一种基于离子束高次电离原理的X射线光束位置探测器

摘要

本发明涉及一种基于离子束高次电离原理的X射线光束位置探测器，包括：离子源、离子加速电极、电磁透镜、扫描器件、待测X射线光束、耦合透镜、离子价态分析器、时间分辨监测控制及数据采集‑处理系统；所述离子源连接到离子加速电极，所述离子电极用于提供几百eV–keV的电极电压；所述离子加速电极后面设置有电磁透镜，用于聚焦被离子加速电极加速后的离子束，提高空间分辨率并且分离出低价离子；所述电磁透镜后面设置有离子束的扫描器件；通过扫描器件后的离子束扫描照射到待测X射线光束，用于对X射线光束进行扫描；通过待测X射线光束之后的离子束被输入到离子价态分析器，用于分离扫描过X射线光束的被高次电离的离子。

说明书

技术领域

本发明提出一种针对高强度/功率密度的X射线光束位置的探测方法，解决现有位置探测器无法承受高热负载和高本底噪音的问题。

背景技术

随着科学研究的发展，近些年来高强度的X射线光源装置如自由电子激光、同步辐射光源等大科学装置的需求越来越强烈。X射线光束位置探测器是同步辐射装置中光束线的一个关键部件，它可提供光束的位置/角度、分布和强度的实时数据，是监测光源和光束线运行状态、以及调整线站光学器件的基础信息。

传统的光束位置探测器件包括荧光靶、金刚石电极、丝扫描、电离室等。

(1)基于荧光屏的方案是用荧光物质等将X射线转换成可见光，通过图像传感器观察记录荧光体上的光强度分布，由此可以推测X射线光束的分布和位置。

(2)金刚石四象限探测器中，利用对称并加有一定的偏压的两组电极与X线光束的相对位置关系得到电流信号。当X线光束进入探测器的灵敏区时，其电离作用使电极中产生一定数量的电子-空穴对。电子与空穴在电场作用下分别向两组电极端运动形成电流。根据同一电极两端所收集到的电流值的差与总电流值之比，就能确定入射光束的重心位置。

(3)丝扫描的方案中，特殊材质的十字交叉扫描丝扫过X射线光束时，会发生光电效应形成光电流。光电流的信号强度与X射线光束的强度成正比，经过电子学仪器放大后，即可计算出光束的重心位置和光束横截面的大小。丝扫描在测量过程中可能会影响到用户用光。

(4)电离室方案中，以气体为探测介质，电离室的阳极板加载正电压。气体被电离后，阳/阴极会收集到电子/正离子。通过分割电极板，如图1所示，比如做成锯齿状的电极，X射线光束在通过不同区域时产生的电离信号可以表现在电极信号的差异上，从而得到光束的位置信息。

以上这些探测方法，一般存在的问题包括几个方面的问题：(1)破坏光束的传输，如金刚石四象限、丝扫描；(2)无法承受波荡器辐射的高热负载、甚至被破坏，特别对于高能光源，光轴上的功率密度非常高；(3)波荡器辐射的空间分布随波荡器gap参数调整会发生变化，再加上周边弯铁辐射的本底影响，只靠周边的辐射信号无法准确地测到波荡器辐射的中心位置。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明为不破坏X射线光束且不被X射线光束破坏，提出基于离子束与X射线光束相互作用发生高次电离的X射线光束位置探测的新方法，即基于一价离子束，实现对X射线光束横截面强度的探测。另外，为了实现对光束横截面的测量，该发明使用了离子束对光束横向扫描的方式。最后，由于离子束无冷却问题，且在真空中使用，适用于高强度的同步辐射光束线上，且可以获得非常好的信噪比。

本发明的技术方案为：一种基于离子束高次电离原理的X射线光束位置探测器，其特征在于，包括：离子源、离子加速电极、电磁透镜、扫描器件、待测X射线光束、耦合透镜、离子价态分析器、时间分辨检测的数据采集-处理系统。

所述离子源，用于提供离子束，所述离子源连接到离子加速电极，所述离子电极用于提供几百eV–几keV的电极电压；

所述离子加速电极后面设置有电磁透镜，用于聚焦被离子加速电极加速后的离子束，提高空间分辨率并且分离出低价离子；

所述电磁透镜后面设置有离子束的扫描器件，用于控制离子束扫描光束，电场或者磁场；通过扫描器件后的光束照射到待测X射线光束，用于对X射线光束进行扫描；

通过待测X射线光束之后的离子束被输入到离子价态分析器，用于分离扫描过X射线光束的被高次电离的离子；

时间分辨监测控制及数据采集-处理系统，用于对离子束进行数据采集和处理；

进一步的，还包括真空腔体，用于提供真空环境，上述各部件均位于真空腔体内；

离子源产生离子，并经离子加速电极被加速，形成离子束；电磁透镜将该离子束聚焦至目标束斑尺寸后，在扫描器件的控制下，扫描待测X射线光束。

进一步的，当离子束扫描X射线光束截面，离子束经过强光区域时，被X射线光束再次电离，产生高价的离子；离子束中的高价离子可以用价态分析器与一价离子分离；高价离子中二价离子的强度与X射线的强度成正比，由此得到光束横截面的分布信息；包含有一价离子和高价离子的离子束通过耦合透镜收集，通过时间分辨监测控制及数据采集-处理系统实现离子束对X射线光束的横断扫描，探测并分析给出所测X射线光束的二维强度分布。

进一步的，所述的扫描器件采用电场控制，或磁场控制；且通过在垂直和水平方向各配置一个扫描器，实现二维探测，给出二维信息。

所述的离子价态分析器包括质谱仪和离子探测系统两个部分；所述的质谱仪为静电式的或磁场式的，其结构采用有扇面结构或四电极结构。

进一步的，对于扇面结构的质谱仪，质谱仪内设置有扇形电场和扇形磁场；二次离子首先通过入口狭缝通过场孔径进入一个扇形电场，称为静电分析器；在扇形电场内，离子沿半径为r的圆形轨道运动，由扇形电场产生的力等于向心力；改变能量狭缝的宽度选择不同能量的二次离子通过光谱仪镜头进入扇形磁场；由电场偏转后的二次离子再进入扇形磁场进行第二次聚焦，不同质荷比的离子聚焦在成像面的不同点上；如果出口狭缝固定不动，调整扇形磁场的强度，使得只有目标离子通过出口狭缝进入离子探测器。

进一步的，所述离子探测系统的离子探测器是二次电子倍增管，二次离子通过质谱仪的出口狭缝后，经过投影镜头，到达另一个静电场，其中一部分直接到达成像探测器，另一部分经过离子束转向器后经过法拉第杯直接与电子倍增管的初级电极相碰撞，产生二次电子发射；二次电子被第二级电极吸引并加速，在其上轰击出更多的二次电子，这样逐级倍增，最后进入记录和观察系统，由记录仪和计数器记录。

进一步的，所述时间分辨检测的数据采集-处理系统，包括两部分的功能，一个是用于控制数据采集与离子束的扫描器件的同步，即探测器的二次离子信号强度以及离子束扫描位置信号，即实现顺序扫描测量。

有益效果：

本发明的设计科学合理，可在不破坏光束线用户实验(即光束品质)的前提下，实现对强X射线光束的直接测量，给出所测X射线光束的位置信息。

附图说明

图1为现有技术中电离室方案原理图；

图2为本发明的一种基于离子束高次电离原理的X射线光束位置探测器原理框图；

图3为离子价态分析器原理图；

图4为离子探测系统原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提出一种基于离子束高次电离原理的X射线光束位置探测器，如图2所示，包括：离子源1、离子加速电极2、电磁透镜3、扫描器件4、待测X射线光束5、耦合透镜6、离子价态分析器7、时间分辨监测控制及数据采集-处理系统8。

所述离子源1，用于提供离子束，例如Mg+、Ca+等一价离子；所述离子源1连接到离子加速电极2，所述离子加速电极2用于提供几百eV–数keV的电极电压；所述的数k额V是2～9keV，例如8keV等，可以根据情况调整，本发明不作限定；

所述离子加速电极2后面设置有电磁透镜3，用于聚焦被离子加速电极加速后的离子束10，提高空间分辨率并且分离出低价离子；

所述电磁透镜3后面设置有离子束的扫描器件4，用于控制离子束扫描光束，电场或者磁场；通过扫描器件4后的光束照射到待测X射线光束5，用于对X射线光束5进行扫描；

通过待测X射线光束5之后的离子束被输入到离子价态分析器7用于分离扫描过X射线光束的被高次电离的离子；

时间分辨监测控制及数据采集-处理系统8，用于对离子束进行数据采集和处理。

还包括真空腔体，用于提供真空环境，上述各部件均位于真空腔体内。

参见图2，离子源1产生离子，并经离子加速电极2被加速，形成离子束10；电磁透镜将3该离子束聚焦至目标束斑尺寸(如微米级)后，在扫描器件4的控制下，扫描待测X射线光束5。

当离子束10扫描X射线光束5截面，离子束10经过强光区域时，被X射线光束再次电离，产生高价的离子。离子束中的高价离子可以用价态分析器与一价离子分离。高价离子中二价离子的强度与X射线的强度成正比，由此可以得到光束横截面的分布信息。包含有一价离子和高价离子的离子束11通过耦合透镜6收集，通过时间分辨监测控制及数据采集-处理系统8实现离子束对X射线光束的横断扫描，探测并分析给出所测X射线光束的二维强度分布。整个实验系统需要在真空腔体内搭建。

根据本发明的实施例所述的扫描器件4件可以是电场控制，也可以是磁场控制。

可选的，通过在垂直和水平方向各配置一个该扫描器，可以实现二维探测，给出二维信息；

根据本发明的一个实施例，参见图3，所述的离子价态分析器7包括质谱仪和离子探测系统两个部分。质谱仪由扇形电场和扇形磁场组成(如图3所示)。二次离子首先通过入口狭缝21通过场孔径22进入一个扇形电场23，称为静电分析器。在扇形电场内，离子沿半径为r的圆形轨道运动，由扇形电场产生的力等于向心力。图3中能量狭缝24，改变能量狭缝24的宽度可选择不同能量的二次离子通过光谱仪镜头25进入磁场。由电场偏转后的二次离子再进入扇形磁场26(磁分析器)进行第二次聚焦，不同质荷比的离子聚焦在成像面的不同点上。如果出口狭缝27固定不动，调整扇形磁场的强度，使得只有目标离子通过出口狭缝27进入离子探测器。

如图3、图4所示，离子探测系统的离子探测器是二次电子倍增管，二次离子通过质谱仪的出口狭缝27后，经过投影镜头32，到达另一个静电场34，其中一部分直接到达成像探测器35，另一部分经过离子束转向器33后经过法拉第杯36直接与电子倍增管37的初级电极相碰撞，产生二次电子发射。二次电子被第二级电极吸引并加速，在其上轰击出更多的二次电子，这样逐级倍增，最后进入记录和观察系统，由记录仪38和计数器39记录。

根据本发明的一个实施例，所述时间分辨监测控制及数据采集-处理系统8，包括两部分的功能，一个是用于控制数据采集与离子束的扫描器件4的同步，即探测器的二次离子信号强度以及离子束扫描位置信号，即实现顺序扫描测量。

另外一部分是数据的采集、处理、显示，给出完整的光束信息。根据扫描位置和记录光强的变化曲线，可以：(1)寻找最大光强值点的位置，确定光束的中心；(2)根据曲线的宽度确定光束的宽度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。