CN115494542A - 一种同步辐射光束带宽的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步辐射光束带宽的检测系统，包括沿光路走向依次排布的分析晶体和测量装置，所述分析晶体安装于滚角调节台上，所述滚角调节台的下方依次排布有投角调节台、衍射角调节台、垂直调节台和水平调节台，且所述测量装置与所述衍射角调节台连接。本发明还涉及一种同步辐射光束带宽的检测方法。本发明通过分析晶体的正交配置，解耦同步辐射单色器出射光束波长和角度的耦合，提高了光束带宽的检测精度。本发明利用分析晶体高能量分辨、成像探测器高空间分辨的特性，简化了检测过程，实现了光束能量在空间分布的精确测量。本发明可直接测量光束的角度特性，能够更加真实地反映单色器双晶衍射过程中光束带宽的特性。

Description

一种同步辐射光束带宽的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及同步辐射技术领域，更具体地涉及一种同步辐射光束带宽的检测系统及方法。

背景技术

同步辐射高能电子在磁场中做运动时因状态(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，是覆盖从红外到硬X射线连续光谱的高品质光源。同步辐射光束通过光束线的光学元件调制成特定性能的光束，并将其传输至实验站来满足科学实验的需求。同步辐射光束的性能直接影响实验结果，硬X射线中的光束带宽是最为重要的参数，高精度地检测该性能参数是光束线工艺验收的重要环节。因此，需要建立光束带宽高精度的定量表征方法。

同步辐射光束带宽常用元素的吸收边进行定性的表征，如铜元素的K吸收边的肩膀峰半高宽为1.8eV，当铜标样的吸收边出现该肩膀峰，即表明该光束的带宽优于1.8eV。定量检测光束带宽的方法通常是测量晶体的摇摆曲线，有两种方法：一是扫描双晶单色器中的二晶，同时电离室或光电二极管监测光子通量的变卦，根据晶体角度与光子通量对应关系拟合出单色器的摇摆曲线；二是利用分析晶体来扫描光束摇摆曲线，利用晶体高指数面的背散射来降低光束角发散的影响，最后根据布拉格公式来推导出光束的带宽。

传统的元素吸收边检测光束带宽的方法仅能获得定性的结果，无法获取光束带宽优于吸收边宽度时的值，对于需要定量检测验收的束线，该方法存在不足。单色器二晶扫描的摇摆曲线，其结果表示第一晶体带宽与第二晶体带宽、光束角发散的卷积，由于第一晶体的热变形引入的带宽相对较大，因此采用该方法得出的测量结果要远大于光束的带宽。Si(775)高指数面分析晶体具有较高的能量分辨，可实现光束带宽的高精度检测，但是其要求转动机构具有较高分辨率、高品质的分析晶体，且其检测过程复杂耗时。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种同步辐射光束带宽的检测系统及方法，能够提高检测精度，并简化检测过程。

本发明提供的一种同步辐射光束带宽的检测系统，包括沿光路走向依次排布的分析晶体和测量装置，所述分析晶体安装于滚角调节台上，所述滚角调节台的下方依次排布有投角调节台、衍射角调节台、垂直调节台和水平调节台，且所述测量装置与所述衍射角调节台连接。

进一步地，所述分析晶体设置为通过其衍射面接收来自单色器的同步辐射光，所述单色器包括互相平行的第一晶体和第二晶体，所述分析晶体的衍射面垂直于所述第一晶体和所述第二晶体的出射面。

进一步地，所述分析晶体的材质为单晶硅。

进一步地，所述分析晶体的厚度在10mm～15mm之间，其衍射面的有效面积在50mm×100mm～80mm×150mm之间。

进一步地，所述分析晶体的表面晶向与所述第一晶体和所述第二晶体的表面晶向相同。

进一步地，所述分析晶体的衍射面的表面晶向为111。

进一步地，所述测量装置包括通过所述衍射角调节台可切换的光电二极管和成像探测器。

本发明还提供一种同步辐射光束带宽的检测方法，包括：

步骤S1，提供上述的同步辐射光束带宽的检测系统，并将同步辐射光束的光子能量调整至检测所需的特定值；

步骤S2，将光子能量为所述特定值的同步辐射光束入射至分析晶体上，在所述分析晶体上产生入射光斑；同时，利用投角调节台将所述分析晶体相对于入射光束的投角调节至接近于所述同步辐射光束的布拉格角，并利用衍射角调节台将测量装置中的光电二极管与入射光束的夹角调节至两倍的布拉格角；

步骤S3，继续利用所述投角调节台调节所述分析晶体相对于入射光束的投角，同时所述光电二极管监测分析晶体出射光束的变化，当所述光电二极管监测到的光电流达到最大值时，停止所述投角调节台的调节；

步骤S4，根据所述入射光斑在所述分析晶体上的位置，利用垂直调节台和水平调节台，将所述投角调节台的转轴中心调节至与入射光束的中心重合；

步骤S5，利用滚角调节台调节所述分析晶体衍射面的俯仰角，以使入射光斑与测量装置中的成像探测器测量到的衍射光斑处于同一水平面；

步骤S6，将所述光电二极管移出所述分析晶体的衍射光路，并将所述成像探测器移入所述衍射光路中，获取所述分析晶体产生的衍射光斑的图像；

步骤S7，根据所述衍射光斑的图像，获取从单色器出射的同步辐射光束的带宽。

进一步地，所述步骤S7包括：

步骤S71，根据所述衍射光斑的图像和所述成像探测器的空间分辨率，将衍射光斑的像素分布转化为空间尺度分布；

步骤S72，在所述衍射光斑的图像的垂直方向上取一列灰度值及对应的位置值，获取灰度值与位置值的对应曲线图，并利用高斯函数进行拟合获得灰度值与位置值的对应曲线的半高宽；

步骤S73，用所述半高宽除以所述成像探测器与同步辐射光源的距离，得到单色器出射的同步辐射光束的带宽。

本发明通过分析晶体的正交配置，解耦同步辐射单色器出射光束波长和角度的耦合，提高了光束带宽的检测精度。本发明利用分析晶体高能量分辨、成像探测器高空间分辨的特性，简化了检测过程，实现了光束能量在空间分布的精确测量。本发明可直接测量光束的角度特性，能够更加真实地反映单色器双晶衍射过程中光束带宽的特性。

附图说明

图1是按照本发明的同步辐射光束带宽的检测系统的结构示意图。

图2是是按照本发明的同步辐射光束带宽的检测系统的原理图。

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所示，本发明提供的同步辐射光束带宽的检测系统，包括沿光路走向依次排布的分析晶体1和测量装置2，其中，分析晶体1安装于滚角调节台3上，滚角调节台3的下方依次排布有投角调节台4、衍射角调节台5、垂直调节台6和水平调节台7，且测量装置2与衍射角调节台5连接，以调节测量装置2相对于分析晶体1的角度。

以下结合图2对上述部件进行详细说明。

分析晶体1通过其衍射面接收来自单色器8的同步辐射光，通过调节入射的布拉格角可实现不同能量光束的调制。单色器8包括互相平行的第一晶体81和第二晶体82，分析晶体1的衍射面垂直于第一晶体81和第二晶体82的出射面，以使分析晶体1对水平方向上的出射光束进行色散。

分析晶体1的材质可选用锗、硅、金刚石等，在本实施例中，分析晶体1为单晶硅。分析晶体1的厚度在10mm～15mm之间，其衍射面的有效面积在50mm×100mm～80mm×150mm之间，分析晶体1的表面晶向与单色器8的第一晶体81和第二晶体82的表面晶向相同。在本实施例中，分析晶体1的衍射面的表面晶向为111。

测量装置2包括光电二极管和成像探测器，光电二极管用于测量衍射光通量，成像探测器用于探测衍射光斑，两者可根据需要进行切换。具体地，测量装置2设置为：在调节分析晶体1以满足布拉格衍射条件时(布拉格衍射条件为：满足2dsinθ＝λ，d为晶格面间距，θ为布拉格角，λ为同步辐射光束的波长)，切换至光电二极管，光电二极管扫描分析晶体1出射光束的摇摆曲线，当分析晶体1的衍射角到达摇摆曲线的峰值时(即达到分析晶体衍射的最优条件)，将光电二极管移出光路，并将成像探测器移入光路。

滚角调节台3为一维偏摆台，用于调节分析晶体1衍射面的俯仰角，以使分析晶体1的出射光束与入射光斑在同一水平面。投角调节台4用于调节分析晶体1与同步辐射光束的相对角度，使分析晶体1满足光束的布拉格衍射条件。衍射角调节台5用于调节测量装置2的位置，使测量装置2位于分析晶体1衍射同步辐射光束的衍射光路上，并实现光电二极管和成像探测器的切换。垂直调节台6和水平调节台7用于调节分析晶体1相对于同步辐射光束的位置，使投角调节台4的转轴中心与光束中心重合。其中，投角调节台4和衍射角调节台5的轴向均垂直于单色器8的主轴方向，且投角调节台4和衍射角调节台5的轴向均平行于分析晶体1。

本发明的检测系统中的分析晶体1与单色器晶体表面垂直，不影响出射光束的带宽，两个方向同时满足衍射条件的光束可实现同步辐射光束的波长和角度的解耦。具体地，根据成像探测器测量到的出射光斑，即出射光束的杜蒙德图，出射光斑在垂直方向的宽度除以成像探测器到光源的距离即为光束带宽，由于整个光斑宽度为角发散和光束带宽的卷积，退卷积即可得到光同步辐射束的角发散。

因此，本发明还提供一种同步辐射光束带宽的检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1，提供上述同步辐射光束带宽的检测系统，并将同步辐射光束的光子能量调整至检测所需的特定值。

步骤S2，将光子能量为所述特定值的同步辐射光束入射至分析晶体1上，分析晶体1上产生入射光斑；同时，利用投角调节台4将分析晶体1相对于入射光束的投角调节至接近于该光子能量为所述特定值的同步辐射光束的布拉格角，并利用衍射角调节台5将测量装置2中的光电二极管与入射光束的夹角调节至两倍的布拉格角。

步骤S3，继续利用投角调节台4调节分析晶体1相对于入射光束的投角，同时光电二极管监测分析晶体1出射光束的变化，当光电二极管监测到的光电流达到最大值时，停止投角调节台4的调节。此时，分析晶体1满足布拉格衍射条件。

步骤S4，根据入射光斑在分析晶体1上的位置，利用垂直调节台6和水平调节台7，将投角调节台4的转轴中心调节至与入射光束中心重合。

步骤S5，根据分析晶体1产生的衍射光束和入射光斑在垂直方向上的位置，利用滚角调节台3调节分析晶体1衍射面的俯仰角，以使入射光斑与成像探测器测量到的衍射光斑处于同一水平面，即确立分析晶体1表面与光束平面的垂直关系。

步骤S6，将光电二极管移出分析晶体1的衍射光路，并将成像探测器移入衍射光路中，获取分析晶体1产生的衍射光斑的图像。

步骤S7，根据分析晶体1产生的衍射光斑的图像，获取从单色器8出射的同步辐射光束的带宽。成像探测器获取到倾斜带状的光斑，即为出射光束的杜蒙德图。

具体地，步骤S7包括：

步骤S71，根据衍射光斑的图像和成像探测器的空间分辨率，将衍射光斑的像素分布转化为空间尺度分布。

步骤S72，在衍射光斑的图像的垂直方向上取一列灰度值及对应的位置值，获取灰度值与位置值的对应曲线图，并利用高斯函数进行拟合获得该曲线的半高宽。

步骤S73，用上述曲线的半高宽除以成像探测器与同步辐射光源的距离，得到单色器8出射的同步辐射光束的带宽。

由于整个光斑尺寸是光束带宽与角发散卷积的结果，因而用整个光斑在垂直方向上的尺寸除以成像探测器与同步辐射光源的距离，再退卷积上述光束带宽，即可得到单色器8出射光束的角发散。

本发明利用分析晶体与单色器晶体正交配置，分析晶体在水平方向对光束进行色散调制，使出射光束的光斑在垂直方向的尺寸与光束能量具有对应关系。本发明具有以下有益效果：

1)本发明中的分析晶体与单色器晶体正交配置，利用分析晶体在水平方向对光束进行色散的原理进行检测，成像探测器单幅成像的方法简化了分析晶体扫描多次摇摆曲线的过程；

2)本发明利用多晶衍射特性，解耦同步辐射单色器出射光束波长和角度的耦合关系，将光束中带宽与角发散的值区分测量，提升了光束带宽的测量精度；

3)本发明充分利用分光晶体高分辨衍射特性，以晶体本征带宽作为检测的基准，极大地提升了检测精度；

4)本发明将光束的能量分布转化为空间分布，充分利用高分辨成像探测器的空间分辨的特性，通过检测光束的空间特性实现光束带宽(角度)的测量；

5)本发明利用成像探测器高频采集数据的特性，能够高精度监测光束角度的漂移。

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 (9)

1.一种同步辐射光束带宽的检测系统，其特征在于，包括沿光路走向依次排布的分析晶体和测量装置，所述分析晶体安装于滚角调节台上，所述滚角调节台的下方依次排布有投角调节台、衍射角调节台、垂直调节台和水平调节台，且所述测量装置与所述衍射角调节台连接。

2.根据权利要求1所述的同步辐射光束带宽的检测系统，其特征在于，所述分析晶体设置为通过其衍射面接收来自单色器的同步辐射光，所述单色器包括互相平行的第一晶体和第二晶体，所述分析晶体的衍射面垂直于所述第一晶体和所述第二晶体的出射面。

3.根据权利要求1所述的同步辐射光束带宽的检测系统，其特征在于，所述分析晶体的材质为单晶硅。

4.根据权利要求1所述的同步辐射光束带宽的检测系统，其特征在于，所述分析晶体的厚度在10mm～15mm之间，其衍射面的有效面积在50mm×100mm～80mm×150mm之间。

5.根据权利要求2所述的同步辐射光束带宽的检测系统，其特征在于，所述分析晶体的表面晶向与所述第一晶体和所述第二晶体的表面晶向相同。

6.根据权利要求5所述的同步辐射光束带宽的检测系统，其特征在于，所述分析晶体的衍射面的表面晶向为111。

7.根据权利要求1所述的同步辐射光束带宽的检测系统，其特征在于，所述测量装置包括通过所述衍射角调节台可切换的光电二极管和成像探测器。

8.一种同步辐射光束带宽的检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1，提供如权利要求1-7所述的同步辐射光束带宽的检测系统，并将同步辐射光束的光子能量调整至检测所需的特定值；

步骤S2，将光子能量为所述特定值的同步辐射光束入射至分析晶体上，在所述分析晶体上产生入射光斑；同时，利用投角调节台将所述分析晶体相对于入射光束的投角调节至接近于所述同步辐射光束的布拉格角，并利用衍射角调节台将测量装置中的光电二极管与入射光束的夹角调节至两倍的布拉格角；

步骤S3，继续利用所述投角调节台调节所述分析晶体相对于入射光束的投角，同时所述光电二极管监测分析晶体出射光束的变化，当所述光电二极管监测到的光电流达到最大值时，停止所述投角调节台的调节；

步骤S4，根据所述入射光斑在所述分析晶体上的位置，利用垂直调节台和水平调节台，将所述投角调节台的转轴中心调节至与入射光束的中心重合；

步骤S5，利用滚角调节台调节所述分析晶体衍射面的俯仰角，以使入射光斑与测量装置中的成像探测器测量到的衍射光斑处于同一水平面；

步骤S6，将所述光电二极管移出所述分析晶体的衍射光路，并将所述成像探测器移入所述衍射光路中，获取所述分析晶体产生的衍射光斑的图像；

步骤S7，根据所述衍射光斑的图像，获取从单色器出射的同步辐射光束的带宽。

9.根据权利要求8所述的同步辐射光束带宽的检测方法，其特征在于，所述步骤S7包括：

步骤S71，根据所述衍射光斑的图像和所述成像探测器的空间分辨率，将衍射光斑的像素分布转化为空间尺度分布；

步骤S72，在所述衍射光斑的图像的垂直方向上取一列灰度值及对应的位置值，获取灰度值与位置值的对应曲线图，并利用高斯函数进行拟合获得灰度值与位置值的对应曲线的半高宽；

步骤S73，用所述半高宽除以所述成像探测器与同步辐射光源的距离，得到单色器出射的同步辐射光束的带宽。

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