一种利用同步辐射偏振性探测束流位置的探测器及方法与流程

本发明属于同步辐射技术领域，涉及一种探测器，尤其涉及一种利用同步辐射偏振性探测束流位置的探测器及方法。

背景技术：

同步辐射光来自储存环中的高能电子束在弯铁(bendingmagnet)或插入件(insertiondevices)的磁场中发生的偏转，光束通过光束线到达实验站供用户使用。对于同步辐射实验来说，光子束流的位置和角度的稳定性至关重要。因此，需要有能监测同步辐射光线位置的仪器----位置探测器。

常见束流位置探测器是用一些材料的光电转换特性或者其他光学特性探测光束截面强度分布，确定光束的中心位置。另外，xbpm还可以在线监测束流的强度变化，监测光源的漂移和衰减量，为实验提供光源的实时的监测信息。

常见的同步辐射束流位置探测器，按照探针结构大致分为探针型、刀片型、薄膜型和发光靶等类型。

其中，发光型金刚石薄膜型束流位置探测器与本发明方案最为接近。比如在0.5mm厚的硅片上沉积30μm厚的金刚石多晶膜，再用离子束刻蚀工艺在硅衬片上刻出直径几个mm的圆孔，刻蚀掉圆孔中的硅衬底，使金刚石薄膜支撑在硅衬底上，形成金刚石多晶膜探测器。

金刚石多晶膜被同步辐射直射后会发光，光斑强度与入射光强呈正相关，测量光斑强度的两维分布曲线，可获得入射的同步辐射光束截面形状和中心位置。如图1所示，ccd相机和光谱仪分别放置在真空腔两端，与金刚石多晶膜呈45°角，利用ccd相机或者光谱记录仪可以采集到束斑信息，从而分析得出光束截面的光强分布和中心光轴的坐标位置。

传统的探丝类bpm一般适用于弯铁或者扭摆器的低功率束线的光束检测，通常需要对光束进行整体扫描，才可以标定束线光斑的中心，不适用于实时监测光斑位置。刀片型bpm和光电型金刚石薄膜bpm不可以承受高热负载，不能直接面对高功率同步辐射。这两类探测器都是通过探测信号的中心强度分布推测光轴的中心位置，会受到弯铁辐射或者是受插入件间隙(gap)调节的影响。当无法看到这个中心或者看不出中心的分布时，这两类探测器就不能很好地监测束流位置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种利用同步辐射偏振性探测束流位置的探测器及方法，是一种可以监测同步辐射束流位置和强度的新型x射线位置探测器(x-raybeampositionmonitor，xbpm)。

本发明的技术方案为：

一种利用同步辐射偏振性探测束流位置的探测器，其特征在于，包括石墨单晶片1、真空腔体3、两个铍窗4、磁流体传动机构2、电机7、两个荧光板5、可见光传感器6；

真空腔体3，用于隔绝真空与大气，提供同步辐射光束所需要的真空环境；

两所述铍窗4平行于同步辐射光束且对称地安装在真空腔体3上；

磁流体传动机构2与真空腔体3连接，其中磁流体传动机构2的大气端与电机7相连，磁流体传动机构2的真空端与真空腔体3内的石墨单晶片1的夹持机构连接，用于将电机7的转动扭矩传递到真空内调节和定位石墨单晶片1，使得石墨单晶片1与同步辐射光束呈45°角或负45°角，实现对同步辐射光束的直线σ偏振成分的衍射强度为零而对π偏振成分的衍射强度不为零，同步辐射光束的π偏振成分衍射经一铍窗4出射到对应的荧光板5上；

可见光传感器6，用于观测和记录荧光板5上的发光图像。

进一步的，所述石墨单晶片1的表面晶向为008。

进一步的，所述石墨单晶片1上开设一小孔，同步辐射光束的中心光束穿过该小孔。

进一步的，利用45°角衍射对偏振的选择性，通过检测电子轨道上下同步辐射的π偏振光监测同步辐射的位置，同时让开被使用的光锥中心的部分。

一种利用同步辐射偏振性探测束流位置的方法，其步骤包括：

1)将同步辐射光束入射到真空腔体3的真空环境；其中在真空腔体3上平行于同步辐射光束且对称地安装两铍窗；

2)调整石墨单晶片1与同步辐射光束呈45°角，使得石墨单晶片1对同步辐射光束的直线σ偏振成分的衍射强度为零而对π偏振成分的衍射强度不为零；同步辐射光束的π偏振成分衍射经第一铍窗出射到第一荧光板上；然后观测和记录该第一荧光板上的发光图像，将该发光图像中两个亮斑之间的中央位置确定为光轴位置z1；

3)调整石墨单晶片1与同步辐射光束呈负45°角，使得石墨单晶片1对同步辐射光束的直线σ偏振成分的衍射强度为零而对π偏振成分的衍射强度不为零；同步辐射光束的π偏振成分衍射经第二铍窗出射到第二荧光板上；然后观测和记录该第二荧光板上的发光图像，将该发光图像中两个亮斑之间的中央位置确定为光轴位置z2；

4)将由对称分布的两块荧光板得到的z1、z2值做平均，确定光轴位置z，比较z值与几何测量的光轴高度，确定光轴高程与设计高度的偏差；

5)监测第一荧光板或第二荧光板的发光图像，并将根据该发光图像中两亮斑计算的光轴位置与该偏差进行比对，确定当前时刻的光轴位置，从而实现在线实时监测。

进一步的，通过磁流体传动机构2的大气端与电机7相连，磁流体传动机构2的真空端与真空腔体3内的石墨单晶片1的夹持机构连接，将电机7的转动扭矩传递到真空内调节和定位石墨单晶片1，使得石墨单晶片1与同步辐射光束呈45°角或负45°角，实现对同步辐射光束的直线σ偏振成分的衍射强度为零而对π偏振成分的衍射强度不为零。

进一步的，在第一荧光板、第二荧光板贴上刻度线得到带刻度的荧光板并对两块荧光板的刻度校正一致。

进一步的，通过一可转动可见光传感器6观测和记录第一荧光板、第二荧光板上的发光图像。

进一步的，第一荧光板、第二荧光板距离光轴的距离相同，将z1和z2的平均值作为光轴位置z。

本发明是一种利用同步辐射光(synchrotronradiation，sr)的偏振特性，使用偏离中心光路的上下两个π偏振成分的强度来确定竖直方向光路中心位置，进而推测出光轴中心位置的方法。由于可以避开中心光路，也就避开了同步辐射的高功率密度区域，并且可以不干扰实验所要使用的中心光轴附近的光(中央可开孔)。本发明具有以下特点：

1)本发明的束流位置探测器采用对同步辐射光源有良好透过性的单晶石墨薄片，利用其45度衍射的偏振特性为原理的位置监测探针。

2)本装置利用了同步辐射光的偏振分布特性，筛选出竖直方向偏离中心光轴的π偏振成分作为探测信号光，保证通过中心光轴外部的测量得到中心光轴的位置。

3)本装置原理上有别于通过中心强度拟合得到光轴中心位置信息的办法，而是利用上下方两个π偏振光斑，推测出光轴中心位置。不干扰轴心用光、不受其他杂散光信号的干扰。

4)本装置使用置于束线外的两个对称放置的荧光板，通过观察两个荧光板上的光斑位置得出光轴中心，可以避开石墨单晶方位角对出射光纵向的影响，得到光轴真实的纵向位置。

5)本装置使用外置可见光传感器(例如：ccd)记录荧光板上的束线位置信息，在采集光斑信息的同时，也可以采集到外置地标的位置信息，故而可以将所得位置信息和外置地标做比对，这是其他类型的xbpm所不具备的功能。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1)本装置可以避开高功率密度的插入件同步辐射的光轴部分，通过拟合其上下两侧的π偏振光斑，得出光轴中心位置。

2)石墨晶体有良好的热导率、低热膨胀系数和低吸收率，该装置可以在线使用，且不会对光束的传输产生干扰，不会对下游各元件产生负面影响。

3)本装置的机械构造易于实现，主要包含一个转轴和驱动马达，以及一个可以上下移动的平移机构(可省略)。通过对上下两个偏振光斑图像的处理，可比较准确地确定光轴的中心高度。

附图说明

图1为金刚石多晶膜束流探测器实验系统示意图。

图2为本发明偏振型bpm光路俯视图示意图。

图3为偏振型bpm光路主视图示意图。

其中，1-石墨单晶片，2-磁流体转台，3-真空腔体，4-铍窗，5-荧光板，6-可见光传感器，7-电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

本发明是一个利用同步辐射偏振特性捕捉其中心位置的xbpm。本装置主要包括石墨单晶片1、真空腔体3、两个铍窗4、磁流体传动机构2、电机7、两个荧光板5、可转动的可见光传感器6等部件。以下结合图2和图3对主要部件做详细介绍：

中央开小孔的石墨单晶片1是本发明的探针部件，对同步辐射光源有良好的透过性，且有高热导率和低热膨胀系数，可以承受插入件光源的高热负载。石墨单晶片1的设计厚度为20μm，表面晶向为008，竖直(即晶体表面与水平面垂直)且与光束呈45°角放置在光路时，约10kev能量的x射线会发生衍射。由于同步辐射的偏振特性和晶体对偏振x射线的衍射特性，上述配置对同步辐射光束中心的直线σ偏振成分的衍射强度为零，而对π偏振成分的衍射强度不为零。这样的45度衍射光经由铍窗4，在荧光板5上可以有上下两个亮斑，两个亮斑之间的中央位置是光轴位置。使用两个对称分布的荧光板的目的是规避石墨单晶方位角的影响，可以更准确测定光轴中心。

磁流体传动机构2具备良好的真空密封效果，其大气端与电机7相连，真空端与石墨单晶片的夹持机构连接，这样可以利用磁流体保证真空密封，并同时将真空外电机7的转动扭矩传递到真空内，用以调节和定位石墨单晶片1的角度位置。

真空腔体3隔绝真空与大气，提供同步辐射束线所需要的真空环境，腔体的x射线入射口和出射口处有标准法兰接口，可以与束线上游和下游的光学元件通过密封铜圈连接。在与光线垂直的水平方向上，对称分布一对铍窗，可以允许经过石墨晶片衍射后的约10kev的x射线通过。

铍窗4隔绝真空与大气，且对x射线有很高透过率，10kev的x射线衍射光束可以透过铍窗照射到荧光板5上。

荧光板平行于光路竖直放置，在荧光板的光斑附近贴上高度方向的刻度得到带刻度的荧光板5，束线两侧的两块荧光板5的刻度可通过一般水准望远镜校正一致。荧光板的作用是将x射线转化为可见光，让可见光传感器记录下石墨单晶片45度衍射出来的π偏振的光斑分布，该光斑分为上下两部分，两部分在光轴的竖直方向对称分布。

可转动可见光传感器6是带转台的可见光图像传感器，可以通过旋转角度观测和记录荧光板上的发光图像，通过图像处理得到光束的中心位置。

本装置可将有水冷的石墨单晶片从上方插入光路中央，从上方看与光轴成约45°夹角。此时，白光中的10kev成分可以满足布拉格关系，π偏振成分被出射到外部带标尺的荧光板5上。通过在图3中所示的可见光的图像探头，可以看到经由石墨单晶片反射后的轨道面上下方的两个光斑和刻度尺，通过图像处理可以确定两个光斑中间处的光轴z1。然后沿着竖直方向旋转晶片90°，此时白光中的10kev光子从对面的铍窗被出射到第二个荧光板5上。转动可见光的影像探头，可以同样看到这一侧的两个光斑并得出光轴高程位置z2。若荧光板距离光轴的距离相同，则z1和z2标高的平均值即为不受石墨单晶片俯仰角影响的真实的光轴高程位置。与几何测量的高度比较就可以知道光轴高程与设计高度的偏差，此后，监测任意一侧的荧光板图像就可以知道该时刻光轴高程位置。同时，该光轴高度信息可以和可见光传感器记录下的外置地标信息做直接比对，这是其他类型xbpm所不具备的。

石墨本身良好的耐热性和对同步辐射光的低吸收率，外加上可以做到中央开孔避开中心同步辐射的照射，使得该xbpm可以在线实时使用。45微米的加厚石墨片对5kev同步辐射光的透过率约82％，对10kev同步辐射光的透过率约98％，因此对同步辐射光强度的影响不大。如果担心石墨晶片对x射线的吸收和承受的热负荷，可以在石墨片的某处开个孔，待位置校正完毕后，改变石墨片的工作位置让中心光轴从该孔处穿过。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。