CN111208554A - 一种x光束位置测量探测器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X光束位置测量探测器，安装在光路真空管道上，包括与真空管道对接的真空腔体，所述真空腔体内部安装有一探测主体，该探测主体沿水平方向与一水平运动机构相连，沿竖直方向与一竖直运动机构相连，所述探测主体包括一电路板，该电路板上安装有一探测片，正反两面镀有电极，且该电极与电路板电导通。本发明还提供一种利用前述探测器测量X光束位置的方法，可有效实现光斑大小0.1％的光束位置变化实时测量，能在有限的范围内实现在垂直于光束线方向的平面上进行二维调节。另外，本发明的装置结构紧凑、占用空间小，且安装有准直元件，方便对装置完成安装、拆分、维护和准直。
Description
技术领域
本发明涉及光束测量领域，更具体地说，涉及一种X光束位置测量探测器及其测量方法。
背景技术
同步辐射光是自由电子在磁场中运动时因状态(速度和方向)发生改变，沿电子运动轨迹切线方向发出的电磁波。由于其光谱连续、高亮度、准直性好等特点，在物理学、化学、生命科学、信息科学、能源和环境科学等很多科学研究和高科技领域中都有广泛的应用
同步辐射X光束位置监测设备是同步辐射光束线站不可缺少的重要部件之一，决定了用户实验所能使用的X光的性能好坏，位置稳定的X光是获得高质量实验数据的必备条件之一。同步辐射的一条光束线由存储环中的光源经过前端区、光束线和实验站的光学设备到达实验样品台，总长度超过60m。其中位于前端区的部分光学器件受到高热功率密度X光的辐照，虽然配有冷却系统保证他们能稳定的工作，但是也有热漂移和振动引起的不稳定性而导致光斑位置的变化。要获得微米级以下的微束光斑并稳定地照射到样品上，其首要条件就是X光束的位置测量准确度达到亚μm甚至纳米量级。这种稳定要靠反馈控制来实现，而反馈控制的源头是高准确度的X光束位置测量探测器系统。因此，实现光束线精确位置的监测，保证样品处光斑位置的高度稳定的任务由X光位置探测器的测量系统来实现。
目前，现有的光束位置测量探测器包括丝扫描探测器、刀片式X光位置探测器。丝扫描探测器位置测量的分辨率只能达到几十微米的水平，并且不能实时监测同步辐射光的光斑位置。而刀片式X光位置探测器只能用于前端区，且测量的分辨率只能达到1um以上。
发明内容
本发明提供一种X光束位置测量探测器及其测量方法，以实时精确地测量X光束线光斑位置的问题。
本发明提供的一种X光束位置测量探测器，安装在光路真空管道上，包括与真空管道对接的真空腔体，所述真空腔体内部安装有一探测主体，该探测主体沿水平方向与一水平运动机构相连，沿竖直方向与一竖直运动机构相连，所述探测主体包括一电路板，该电路板上安装有一探测片，所述探测片的正反两面镀有电极，且该电极与所述电路板电导通。
所述探测片的正面为迎着X光束的面，该面上镀有四个面积相同且互相均匀间隔开的电极，所述探测片的反面镀有完整电极。
所述探测片正面电极在四个边角处设有焊点区域，所述反面电极在一个边角处设有焊点区域。
所述电路板印刷有四个电流信号接线端以及一个电压信号接线端，所述探测片正面上的四个电极通过焊接成拱形的导线分别与所述四个电流信号接线端相连。
所述真空腔体与四道电流输出接口以及一电压馈入接口连通，所述电流输出接口与所述电流信号接线端相连，所述电压信号接线端与所述电压馈入接口相连。
所述电路板上设有一用于安装所述探测片的安装孔，该安装孔略小于所述探测片，且其内侧印刷的材料与所述电路板材料相同，使得所述探测片安装后反面的电极与陶瓷电路板背面电极相通。
所述电路板固定于第一金属框架上，所述第一金属框架通过第一导轨与第二金属框架连接，所述第二金属框架通过第二导轨于一面框架连接。
所述第一金属框架上安装有两个水平弹簧，所述第二金属框架上安装有两个竖直弹簧。
所述水平运动机构和竖直运动机构均有一导杆，所述导杆延伸进所述真空腔体的内部与所述探测主体相连，且所述导杆的末端均安装有一轴承。
所述探测器还包括姿态调节结构，所述姿态调节机构的上下两端分别与上金属板和下金属板固定连接，所述上金属板与所述真空腔体外壳的底部固定连接，所述下金属板与其它平台固定连接。
所述上金属板上点焊有多个准直元件，所述多个准直元件不共线。
所述电路板为陶瓷电路板。
所述探测片为单晶金刚石探测片。
本发明还提供一种X光束位置的测量方法，包括：
步骤S1，在光路真空管道上安装权利要求1所述的探测器，开启X光发射装置，使X光束中心对准探测器的中心；
步骤S2，水平移动探测片，使X光束垂直照射探测片的四个电极面，并在光束中心附近任选若干个测量位置，计算出每个位置的归一化水平位置x；
步骤S3，竖直移动探测片，使X光束垂直照射探测片的四个电极面，并在光束中心附近任选若干个测量位置，计算出每个位置的归一化竖直位置y；
步骤S4，对归一化水平位置x和归一化竖直位置y分别与水平电机实际移动位置和竖直电机实际移动位置进行拟合，得到水平标定系数KX和竖直标定系数KY；
步骤S5，使探测器保持在光路中，计算出X光束的光斑中心位置(X，Y)，其中，X＝Kxx，Y＝Kyy。
所述步骤S4中的归一化水平位置x和归一化竖直位置y按照公式(1)计算：
其中，A电极与B电极沿水平方向从左到右排布，A电极与C电极沿竖直方向自上而下排布，C电极与D电极沿水平方向从左到右排布；IA表示A电极的电流信号，IB表示B电极的电流信号，IC表示C电极的电流信号，ID表示D电极的电流信号。
本发明在探测器主体内设置一个单晶金刚石探测片，在其一面镀相互间隔且面积相同的四个金属电极，另一面全部镀上电极。当一束X射线进入探测器灵敏区域，在金刚石探测片内产生一定数量的电子-空穴对，这些电荷在外加电场的作用下分别向两边电极迁移、分离，并在器件电极上产生瞬时电流信号，用高分辨、低噪音和稳定性好的电子学系统读出电流的信号，即可有效实现光斑大小0.1％的光束位置变化的实时监测。并且只需要根据不同的光束线物理需要，而采用不同的探测片厚度和电极间隔距离即可，保证了在实验站在做特殊实验的情况下或不需要测量时，可以让其完全退出光路，以避免阻挡实验站用光。同时，本发明在有限的范围内可以实现在垂直于光束线方向的平面上进行二维调节。另外，本发明的装置结构紧凑、占用空间小，且安装有专门的准直元件，方便对装置完成安装、拆分、维护和准直。
附图说明
图1是按照本发明的X光束位置测量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X光束位置测量探测器的探测主体结构示意图。
图4是按照本发明的X光位置测量探测器的电路板设计示意图。
图5是按照本发明的X光位置测量探测器的探测片设计示意图。
图6是按照本发明的X光位置测量探测器的探测片与电路板的连接示意图。
图7是按照本发明的X光位置测量探测器的测量原理示意图。
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。
如图1和图2所示，本发明的一种X光束位置测量探测器，主要包括真空腔体1、二维运动机构，即水平运动机构2和竖直运动机构3、四道电流输出接口4、电压馈入接口5、姿态调节机构6以及探测主体7。其中，电流输出接口4和电压馈入接口5与真空腔体1连通，探测主体7位于真空腔体1的内部，水平运动机构2沿水平方向，即x向通过水平导杆20延伸进真空腔体1的内部与探测主体7相连，竖直运动机构3沿竖直方向，即y向通过竖直导杆30延伸进真空腔体1的内部与探测主体7相连。真空腔体1沿光束照射方向，即z向由两个法兰8密封(请参见图2)，且两个法兰8与真空管道(图未示)对接。
姿态调节结构6的上下两端分别通过螺栓固定连接在上金属板9的下表面和下金属板10的上表面之间。上金属板9的上表面与真空腔体1外壳的底部通过螺钉固定连接，且点焊有准直元件12，下金属板10的下表面与其它平台固定连接，该平台的数量、材料根据测量需求确定。在本实施例中，姿态调节结构6和准直元件12的数量均为三个。三个准直元件12不共线，用于安装激光跟踪仪小球。激光跟踪仪的激光打到小球上，通过小球反馈的数据来调整三个调节姿态结构6，确保真空腔体1的中心与X光束线的中心在一条直线，即z方向上，并确保法兰8的端面在xy面上。在本实施例中，上金属板9和下金属板10均为不锈钢板或者其它硬度高的金属板。
如图3所示，探测主体7包括一陶瓷电路板71，该陶瓷电路板71通过固定孔13用陶瓷螺丝固定于第一回形金属框架72上，第一回形金属框架72与陶瓷电路板71之间使用绝缘垫绝缘。第一回形金属框架72安装在上下对称的第一高精度导轨14的卡槽中，且第一高精度导轨14固定于第二回形金属框架73上。第二回形金属框架73安装在左右对称的第二高精度导轨15的卡槽中，且第二高精度导轨15固定于面框架74上。
在水平导杆20和竖直导杆30的末端分别安装有一个小型深沟球轴承21和31，第一回形金属框架72上安装有两个水平弹簧16，第二回形金属框架73上安装有两个竖直弹簧17。当水平导杆20后退，两个水平弹簧16在拉力作用下将第一回形金属框架72拉回。当竖直导杆30后退，两个竖直弹簧17在拉力作用下将第二回形金属框73架拉回。
当水平方向扫描X光时，水平运动机构2带动第一回形金属框架71水平运动，竖直运动机构3不动；当竖直方向扫描X光时，竖直运动机构3带动第二回形金属框架73竖直运动，水平运动机构2不动。也就是说，本发明的每个运动调节机构可以独立调节。
陶瓷电路板71的设计如图4所示，分为正面和背面。正面安装有探测片75，背面设计有滤波电路。电路板71上设有安装孔22，用于安装探测片75，安装孔22略小于探测片75，且其内侧印刷的材料与电路板71的材料相同，使得探测片75安装后反面的电极与电路板71背面的电极相通。四个大小相同的定位孔23对称分布于安装孔22的周围，利用四个定位孔23的两条对角线与探测片75的对角线在一条直线上，保证探测片75不会倾斜。定位孔23还用于电路板71两面印刷涂层的导通，以及确定元器件(电容和电阻)的安装位置。四个定位孔23内镀有与电路板71相同的金属材料。另外，电路板71上还设有多个小孔27，用于保证正面和背面的印刷电路导通。
电路板71设有电流信号接线端18、19、24、25和电压信号接线端26，其中，接线端18、19、24、25焊接真空导线到四道电流输出接口4，用于电流信号的引出；接线端26焊接真空导线到电压馈入接口5，用于馈入外加电压。电流输出接口4以及电压馈入接口5均为真空电极(feedthrough)，又称“穿通密封件”，是一种可以穿过真空腔壁，将大气端的各种电功率、电讯号、运动、流体及光束的等传输到真空室内部的密封装置。
本发明所述的探测片75为单晶金刚石探测片，既可采用方形，也可采用圆形，在本实施例中采用方形。如图5所示，探测片75分为正面和反面，正面为迎着X光束的面，该面上镀有四个面积相同且互相间隔的电极A、B、C、D，且四个电极之间的间隔相等，为几个um。反面则镀有完整电极E，用于施加偏压。单晶金刚石探测片75的设计原理为：金刚石属于半导体，单晶金刚石具有暗电流低、响应速度快、导热快等特点。而没有电极就无法加电压，因而在正反两面镀上电极。在反面镀完整电极能够保证金刚石内电场的均匀性，而正面四个间隔开的电极可以将金刚石内电场分为四个独立区域，类似于位于xy轴的四个象限，从而可以得出X光束的光斑中心坐标(X，Y)。另外，为了方便焊接，分别在正反共五个电极的边角处镀上一个与电路板71电路线材料相同的的焊点区域28，材料为耐高温耐腐蚀不易氧化的金属，例如金、镍、铬等。另外，可根据使用光束线的不同，在四个电极之间设计不同的间隔和采用不同的厚度，进而更能满足不同能量和光通量光束线的使用需求。
探测片75与陶瓷电路板71的接线如图6所示，A、B、C、D四个电极通过焊接导线29分别与电路板71上印刷的电流信号接线端18、19、24、25连接，焊接导线29的两端与焊接位置接触，其余部分形成拱形，不与电路板71的其他部分接触。为了便于焊接牢固以及信号传输的稳定性，焊接导线29与陶瓷电路板的电路线材料相同。
本发明的X光束位置测量探测器的原理如图7所示，给金刚石探测片两面的金属电极加上一定的直流偏压后，形成强电场，当一束X射线照射到金刚石层后，将在金刚石内产生一定数量的电子-空穴对，这些电荷在外加电场的作用下分别向四个电极A、B、C、D迁移、分离，并在器件电极上产生瞬时电流信号IA、IB、IC、ID，然后这些电流信号经过高分辨、低噪音和稳定性好的电子学系统进行数据采集和处理。
具体地，本发明的X光束位置测量探测器的测量步骤为：
步骤S1，安装探测器，开启X光发射装置，使X光束中心对准探测器的中心。
步骤S2，水平移动探测片75，使X光束从A电极照射到B电极或者从C电极照射到D电极，并在光束中心任选若干个测量位置，计算出每个位置的归一化水平位置x。
步骤S3，竖直移动探测片75，使X光束从A电极照射到C电极或者从B电极照射到D电极，并在光束中心任选若干个测量位置，计算出每个位置的归一化竖直位置y。
步骤S4，对归一化水平位置x和归一化竖直位置y分别与水平电机实际移动位置和竖直电机实际移动位置进行拟合，得到水平标定系数KX和竖直标定系数KY。
步骤S5，使用时探测器放入光路不动，计算出X光束的光斑中心位置(X，Y)。
步骤S6，当实验人员通过探测器监测到光斑中心位置满足实验需求时，不希望X光经过单晶金刚石而损失一部分X光的强度，可将探测器退出光路；实验人员发现光斑中心偏离时，可将探测器移入光路，通过调节光束线其他设备，让光斑中心位置回到实验要求的位置。
其中，归一化水平位置x和归一化竖直位置y按照公式(1)计算：
式中，IA为A电极的电流信号，IB为B电极的电流信号，IC为C电极的电流信号，ID为D电极的电流信号。
X光束的中心位置(X，Y)按照公式(2)计算：
X＝KXx Y＝KYy (2)
由于单晶金刚石具有暗电流低、响应速度快、热传导快，晶面各项同性等特点，选择该材料作为探测片，并设计各探测电极间几个μm的间隔，当一束X射线进入探测器灵敏区域，通过外加恒定电压，在金刚石内产生恒定的电场，让金刚石内的电子空穴对沿着电场线到达电极，选择高分辨、低噪音和稳定性好的电子学系统读出电流的信号，做计算后即可有效实现光斑大小0.1％的光束位置变化的实时监测。
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 (15)
1.一种X光束位置测量探测器，安装在光路真空管道上，包括与真空管道对接的真空腔体，其特征在于，所述真空腔体内部安装有一探测主体，该探测主体沿水平方向与一水平运动机构相连，沿竖直方向与一竖直运动机构相连，所述探测主体包括一电路板，该电路板上安装有一探测片，所述探测片的正反两面镀有电极，且该电极与所述电路板电导通。
2.根据权利要求1所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述探测片的正面为迎着X光束的面，该面上镀有四个面积相同且互相均匀间隔开的电极，所述探测片的反面镀有完整电极。
3.根据权利要求2所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述探测片正面电极在四个边角处设有焊点区域，所述反面电极在一个边角处设有焊点区域。
4.根据权利要求2或3所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述电路板印刷有四个电流信号接线端以及一个电压信号接线端，所述探测片正面上的四个电极通过焊接成拱形的导线分别与所述四个电流信号接线端相连。
5.根据权利要求4所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述真空腔体与四道电流输出接口以及一电压馈入接口连通，所述电流输出接口与所述电流信号接线端相连，所述电压信号接线端与所述电压馈入接口相连。
6.根据权利要求1所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述电路板上设有一用于安装所述探测片的安装孔，该安装孔小于所述探测片，安装孔内侧印刷的材料与所述电路板材料相同。
7.根据权利要求1所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述电路板固定于第一金属框架上，所述第一金属框架通过第一导轨与第二金属框架连接，所述第二金属框架通过第二导轨于一面框架连接。
8.根据权利要求7所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述第一金属框架上安装有两个水平弹簧，所述第二金属框架上安装有两个竖直弹簧。
9.根据权利要求1所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述水平运动机构和竖直运动机构均有一导杆，所述导杆延伸进所述真空腔体的内部与所述探测主体相连，且所述导杆的末端均安装有一轴承。
10.根据权利要求1所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述探测器还包括姿态调节结构，所述姿态调节机构的上下两端分别与上金属板和下金属板固定连接，所述上金属板与所述真空腔体外壳的底部固定连接，所述下金属板与其它平台固定连接。
11.根据权利要求10所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述上金属板上点焊有多个准直元件，所述多个准直元件不共线。
12.根据权利要求1或4或6或7任一所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述电路板为陶瓷电路板。
13.根据权利要求1-4任一所述的X光束位置测量探测器，其特征在于，所述探测片为单晶金刚石探测片。
14.一种X光束位置的测量方法，其特征在于，包括：
步骤S1，在光路真空管道上安装权利要求1所述的探测器，开启X光发射装置，使X光束中心对准探测器的中心；
步骤S2，水平移动探测片，使X光束垂直照射探测片的四个电极面，并在光束中心任选若干个测量位置，计算出每个位置的归一化水平位置x；
步骤S3，竖直移动探测片，使X光束垂直照射探测片的四个电极面，并在光束中心任选若干个测量位置，计算出每个位置的归一化竖直位置y；
步骤S4，对归一化水平位置x和归一化竖直位置y分别与水平电机实际移动位置和竖直电机实际移动位置进行拟合，得到水平标定系数Kx和竖直标定系数Ky；
步骤S5，使探测器保持在光路中，计算出X光束的光斑中心位置(X，Y)，其中，X＝Kxx，Y＝Kyy。
15.根据权利要求14所述的X光束位置的测量方法，其特征在于，所述步骤S4中的归一化水平位置x和归一化竖直位置y按照公式(1)计算：
其中，A电极与B电极沿水平方向从左到右排布，A电极与C电极沿竖直方向自上而下排布，C电极与D电极沿水平方向从左到右排布；IA表示A电极的电流信号，IB表示B电极的电流信号，IC表示C电极的电流信号，ID表示D电极的电流信号。
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