本實用新型涉及氣體電離室領(lǐng)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(shù)：

近些年來同步輻射應(yīng)用發(fā)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(shù)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(zhì)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(jiān)測顯得尤為重要。光束位置的穩(wěn)定性關(guān)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(jié)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(zhì)量的影響很大，直接關(guān)系最終的實驗結(jié)果，因此對光束位置的實時監(jiān)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(jiān)測技術(shù)已發(fā)展的比較成熟，普遍使用具有位置監(jiān)測功能的小型電離室來實現(xiàn)對硬X射線光束位置的監(jiān)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(lián)BINP(俄羅斯科學(xué)院新西伯利亞核物理研究所)的VEPP一3儲存環(huán)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(wěn)定可靠、輻射損傷小、結(jié)構(gòu)簡單與造價低廉等優(yōu)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(nèi)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(jiān)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(nèi)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(nèi)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(dāng)氣壓為10^-3Torr時，以氬氣為例，假設(shè)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，F(xiàn)lux為光子通量，μ(單位為cm^-1)為線性吸收系數(shù)，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(fù)合效應(yīng)等的影響，在實際應(yīng)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(xué)系統(tǒng)所能檢測到的最小值，若電離室內(nèi)氣體壓強繼續(xù)降低，那么氣體電離所產(chǎn)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(tài)(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(tǒng)或直接用窗口隔離。根據(jù)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(tǒng)，則至少需要加入三到四級差分系統(tǒng)才能達到光束線的真空要求，這不僅增加了光束線的建設(shè)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(tǒng)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(jiān)測。

到目前為止，真正用于同步輻射軟X射線光束線光束位置實時無損監(jiān)測的方法還未見報道。國際上用于軟X射線光束線上監(jiān)測光束位置的探測器主要為絲掃描光束位置探測器與狹縫式探測器。其中絲掃描光束位置探測器工作時需要沿垂直光束方向移動，會造成對光束的阻擋，屬于阻擋式檢測器，不能用于在線監(jiān)測。而狹縫式探測器雖然可以讓光束中心通過，但其也限制了光斑的尺寸，阻擋了部分光束，在一定程度上降低了光子通量，并且利用這種類型的探測器在線實時監(jiān)測光束位置時精度不是很高，很難精確確定光束中心位置。

綜上所述，隨著同步輻射技術(shù)的不斷發(fā)展，實驗對同步光源品質(zhì)的要求越來越高，這就對光束狀態(tài)的檢測提出了更高的要求。目前國際上硬X射線光束線在線實時監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于受微弱電流檢測、光束線真空保護等問題的限制，目前還沒有一種有效的方法用于軟X射線光束線，實現(xiàn)對光束的原位實時無損監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種同步輻射軟X射線無損實時位置分辨電離室，用以實現(xiàn)對軟X射線光束位置的原位無損實時監(jiān)測。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種同步輻射軟X射線無損實時位置分辨電離室，包括密封殼體以及在所述密封殼體中上下平行對置的高壓電極板和收集電極板，所述收集電極板呈矩形，并由兩個呈直角三角形的微通道板模塊拼接而成。

進一步地，所述微通道板模塊由一塊微通道板構(gòu)成或者由多塊微通道板疊置面成。

進一步地，該電離室還包括圍繞在所述收集電極板四周并與所述收集電極彼此絕緣的保護環(huán)。

優(yōu)選地，所述保護環(huán)由金屬材料制成。

優(yōu)選地，所述保護環(huán)呈矩形。

優(yōu)選地，所述高壓電極板由金屬材料制成。

優(yōu)選地，所述高壓電極板呈矩形。

通過采用上述技術(shù)方案，本實用新型具有如下有益效果：通過將收集電極板設(shè)計為由兩個呈直角三角形的微通道板模塊拼接而成，從而可利用微通道板模塊對電流信號放大的作用，使得電離室即使工作在高真空下，也可以輸出能夠被檢測到的電流，進而實現(xiàn)對軟X射線光束強度、位置的無損實時監(jiān)測。

附圖說明

圖1為X射線透過率曲線，其中，介質(zhì)為為760Torr的氮氣，行程為10cm；

圖2為厚度為100nm的氮化硅薄膜的軟X射線透過率曲線；

圖3為本實用新型同步輻射軟X射線無損實時位置分辨電離室的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4A為本實用新型電離室中未設(shè)置保護環(huán)時的電場分布示意圖；

圖4B為本實用新型電離室中設(shè)置保護環(huán)時的電場分布示意圖；

圖5為本實用新型兩個微通道板模塊的電流信號與入射光束位置的關(guān)系示意圖；

圖6為軟X射線偏離電離室中心軸入射的示意圖；

圖7為X射線透過率曲線，其中，介質(zhì)為10^-6Torr的氬氣，行程為10cm。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，給出本實用新型的較佳實施例，并予以詳細描述，使能更好地理解本實用新型的功能、特點。

圖3示出了本實用新型同步輻射軟X射線無損實時位置分辨電離室的一個實施例，其包括內(nèi)部充有氣體的密封殼體1以及設(shè)置在密封殼體1中的矩形高壓電極板2、矩形收集電極板3和矩形保護環(huán)4。其中，高壓電極板2與收集電極板3上下平行對置，保護環(huán)4圍繞在收集電極板3的四周并與收集電極彼此絕緣。

在本實用新型中，高壓電極板2由金屬材料制成；收集電極板3由兩個相同的直角三角形微通道板模塊拼接而成，且兩個微通道板模塊彼此絕緣；保護環(huán)4由金屬材料制成，并且在圖1的實施例中通過刻蝕技術(shù)分割成四塊完全相同的部分，分別標示為A1、A2、A3和A4，需要說明的是，其也可以不分割或者分割成其它形式。保護環(huán)4在此的作用是確保收集電極板3上的電場分布是垂直的，具體來說，不設(shè)置保護環(huán)4時，在收集電極板3的邊緣處電場會發(fā)生彎曲(見圖4A)，從而影響測量結(jié)果，增設(shè)保護環(huán)4后，則收集電極板3上的電場分布是垂直的(見圖4B)。

利用本實用新型電離室進行光強監(jiān)測的原理如下：

當(dāng)入射的軟X射線射到電離室中時，內(nèi)部的氣體將產(chǎn)生電離，并生成正負離子對。當(dāng)存在電場時(即在兩個電極板上施加極化電壓時)，正離子向收集電極板3方向漂移，負離子向高壓電極板2方向漂移，從而在外電路中形成電流，外電路收集到的電流即為電離電流。當(dāng)一定體積的氣體受恒定的軟X射線照射時，離子對的生成率是恒定的，此時電離室應(yīng)工作在飽和區(qū)，電離電流正比于軟X射線的強度。

若N為電離室中單位時間內(nèi)離子對的產(chǎn)生率，e為電子電荷，則電離室平均電離電流I_C即可由I_C＝eN求出。

電離室內(nèi)兩個微通道板模塊引出的兩路電流信號分別為I₁和I₂(見圖3)。當(dāng)X射線平行于電離室中心軸入射時，其強度與電流I＝I₁+I₂成比例關(guān)系；當(dāng)X射線傾斜入射時，在氣體內(nèi)部走過的路程更長，設(shè)入射角為θ，則其強度與電流I＝I_θcosθ＝(I₁+I₂)cosθ成比例關(guān)系。

利用本實用新型的電離室進行位置監(jiān)測的原理如下：

本實用新型對入射的軟X射線位置的測定是通過收集電極板3自身的特殊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。電流信號I₁和I₂的大小應(yīng)與電離室中光路沿電場方向在收集電極板3上的投影長度成正比，所以兩路信號的消長均與光束位置呈線性關(guān)系。由于收集電極板3由兩個呈直角三角形的微通道板模塊構(gòu)成，假設(shè)入射光的水平分布為δ函數(shù)，垂直均勻，則電流信號I₁和I₂與入射光的位置關(guān)系如圖5所示，用函數(shù)表示為:

其中，x為入射光束相對于電離室中心軸的位移，W為有效收集電極板3的寬度(見圖6)，取差和比函數(shù)作為光束位置的監(jiān)測函數(shù)，可得入射光的水平位置為

這種處理方式有下列幾個優(yōu)點：

(1)取差和比函數(shù)將去除總的光電流強度的影響。

(2)分子取差?？梢杂行饨绻材８蓴_，而絕大部分外界的干擾都是以共模形式影響兩路信號的。

(3)分母取總電流可以高效地利用信號量，取總電流作為分母可以在兩路信號相互消長時，維持分母恒定，這樣比利用單路信號的誤差要小得多。

如前所述，本實用新型的收集電極板3采用的是微通道板模塊，由于微通道板可以起到對電流信號放大的作用，從而使得電離室即使工作在較低的氣體壓強下，也能夠?qū)﹄娏餍盘栠M行檢測。其中，微通道板由若干個相互平行的小的電子倍增管組成，電子倍增管的長徑比(即管長L與管徑D之間的比)越長，增益就越高。例如，一片L/D＝40:1的微通道板增益可以達到10⁴，而L/D＝60:1的微通道板則可以達到10⁵。而且，微通道板的增益可以通過疊置達到更高，通常兩片疊置的微通道板的增益可以達到10⁷，三片疊置的微通道板的增益可以達到10⁸。因此，在本實用新型一個優(yōu)選的實施例中，微通道板模塊由多塊微通道板疊置而成。

參見圖7可知，同樣以氬氣為例，當(dāng)電離室內(nèi)氣體壓強低于10^-6Torr時，其對軟X射線的吸收也可忽略不計。根據(jù)式(1)，在氣體壓強為10^-7Torr而其它條件均不變的情況下，光電流為3.23×10^-15A。采用兩片微通道板疊置可使信號增益超過10⁷，那么完全可以使用電流計對電流信號進行采集，克服了現(xiàn)有電離室在極低所壓下檢測軟X射線時電流不能測量的問題。

目前國際上出售微通道板的公司主要有兩家：Tectra與Photonis，其中Photonis可以定制簡單幾何形狀的微通道板，這就解決了微通道板加工的難題，因此本實用新型在技術(shù)上是可行的。

此外，當(dāng)利用本實用新型的電離室監(jiān)測入射軟X射線的位置后，將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至計算機，并利用計算機控制光束線上的光學(xué)元件，可實現(xiàn)對軟X射線光束位置的自動校正。

以上所述的，僅為本實用新型的較佳實施例，并非用以限定本實用新型的范圍，本實用新型的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本實用新型申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本實用新型專利的權(quán)利要求保護范圍。本實用新型未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。