反光镜33均通过螺丝固定在顶部固定支板34上，顶部固定支板34与连接杆21相连，荧光靶片31通过压盖35固定在靶片固定架32上。当然，在其它实施例中，荧光靶片31和反光镜33也可通过其它合适的连接方式固定于顶部固定支板34上。荧光靶片31具有迎光面311和背光面312，迎光面311与入射光成90°；背光面312与反光镜33的抛光镜面成45°。荧光靶片31与真空腔体1的入口法兰端面平行正对，平行度误差小于1度。
荧光靶片31的材料可以选用参杂Ce的YAG薄片、抛光多晶CVD金刚石片、LYSO等，其尺寸根据被测光斑的范围来确定。其中，荧光靶片31的有效发光层厚度不超过0.2mm，按一个较佳实施例，其厚度为0.15mm。有效发光层指有荧光效应的材料层，发光层减薄是为了抑制弥散效应，普通的定性观察用的荧光靶无此限制。
荧光靶片31的厚度为0.1-0.3mm，长小于60mm，宽小于40mm。在本实施例中，荧光靶片31的厚度为0.2mm，长×高＝34×24mm2。反光镜33可以采用表面金属化的抛光硅片，表面平整度好于20纳米，金属膜厚度50-200纳米；或采用化学抛光的不锈钢片，表面平整度好于20纳米。
荧光靶片31分成标定区15和测量区16，沿垂直向下的方向，即y向反向依次为标定区15和测量区16，标定区15不超过荧光靶片31的1/3面积，在本实施例中，标定区占靶片31的1/3，在其他实施例中也可为1/4。在本实施例中，荧光靶片上部34×8mm2的区域为标定区。标定区15的形成方法是：首先离子溅射一层金属层，该金属层位于背光面312上，再用紫外光刻的方法在金属层上刻蚀出一个高精度靶标图形窗口，也就是说能分别在水平和垂直方向提供亚微米精度的尺寸，该尺寸可以是周期性排列的周期常数，例如周期性排列的两个圆的圆心之间的距离，也可以是单独的图形尺寸，如圆的直径。在本实施例中，金属层的厚度为100纳米，材料可选用Cr、Ti、Al、Au等；在本实施例中，高精度靶标图形为一十字形窗口，其尺寸为水平线宽1mm，垂直线宽0.2mm，在具体实施时也可为其它形状或尺寸，只要具有标记效果即可。
如图4所示，标定区15有对比明显的两种百纳米级精确尺寸的标准周期性图形(即图中两种大小的白色圆形)。从图中可以看到，荧光靶片31的标定区15有标准周期性图形的区域与无标准周期性图形的测量区16发光有明显的明暗区别。
图5示出了本发明一较佳实施例的X光路走向示意图，从图中可知，被测X射线光束24经过荧光靶片31产生了可见光26，可见光26通过反光镜33的反射将可见光28送入相机11。
再请参照图1，本发明所述的荧光靶探测器还包括多个靶标座4，用来在安装时测量设备姿态，并通过调整荧光靶芯体3的姿态使荧光靶片31垂直于光束照射方向。
本发明的荧光靶探测器还安装有上下限位开关10，用于限定电机8的驱动范围。当上触点41碰到上限位时荧光靶芯体3就不再提升，避免真空腔体1内的不必要碰撞；当下触点42碰到下限位时荧光靶芯体3就不再下降，避免靶片固定架32和连接杆21被X射线照射。
本发明的荧光靶探测器通过电机8控制荧光靶芯体3，使得荧光靶芯体3的运动精度小于10微米，由于标定区15是由不同尺寸的图形周期性排布，从而可以在标定区的任意位置同时提取周期尺寸和图形尺寸作为标准值(视算法和相机特性而定哪种精度更高)，通过精确地控制荧光靶片31受光照的区域，以选择合适的标定位置。另外，荧光靶芯体3除了上下限位外的其他地方均可以作为工作位置，与现有技术中气缸驱动的荧光靶只有一个工作位和一个非工作位相比，本发明的荧光靶探测器有多个工作位置，可根据标定和探测需求实时切换。
以下对本发明的荧光靶探测器的探测方法作进一步说明。
步骤S1，将荧光靶探测器安装在光路真空管道上，即将真空腔体1的入口法兰与上游管道法兰对接，出口法兰与下游管道对接，使荧光靶探测器通光。
步骤S2，驱动电机8使荧光靶芯体3下降，将荧光靶片31的标定区15置于光路中心，让X射线在标定区15内成像发出可见光，可见光通过标定区15的十字形窗口射出，并通过反光镜33的反光面将可见光的图像传递给相机11。
步骤S3，相机11通过远程控制对图像进行对焦，光路确定后采集标定区15的图像，提取图像信息。
步骤S4，通过公式(1)算出该测量条件下的水平像素系数Kx和垂直像素系数Ky：
步骤S5，驱动电机8将荧光靶片31的测量区16移到光路中心进行测量，根据公式(2)得到光斑尺寸和位置信息：
式中，SX和SY分别表示光斑水平和垂直方向的尺寸，光斑位置信息则通过SX/2和SY/2处的坐标确定。
当荧光靶片31升起时，光束通过真空腔体1向下游设备传输；当荧光靶片31落下时，在荧光靶片31上能看到X射线光斑的荧光成像，但此时，光束将被完全截断，无法向下游设备传输。因此步骤S5，测量结束后用电机8将整个荧光靶芯体3移出光路，此时，X射线不被阻挡地向下游传输。
荧光靶片31探测的信号输出是通过相机11观察的视频信号，因此，用视频电缆将信号引出，并接入观察电脑上或视频显示器上即可观察图像。如此，本发明通过电机驱动荧光靶芯体的升降，使得X射线在荧光靶片的标定区上成像，实时提取图像信息，实现简洁快速地在线标定相机摄像头像素，然后在测量区高精度地测量同步辐射X光的光斑形状和位置。另外，本发明的荧光靶探测器通过反光镜消除了靶片发光面到相机处的光程差，没有“近大远小”的成像误差。本发明的荧光靶探测器能安全有效的运行，能够对X射线束流成像提供清晰明亮的图像。
图6示出了本发明的一个实施例的标定区像素标定，原始图像41经算法提取边缘后得到图像42，在图像42中读出1mm宽度对应355个像素，0.2mm宽度对应82个像素，通过公式(1)算出Kx＝0.2mm/82＝0.0024mm，Ky＝1mm/355＝0.0028mm。
图7示出了本发明的一个实施例的测量区光斑探测结果，原始图像43经算法提取边缘后得到图像44，在图像34中读出N水平方向光斑像素数量＝4378，N垂直平方向光斑像素数量＝1431，通过公式(2)算出SX＝4378×Kx＝4378×0.0024＝10.507mm，SY＝1431×Ky＝1431×0.0028＝4.007mm。该结果与X射线光束出口狭缝开口尺寸10×4mm2吻合得很好，由于狭缝的运动误差为±0.2mm，所以测量的误差部分由狭缝开口的误差引起。
本发明采用的相机11需要能够远程控制调焦，既可以采用CCD相机也可采用CMOS相机，例如s CMOS–C11440-36U相机。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (14)
1.一种荧光靶探测器，安装于光路真空管道上，包括与真空管道对接的四通真空腔体，该真空腔体沿水平方向与一观察窗连通，该观察窗正对一相机，该真空腔体沿竖直方向与一真空直线导入器连通，其特征在于，所述真空直线导入器中心有一连接杆，一端延伸入真空腔体内，并连接一荧光靶芯体，所述荧光靶芯体包括一荧光靶片，该荧光靶片与入射光成90°并沿竖直方向自上而下分隔为标定区和测量区。
2.根据权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述标定区包括离子溅射的金属层以及该金属层上通过紫外光刻的靶标图形窗口。
3.根据权利要求2所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述靶标图形窗口分别在水平和垂直方向提供亚微米精度的尺寸，包括周期性排列的周期常数或单独的图形上的尺寸。
4.根据权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶芯体还包括一反光镜，所述反光镜与荧光靶片成45°设置。
5.根据权利要求3所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶片固定在一靶片固定架上，该靶片固定架与所述反光镜均固定在一顶部固定支板上，所述顶部固定支板与所述连接杆相连。
6.根据权利要求1或5所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述连接杆的延伸出真空腔体的另一端与一电机相连。
7.根据权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶探测器上安装有多个测量设备姿态的靶标座。
8.根据权利要求2所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述离子溅射的金属层的厚度为100nm，材料为Cr、Ti、Al或Au。
9.根据权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶片的有效发光层厚度小于等于0.2mm。
10.根据权利要求1或9所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶片的材料为掺杂Ce的YAG薄片、抛光多晶CVD金刚石片或LYSO。
11.根据权利要求4或5所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述反光镜采用表面金属化的抛光硅片或化学抛光的不锈钢片。
12.一种荧光靶探测器的探测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，将权利要求1所述的荧光靶探测器安装在光路真空管道上，使所述荧光靶探测器通光；
步骤S2，将荧光靶探测器中荧光靶片的标定区置于光路中心，让X射线在所述标定区内成像发出可见光，该可见光通过所述标定区的靶标图形窗口射出，并将图像传递给相机；
步骤S3，所述相机通过远程控制对图像进行对焦，光路确定后采集所述标定区的图像并提取图像信息；
步骤S4，根据所提取的图像信息，计算算当前测量条件下的水平像素系数Kx和垂直像素系数Ky；
步骤S5，驱动电机将荧光靶片的测量区移到光路中心进行测量，得到光斑尺寸和位置信息；
步骤S6，测量结束，驱动电机将荧光靶芯体移出光路。
13.根据权利要求11所述的探测方法，其特征在于，所述步骤S4中的水平像素系数Kx和垂直像素系数Ky按照公式(1)计算：
14.根据权利要求11所述的探测方法，其特征在于，所述步骤S5中的光斑尺寸和位置信息按照公式(2)计算：
式中，SX和SY分别表示光斑水平和垂直方向的尺寸，光斑位置信息则通过SX/2和SY/2处的坐标确定。
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