CN202794548U

CN202794548U - 一种荧光靶探测器

Info

Publication number: CN202794548U
Application number: CN 201220198995
Authority: CN
Inventors: 徐慧超; 周剑英; 龚培荣; 刘昕; 张永立; 蒋建国; 朱周侠
Original assignee: Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-05-03

Abstract

本实用新型提供一种荧光靶探测器，包括与真空管道对接并保持真空度的真空腔体；容置于真空腔体内的荧光靶芯体，荧光靶芯体包括荧光靶片，底座，冷却水管和压盖，其中，荧光靶片通过压盖固定在底座的迎光面，与入射光成45°角的底座的背光面设置有冷却水管，荧光靶片为YAG晶体荧光靶片；驱动荧光靶芯体升降的气缸；包括一连接杆的真空直线导入器，连接杆的两末端分别与气缸和荧光靶芯体连接；观察荧光靶芯体上的图像的CCD相机；以及用于限定气缸的驱动范围的上下限位开关。本实用新型的荧光靶探测器采用YAG晶体荧光靶片，适用于探测x射线，特别是能量较低的x射线产生的荧光光斑。另外，该荧光靶探测器的安装调试更为简便且快捷。

Description

一种荧光靶探测器

技术领域

本实用新型涉及X射线束流位置监测设备，更具体地涉及一种荧光靶探测器。

背景技术

X射线束流位置监测设备是同步辐射光束线不可缺少的重要组成部分，常用的束流位置监测设备有刀片式探测器、荧光靶探测器和丝扫描探测器，主要用于监测束流的稳定性，探测光斑的形状或光强的分布。其中，刀片式探测器大多用于光束线站的前端区，在线检测同步辐射光束的中心位置偏移情况；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。荧光靶探测器主要用于光斑的形状和位置的观察，这是一种直观且简便的探测设备，在同步辐射X射线的位置测量中经常用到。

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，从而测量X射线的位置和空间分布。荧光靶探测器一般分为白光荧光靶探测器和单色光荧光靶探测器两类，若从X射线的能量来考量，就有软线和硬线之分，软X射线的能量一般低于2000eV，能被激发产生荧光的材料也和硬线的不同，因此，设计软线荧光靶探测器的关键之一主要就是荧光靶片材料的选择。

荧光靶片的发光材料可以是荧光粉涂层或CVD金刚石薄片等。例如现有的白光荧光靶探测器采用的是CVD金刚石薄片作为荧光靶片材料的设计，而单色光荧光靶探测器采用的是荧光粉涂层设计。由于CVD金刚石材料在低能量段的发光效率不高，用作荧光靶片不能很好的实施光斑探测，因此，CVD金刚石片一般用于前端区和光束线的白光荧光靶的探测器中，那里的热负载较大。荧光粉涂层虽然发光效率高，但在超高真空情况下，容易粉尘脱落造成空间的污染，并且影响到环境的真空度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种荧光靶探测器，从而解决现有技术中的无法探测较弱射线的荧光光斑以及污染真空环境等问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种荧光靶探测器，包括与真空管道对接并保持真空度的真空腔体；容置于所述真空腔体内的荧光靶芯体，所述荧光靶芯体包括荧光靶片，底座，冷却水管和压盖，其中，所述荧光靶片通过所述压盖固定在所述底座的迎光面，与入射光成45°角的所述底座的背光面设置有冷却水管，所述荧光靶片为YAG晶体荧光靶片；驱动所述荧光靶芯体升降的气缸；包括一连接杆的真空直线导入器，所述连接杆的两末端分别与所述气缸和所述荧光靶芯体连接；观察所述荧光靶芯体上的图像的CCD（电荷耦合器件）相机；以及用于限定所述气缸的驱动范围的上下限位开关。

所述底座上设置有靠近所述荧光靶片的热电偶。

所述荧光靶片的两面设有环形金箔垫片。

所述底座为无氧铜底座。

所述荧光靶探测器通过安装在所述气缸旁边的气动电磁阀进行控制。

所述荧光靶探测器通过支架固定，通过所述支架的位置调节杆来调节所述荧光靶探测器的水平面。

所述荧光靶探测器还包括有压缩空气接口和冷却水接口。

本实用新型的荧光靶探测器采用YAG晶体荧光靶片，特别是在软X射线和单色X光的荧光靶探测器中采用YAG晶体荧光靶片。由于YAG晶体对于能量较低的射线的发光效率较高，因此通过本实用新型的荧光靶探测器可以非常容易地探测到即使很微弱的射线所产生的荧光光斑。另外，在采用YAG晶体荧光靶片的荧光靶探测器的安装调试上，本实用新型的荧光靶探测器更为简便和快捷。

附图说明

图1示出了本实用新型的荧光靶探测器的结构；

图2示出了本实用新型的荧光靶探测器的安装固定支架；

图3示出了本实用新型的荧光靶探测器的真空直线导入器和荧光靶芯体的一个侧面；

图4示出了本实用新型的荧光靶探测器的真空直线导入器和荧光靶芯体的另一个侧面；

具体实施方式

下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本实用新型的荧光靶探测器的功能、特点。

更具体地参考附图1-4所示，本实用新型的荧光靶探测器包括：真空腔体1、荧光靶芯体2、气缸3、真空直线导入器4、CCD相机5和上下限位开关6。其中，真空腔体1用于与真空管道对接并保持真空度；荧光靶芯体2置于真空腔体1内，用于安装荧光靶片和对荧光靶片进行冷却；气缸3用于驱动荧光靶芯体2的升降；真空直线导入器4用于将气缸3与荧光靶芯体2连接从而实现荧光靶片的升降运动；CCD相机5固定在观察窗上，使之能够准确的观察到荧光靶片上的图像；上下限位开关6用于限定气缸3的驱动范围，触点碰到上限位时荧光靶芯体2就不再提升，避免真空腔体1内的不必要碰撞，触点碰到下限位时荧光靶芯体2就不再下降，保证荧光靶片中心能对准光路中心。

在本实用新型的一个实施例中，真空直线导入器4由波纹管41、法兰42和连接杆43组成。该连接杆43的在真空腔体1内的末端连接荧光靶芯体2，在真空腔体1外的末端连接气缸3。真空腔体1是一个七通真空靶室，主体内径150mm，上下两端为高真空内焊法兰CF150端口，且法兰-法兰端面距离350mm（可以根据工艺要求调整），四周在光束线方向两侧为2个CF100端口，法兰端距为250mm；在垂直于光束线方向两侧为2个CF35端口，一个配CF35观察窗；CF100法兰上方与CF100R-CF100轴线夹角45°位置有一个CF35端口，其端面到真空室中心距离为200mm，配CF35观察窗和CCD相机5。

在本实用新型的一个实施例中，荧光靶芯体2包括荧光靶片21、底座 22、冷却水管23和压盖24。荧光靶片21用压盖24固定在底座22的迎光面，该底座22的背光面设置有冷却水管23。该底座22与被测射线（入射光）成45°，该底座22的中心位置设有通孔，大小为通光孔径，安装尺寸比通光孔径大10mm。底座上装有热电偶，以测量其底座温度，测温点尽可能靠近被测的荧光靶片21。测量温度采用K型热电偶，该K型热电偶的头部直径为2mm，长度为50mm。

在本实用新型的一个实施例中，该底座22为无氧铜底座。

在本实用新型的一个实施例中，荧光靶片21的两面垫有环形金箔垫片，以降低接触热阻。

关于荧光靶片21的选择，主要从发光效率和热负载这两个方面来选取。在发光效率上，YAG（钇铝石榴石）晶体与CVD（化学气相沉淀）金刚石片在高能段的表现相当，都能得到清晰、明亮的荧光光斑；但是在低能量段，YAG晶体的表现要明显的优于CVD金刚石片。通过在上海光源软X射线显微谱学光束线站做的YAG晶体与CVD金刚石片发光效率的测试，测试能量为96-500ev范围内。利用image J软件取出光斑处的灰度，全黑为0度，全白为256度，结果见下表1。

表1、荧光光斑灰度值

从参数看，YAG晶体从96eV起亮度就已经饱和，亮度值的变化只是实验站光栅调节的问题。CVD金刚石片从300eV之后的某个能量开始，随着能量增加亮度也有相应的变化。

荧光靶片21上的热负载，主要是考虑设备的安全运行，使得同步辐射光照射后，荧光靶片21不会被击穿或者高温产生碳化。为此，在选择荧光靶片21材料时先要对荧光靶片21处的温度进行理论计算，然后再来选择荧光靶片21的材料。

假设光功率均匀分布，PX为荧光靶片21处的功率密度，假设吸收效率 η＝100%。忽略热传导，根据波尔兹曼-斯忒藩定律，热辐射功率：

P_r＝σT⁴

σ＝5.67×10^-8W/m²·K⁴

当Pr=PX时，T就是荧光靶片21上将会产生的温度。当这个温度过高时，荧光靶片21就需要采用水冷。水冷时，总吸收功率0.3614W，假设进水温度为25℃，出水温度保持30℃以下，则要求冷却水流量（ml/min）：

\frac{m}{t} = \frac{Q}{c (T_{2} - T_{1})}

假设底座22保持25℃，底座通孔的孔径D=25mm。YAG晶体外径Φ=35mm，厚t=0.5mm，热导系数μ＝10W/m·K。YAG晶体外缘5mm与底座22保持良好热接触。光斑尺寸2mm×1.4mm，最大功率密度ε=0.145W/mm²，总吸收功率P=0.3614W。可以近似看作半径r=1mm、功率密度ε=0.145W/mm²的圆形光斑，则YAG晶体中心温度：

其中R=D/2是通孔半径。

为了能准确读出束流在荧光靶片21处的位置信息，在荧光靶片21在线安装前需要对其进行标定与调节，使得荧光靶片21落下时，靶片的中心与管道中心处在同一高度处，其误差要求小于1mm；而荧光靶片21升起时，芯体2的下边缘不会挡住光束的通过；同时，荧光靶片21正对于出口法兰，其误差要求小于1度。

YAG晶体荧光靶探测器的控制采用气动电磁阀7（安装在气缸旁）来进行，该气动电磁阀7通过软管分别连接气缸的两个气孔和压缩空气，通过压缩空气的接通或断开，使气缸3上下移动来提升或降下荧光靶片21。当降下荧光靶片21时，X射线打在荧光靶片21上，产生荧光，通过观察窗处的CCD相机5即可看到发出的荧光；一旦荧光靶片21被提升，就离开了光路，无荧光可看，此时，X射线才能不被阻挡地向下游传输。需要注意联锁控制的是，荧光靶片21工作时的束流必须为10mA，大于此限定值的束流有可能烧坏荧光靶片21。同时，也要监测荧光靶探测器的温度和冷却水流量等工作参数。

YAG晶体荧光靶探测的信号输出，由于是通过CCD相机5观察的视频信号，因此，只需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。

对于荧光靶片21的使用，工作状态只有升起和落下两个情况。当荧光靶片21升起时，光束通过真空腔体1向下游设备传输；当荧光靶片21落下时，在荧光靶片21上能看到光斑的具体形状和大体的位置信息，但此时，光束将被完全截断，无法向下游设备传输。

本实用新型的荧光靶探测器能安全有效的运行，其对束流成像提供清晰明亮的图像，帮助判断光斑的形状与光束位置提供有力的依据。安装调试完成的软x射线干涉光刻XIL支线上，YAG晶体荧光靶探测器的成功应用，给光刻支线的调试带来了极大的方便，在第二个YAG晶体荧光靶片21上读出了相干光的衍射条纹图像。

例1

热负荷分析：假设光功率均匀分布，PX=0.145W/mm2，假设吸收效率η＝100%。忽略热传导，根据波尔兹曼-斯忒藩定律，热辐射功率：

P_r=σT⁴

σ=5.67×10^-8W/m²·K⁴

当Pr=PX时，T=1063K=790℃，所以必须有水冷。

水冷时，总吸收功率0.3614W，假设进水温度为25℃，出水温度保持30℃以下，则要求冷却水流量：

\frac{m}{t} = \frac{Q}{c (T_{2} - T_{1})} = 0.09 g / s = 5.2 g / \min = 5.2 ml / \min

由于总功率不高，所以冷却水流量很小就能满足冷却要求，可以假设底座22保持25℃，底座通孔径D=25mm。YAG晶体外径Φ=35mm，厚t=0.5mm，热导系数μ＝10W/m·K。YAG晶体外缘5mm与底座22保持良好热接触。光斑尺寸2mm×1.4mm，最大功率密度ε=0.145W/mm²，总吸收功率P=0.3614W。可以近似看作半径r=1mm、功率密度ε=0.145W/mm²的圆形光斑，则YAG晶体中心温度：

其中R=D/2是通孔半径。

ANSYS热分析结果也表明，无水冷时YAG晶体中心温度不超过76℃，有水冷时不超过66℃，与估算结果基本吻合。

ANSYS热分析情况：假设吸收功率0.361W。辐射率为0.5。

水和铜块之间的换热系数为9E-3W/（mm2·℃），参考温度为25℃。

YAG和铜块之间的接触热导为2E-3W/（mm2·℃）。

最大功率密度0.144W/mm2，最小0.117W/mm2，光斑面积2.69mm2。

从热分析结果看，由于功率密度和总功率都比较低，可以不用水冷。但那是在假设有一个恒温的底座22情况下的结果，由于荧光靶芯体2通过一个很长的连接杆43安装在真空腔体1内，导热很差，与理想模型有一定的差异；另从安全角度考虑，最终选择了带水冷的荧光靶片21。本实用新型的荧光靶探测器采用气缸驱动结构，荧光靶探测器的运动机构上还装有可以上下调节的限位开关，便于安装时调节位置。

荧光靶探测器通过支架8固定，该支架8必须牢固稳定，能够在水平面的2个方向上通过位置调节杆81有大于±10mm调节范围，从而高度确保荧光靶探测器轴向前后法兰中心地板高度为1300mm，并有大于±10mm的调节范围。

本实用新型的荧光靶探测器包括压缩空气接口9和冷却水接口10。压缩空气通过压缩空气接口9进入气动电磁阀7，从而控制荧光靶探测器。其中，该压缩空气接口压力优选为6-8kg/cm²。冷却水通过冷却水接口10对荧光靶芯体2进行冷却。其中，该冷却水温度优选为30℃，进口压力优选为8kg/cm²，流量5L/min。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型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，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims

1.一种荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶探测器包括：

与真空管道对接并保持真空度的真空腔体；

容置于所述真空腔体内的荧光靶芯体，所述荧光靶芯体包括荧光靶片，底座，冷却水管和压盖，其中，所述荧光靶片通过所述压盖固定在所述底座的迎光面，与入射光成45°角的所述底座的背光面设置有冷却水管，所述荧光靶片为YAG晶体荧光靶片；

驱动所述荧光靶芯体升降的气缸；

包括一连接杆的真空直线导入器，所述连接杆的两末端分别与所述气缸和所述荧光靶芯体连接；

观察所述荧光靶芯体上的图像的CCD相机；以及

用于限定所述气缸的驱动范围的上下限位开关。

2.如权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述底座上设置有靠近所述荧光靶片的热电偶。

3.如权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶片的两面设有环形金箔垫片。

4.如权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述底座为无氧铜底座。

5.如权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶探测器通过安装在所述气缸旁边的气动电磁阀进行控制。

6.如权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶探测器通过支架固定，通过所述支架的位置调节杆来调节所述荧光靶探测器的水平面。

7.如权利要求1所述的荧光靶探测器，其特征在于，所述荧光靶探测器还包括有压缩空气接口和冷却水接口。