上海光源儲存環(huán)X-ray針孔相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃國慶 陳 杰 陳之初 冷用斌 葉愷容

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

發(fā)射度是衡量性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，上海光源(SSRF)儲存環(huán)利用X-ray針孔相機(jī)實(shí)現(xiàn)該參數(shù)的測量及束斑尺寸的實(shí)時監(jiān)測。上海光源儲存環(huán)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為 3.9 nm·rad，如何實(shí)施小發(fā)射度測量至關(guān)重要。束流發(fā)射度與束流整體橫向振蕩的性質(zhì)密切聯(lián)系，束流相橢圓在不同位置的面積不變，但形狀不同，所以儲存環(huán)中束流截面的包絡(luò)呈起伏狀且隨位置變化。這種位置特性完全決定于相橢圓的形狀，即決定于Twiss 參數(shù)。Lattice參數(shù)β由位置探測器測得，另外，需精確測量束流截面。根據(jù)瑞利判據(jù)，分辨率受到光源波長的限制，若使用可見光測量束團(tuán)尺寸，其衍射效應(yīng)非常明顯，簡單的成像系統(tǒng)測量誤差很大，采用X-ray成像系統(tǒng)測量束團(tuán)尺寸，可提高分辨率[1,2]。我們除采用可見光的雙縫干涉法外[3]，還采用 X-ray針孔相機(jī)系統(tǒng)測量儲存環(huán)發(fā)射度。該系統(tǒng)主要由X-ray引出前端、衰減片、小孔、靶片和相機(jī)等構(gòu)成，控制和數(shù)據(jù)采集基于NI的PXI總線實(shí)現(xiàn)，采用LabVIEW軟件編寫。整個數(shù)據(jù)采集處理部分通過 EPICS Shared Memory IOCcore技術(shù)實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的無縫連接。

圖1 X-ray針孔相機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.1 Configuration of the X-ray pinhole camera system.

1 系統(tǒng)概述

X-ray針孔相機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1，為降低成本和便于系統(tǒng)調(diào)整，其中小孔平臺、靶片及相機(jī)都在大氣中。

系統(tǒng)位于注入點(diǎn)起的第二塊偏轉(zhuǎn)磁鐵后，運(yùn)行中，通過測量束團(tuán)的尺寸，可計(jì)算出發(fā)射度。為提高系統(tǒng)的放大倍數(shù)，在能安裝下設(shè)備的基礎(chǔ)上盡量減小物距，增加像距。目前光源點(diǎn)到小孔的距離為6.19 m；受建筑墻的限制，小孔到放置相機(jī)點(diǎn)的距離最長為9.25 m，故系統(tǒng)的光學(xué)放大倍數(shù)為1.5倍。

發(fā)射度ε將由CCD相機(jī)得到的束流截面(RMS)尺寸σi(i=x,y分別對應(yīng)束團(tuán)水平、垂直截面尺寸)及相關(guān)的Lattice參數(shù)β、色散函數(shù)η、能散σε由以下公式獲得[4]：

由于各種測量誤差的存在，按下式所得最終的測量值sm是幾種分布的綜合效應(yīng)[5]。

其中，sr為真正的束團(tuán)尺寸值，sc為相機(jī)景深和色散等因素引起的束團(tuán)尺寸的偏差，sd為小孔衍射產(chǎn)生的偏差，sp為小孔的幾何尺寸產(chǎn)生的偏差。數(shù)據(jù)處理中，將點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)反卷積進(jìn)行數(shù)據(jù)重建扣除影響。

在整個系統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)中，如何考慮將各部分對測量值的影響降到最小，下文分別予以介紹。

1.1 引出前端設(shè)計(jì)

引出前端的主要作用是將彎鐵處0.8°線的X射線從儲存環(huán)中引出。其與儲存環(huán)的真空管道相連，要求具有超高真空度(儲存環(huán)真空設(shè)計(jì)指標(biāo)：1.33×10?7Pa)及安全、可靠，由 400 L離子泵和升華泵確保引出前端的高真空。

引出窗要確保通過大部分X-ray，故越薄越好；但引出窗得忍受一個大氣壓的壓差，也不宜太薄，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。引出窗通常用輕金屬材料，如鋁、鈹，我們的引出窗是厚度為1 mm鋁。鋁窗吸收低能 X-ray，會有可觀溫度，需進(jìn)行水冷卻。300 mA流強(qiáng)下，X-ray經(jīng)過引出窗后的譜線如圖2。

圖2 X-ray經(jīng)過引出窗后的譜線Fig.2 X-ray spectrum through the aluminum window.

同時，用引出窗前端開孔的錐型吸收塊，吸收0.8°線外的X-ray射線，以減小到達(dá)鋁窗的功率，還加有水冷保護(hù)真空管道。引出前端裝有加入聯(lián)鎖保護(hù)氣動閥，以防止引出前端損壞而影響儲存環(huán)真空。氣動閥前安裝有光閘，一旦漏氣，其與氣動閥一起關(guān)閉，以保護(hù)氣動閥。整個引出前端的機(jī)械設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 引出前端總圖Fig.3 Schematic view of the front-end for X-ray emission.

1.2 衰減片設(shè)計(jì)

光路中裝有銅材料的梯形衰減片，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動選擇不同的衰減厚度，作高通濾波，僅使大于某能量的X射線通過。在大流強(qiáng)情況下，可調(diào)節(jié)衰減片以避免實(shí)驗(yàn)站成像的飽和，小能散也可提高分辯率。

1.3 小孔設(shè)計(jì)

上海光源的束團(tuán)橫向尺寸為μm級，則針孔相機(jī)系統(tǒng)中的小孔也是μm級，這給加工帶來很大難度。另外，要求小孔有一定厚度，以阻擋未穿過小孔的X-ray。綜合考慮，我們采用3 mm×25 mm×10 mm鎢塊疊放組成水平-垂直的狹縫，構(gòu)成多個小孔陣列(圖4)。此法加工簡單、小孔尺寸精確可控；但小孔是近似的孔徑，在縱向有一定厚度，并非理論上的理想小孔。

圖4 小孔結(jié)構(gòu)Fig.4 Configuration of the pinhole.

為使小孔準(zhǔn)確平行于X-ray方向，小孔安裝在一個四維可調(diào)的精密步進(jìn)電機(jī)移動平臺上(日本西格碼公司)，精度1 μm，可通過計(jì)算機(jī)RS232口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。X-ray在小孔處的光斑遠(yuǎn)大于小孔的尺寸，則小孔支架及地基的微小抖動對小孔成像的光斑尺寸影響可予忽略。

1.4 靶片及成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

X-ray針孔相機(jī)的成像系統(tǒng)若為專用 X-ray相機(jī)，固然結(jié)構(gòu)簡單，但成本很高。我們采用如圖 1所示的靶片加可見光相機(jī)模式，結(jié)構(gòu)雖較復(fù)雜，但成本低、靈活、易更換靶片和其他部件。靶片為YAG晶體，其靈敏度和分辨率均高。靶片和相機(jī)整體安裝在水平-垂直移動的電動平臺上，便于遠(yuǎn)程遙控尋找X-ray圖像。鏡頭采用固定放大2倍的鏡頭，先用手動微調(diào)機(jī)構(gòu)聚焦靶片，只要靶片上對應(yīng)的位置找到了 X-ray，相機(jī)上就可看到清晰的光斑圖像?？刂坪筒杉h(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)，以避免現(xiàn)場環(huán)境對人體的傷害。

1.5 軟件概述

該針孔相機(jī)系統(tǒng)通過美國NI公司的PXI總線設(shè)備實(shí)現(xiàn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制和圖像采集，軟件在Windows 平臺上用 LabVIEW 編寫，通過 Shared Memory IOCcore[5]技術(shù)實(shí)現(xiàn)EPICS 的數(shù)據(jù)接口，完成LabVIEW 應(yīng)用程序和控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。

軟件包括衰減片步進(jìn)電機(jī)的控制、小孔四維移動平臺的控制、靶片和相機(jī)的二維移動平臺的控制、圖像采集和處理、數(shù)據(jù)擬合和分析及EPICS 數(shù)據(jù)接口部分。

2 實(shí)驗(yàn)

用不同的小孔觀察光斑，確定50 μm×20 μm的小孔對應(yīng)的光斑較理想(圖5)。經(jīng)高斯擬合，采集到的光斑的水平和垂直尺寸(RMS)分別為 160.22 μm和38.78 μm，由式(2)求出真實(shí)束團(tuán)尺寸，得到加速器的水平發(fā)射度為3.37 nm·rad。X-ray針孔相機(jī)系統(tǒng)建成后，長時間監(jiān)測了引出窗溫度，由圖 6，最大流強(qiáng)(300 mA)時，溫度≤36°，說明引出該前端是安全的。

圖5 束團(tuán)光斑Fig.5 Image of the beam in the storage ring.

圖6 引出前端溫度隨流強(qiáng)的變化Fig.6 Temperature on front-end vs current of the storage ring.

3 結(jié)論

上海光源儲存環(huán)X-ray針孔相機(jī)系統(tǒng)，主要用于儲存環(huán)發(fā)射度測量。前期運(yùn)行情況表明，引出前端是安全可靠的，整個系統(tǒng)可穩(wěn)定可靠地工作，可實(shí)時看到束團(tuán)的光斑情況，實(shí)時計(jì)算出束團(tuán)尺寸和發(fā)射度，給儲存環(huán)調(diào)試和運(yùn)行帶來了便利。

1 Thomas C A, Rehm G. An X-ray pinhole camera system for diamond, DIPAC2005, 2005. 93–95

2 Bergstrom J C, Vogt J M. Nucl Instrum Methods Phys Res Section A, 2008, 587(2): 441–457

3 Corbett J, Cheng W. Interferometer beam size measurements in SPEAR3, PAC2009

4 Thomas C, Rehm G. Phys Rev ST Accel Beams, 2010,13(2): 022805

5 Elleaume P, Fortgang C. J Synchrotron Rad,1995, 2(5):209–214