[实用新型]一种同步辐射软X射线无损实时位置分辨电离室

说明书

技术领域

本实用新型涉及气体电离室领域，尤其涉及一种同步辐射软X射线无损实时位置分辨电离室。

背景技术

近些年来同步辐射应用发展迅速，利用同步辐射光源的实验方法得到了很大程度的提高，随着实验技术的不断提高以及样品尺寸的越来越小，实验对同步辐射光的质量要求也随之变得越来越高，在实验过程中对光束的无损实时监测显得尤为重要。光束位置的稳定性关系到实验样品上单色光强度甚至能量的变化，对最终实验结果有着重要的影响。对于某些实验，例如CT扫描等，完成一个完整实验往往需要较长的时间，实验过程中光束抖动对成像质量的影响很大，直接关系最终的实验结果，因此对光束位置的实时监测以及光束位置的自校正显得尤为重要。

目前在同步辐射硬X射线光束线上的实时监测技术已发展的比较成熟，普遍使用具有位置监测功能的小型电离室来实现对硬X射线光束位置的监测。例如，日本Spring-8的BL44B2线站上使用的位置灵敏电离室及前苏联BINP(俄罗斯科学院新西伯利亚核物理研究所)的VEPP一3储存环的5a实验站上采用的位置灵敏电离室。由于电离室具有方便灵活、空间和时间分辨率好、灵敏度高、容易做成各种形状、具有大的探测面积、工作稳定可靠、辐射损伤小、结构简单与造价低廉等优点，已成为同步辐射电离室中极佳的选择。对于硬X射线(一般指光子能量在6Kev以上的X射线)来说，其本身的穿透能力较强(见图1)，电离室内气体对其影响很小，此时气体电离室属于非阻挡式检测器，其不会阻挡同步辐射光，也不会影响光束线后端的实验平台，可以利用其对光束的位置进行实时监测；而对于软X射线(一般指光子能量在2Kev以下的X射线)来说，在同等条件下气体对光的吸收非常强(见图1)，与硬X射线相比其大部分被电离室内的气体吸收，此时气体电离室属于阻挡式检测器，不能用于软X射线光束线测量。

为了尽量减少气体对光的吸收，目前在同步辐射软X光束线上使用的气体电离室内的气体压强要远远低于一个标准大气压(760Torr)，通常选择的气压范围为10^-1Torr-10^-3Torr。当气压为10^-3Torr时，以氩气为例，假设软X射线光束线的光子通量为1×10¹⁰phs/s，电离室接收电极板长度为100cm，入射光子能量为250eV，此时的光电流I可由下式计算：

其中，Flux为光子通量，μ(单位为cm^-1)为线性吸收系数，l为电离室总的极板长度，E₀为入射光子能量，w为平均电离能。将μ＝2.12E-5cm^-1、w＝26.2eV带入可得理论光电流I为3.23×10^-11A。而由于电子-离子对复合效应等的影响，在实际应用中测量得到的光电流I要小于理论值。目前气体电离室的收集电极板多为金属电极板，其自身并不具备信号放大功能，因此该光电流值I几乎是目前电子学系统所能检测到的最小值，若电离室内气体压强继续降低，那么气体电离所产生的电流信号将不能被采集。

另一方面，为了尽量减少气体对光的吸收，同步辐射软X射线测量电离室多为超高真空状态(一般为10^-10Torr)，若电离室在线工作则需要考虑其前后的真空保护，通常的办法是加入真空差分系统或直接用窗口隔离。根据前文的分析，电离室能够正常工作所需要的气体压强最低为10^-3Torr，在这种情况下，若选择加入差分系统，则至少需要加入三到四级差分系统才能达到光束线的真空要求，这不仅增加了光束线的建设成本，同时也增加了光束线的安装准直难度；若选择加入隔离窗口，软X射线波段通常采用100nm厚的Si₃N₄薄膜作为窗口隔离真空，这主要因为其对软X射线的透过率相对较高且有一定的耐压能力，由图2可知即便如此，透过率最高也不到90％，特别在碳、氮、氧等软X射线光束线用户最感兴趣的能量点上不到70％，也就是说若采用两片氮化硅窗口分别隔离两端的真空，那么电离室整体对光的吸收超过20％，在碳、氮、氧等元素的吸收边上对光的吸收超过60％，这对光束线的光子通量造成了非常大的影响，因此采用这种方式保护真空会严重降低光束线性能。综上，采用传统金属收集电极板的电离室很难被用于软X射线的原位实时监测。