[實用新型]一種同步輻射軟X射線無損實時位置分辨電離室

有效

• 申請號: 201621304472.7
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN206194691U
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 薛超凡;吳衍青;王勇;邰仁忠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: H01J47/02
• 分類號: H01J47/02;G01T1/29
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 鄧琪,余中燕

技術領域

本實用新型涉及氣體電離室領域，尤其涉及一種同步輻射軟X射線無損實時位置分辨電離室。

背景技術

近些年來同步輻射應用發展迅速，利用同步輻射光源的實驗方法得到了很大程度的提高，隨著實驗技術的不斷提高以及樣品尺寸的越來越小，實驗對同步輻射光的質量要求也隨之變得越來越高，在實驗過程中對光束的無損實時監測顯得尤為重要。光束位置的穩定性關系到實驗樣品上單色光強度甚至能量的變化，對最終實驗結果有著重要的影響。對于某些實驗，例如CT掃描等，完成一個完整實驗往往需要較長的時間，實驗過程中光束抖動對成像質量的影響很大，直接關系最終的實驗結果，因此對光束位置的實時監測以及光束位置的自校正顯得尤為重要。

目前在同步輻射硬X射線光束線上的實時監測技術已發展的比較成熟，普遍使用具有位置監測功能的小型電離室來實現對硬X射線光束位置的監測。例如，日本Spring-8的BL44B2線站上使用的位置靈敏電離室及前蘇聯BINP(俄羅斯科學院新西伯利亞核物理研究所)的VEPP一3儲存環的5a實驗站上采用的位置靈敏電離室。由于電離室具有方便靈活、空間和時間分辨率好、靈敏度高、容易做成各種形狀、具有大的探測面積、工作穩定可靠、輻射損傷小、結構簡單與造價低廉等優點，已成為同步輻射電離室中極佳的選擇。對于硬X射線(一般指光子能量在6Kev以上的X射線)來說，其本身的穿透能力較強(見圖1)，電離室內氣體對其影響很小，此時氣體電離室屬于非阻擋式檢測器，其不會阻擋同步輻射光，也不會影響光束線后端的實驗平臺，可以利用其對光束的位置進行實時監測；而對于軟X射線(一般指光子能量在2Kev以下的X射線)來說，在同等條件下氣體對光的吸收非常強(見圖1)，與硬X射線相比其大部分被電離室內的氣體吸收，此時氣體電離室屬于阻擋式檢測器，不能用于軟X射線光束線測量。

為了盡量減少氣體對光的吸收，目前在同步輻射軟X光束線上使用的氣體電離室內的氣體壓強要遠遠低于一個標準大氣壓(760Torr)，通常選擇的氣壓范圍為10^-1Torr-10^-3Torr。當氣壓為10^-3Torr時，以氬氣為例，假設軟X射線光束線的光子通量為1×10¹⁰phs/s，電離室接收電極板長度為100cm，入射光子能量為250eV，此時的光電流I可由下式計算：

其中，Flux為光子通量，μ(單位為cm^-1)為線性吸收系數，l為電離室總的極板長度，E₀為入射光子能量，w為平均電離能。將μ＝2.12E-5cm^-1、w＝26.2eV帶入可得理論光電流I為3.23×10^-11A。而由于電子-離子對復合效應等的影響，在實際應用中測量得到的光電流I要小于理論值。目前氣體電離室的收集電極板多為金屬電極板，其自身并不具備信號放大功能，因此該光電流值I幾乎是目前電子學系統所能檢測到的最小值，若電離室內氣體壓強繼續降低，那么氣體電離所產生的電流信號將不能被采集。

另一方面，為了盡量減少氣體對光的吸收，同步輻射軟X射線測量電離室多為超高真空狀態(一般為10^-10Torr)，若電離室在線工作則需要考慮其前后的真空保護，通常的辦法是加入真空差分系統或直接用窗口隔離。根據前文的分析，電離室能夠正常工作所需要的氣體壓強最低為10^-3Torr，在這種情況下，若選擇加入差分系統，則至少需要加入三到四級差分系統才能達到光束線的真空要求，這不僅增加了光束線的建設成本，同時也增加了光束線的安裝準直難度；若選擇加入隔離窗口，軟X射線波段通常采用100nm厚的Si₃N₄薄膜作為窗口隔離真空，這主要因為其對軟X射線的透過率相對較高且有一定的耐壓能力，由圖2可知即便如此，透過率最高也不到90％，特別在碳、氮、氧等軟X射線光束線用戶最感興趣的能量點上不到70％，也就是說若采用兩片氮化硅窗口分別隔離兩端的真空，那么電離室整體對光的吸收超過20％，在碳、氮、氧等元素的吸收邊上對光的吸收超過60％，這對光束線的光子通量造成了非常大的影響，因此采用這種方式保護真空會嚴重降低光束線性能。綜上，采用傳統金屬收集電極板的電離室很難被用于軟X射線的原位實時監測。