李俊琴 鄒 鷹 陳振華 薛 蓮 王 勇 邰仁忠

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基于微通道板的電離室及其在同步輻射中的應(yīng)用

李俊琴 鄒 鷹 陳振華 薛 蓮 王 勇 邰仁忠

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

在同步輻射裝置中，氣體電離室是定標(biāo)光束線能量和評估能量分辨率的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)裝置。為了擺脫電極探針式電離室的氣體展寬對束線能量分辨率測定的限制，本文將微通道板(Microchannel Plate, MCP)應(yīng)用于同步輻射光束線中的電離室，研制成功了具有高能量分辨率的電離吸收譜的探測系統(tǒng)。利用此系統(tǒng)測量標(biāo)準(zhǔn)氣體在X射線入射時(shí)的電離吸收譜，通過分析測量所得譜線中吸收峰的展寬，可獲得光束線的儀器展寬，本文以Ar的吸收譜為例給出了測量結(jié)果。

同步輻射裝置，電離室，微通道板，電離吸收譜，能量分辨率

定標(biāo)光束線的能量和評估能量分辨本領(lǐng)是同步輻射光束線建設(shè)過程中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。在軟X射線能量范圍內(nèi)，普遍采用的一種探測器是氣體電離室。氣體電離室是以氣體為工作介質(zhì)，借助電離輻射與氣體的相互作用，通過收集輻射在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來探測輻射的探測器[1]。由于氣體探測器具有制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于核輻射探測。利用電離室測量標(biāo)準(zhǔn)氣體的電離吸收譜，通過與標(biāo)準(zhǔn)的吸收邊進(jìn)行對比來定標(biāo)束線的能量；通過分析譜線中吸收峰的展寬來得到光束線的儀器展寬。

在國外同步輻射裝置中，常用基于電極探針的電離室，這種電離室具有相對簡單的結(jié)構(gòu)與電子學(xué)設(shè)備，且收集極不易損壞，所以被廣泛應(yīng)用于同步輻射裝置中[2]。然而電極探針式的電離室工作氣壓較高，一般在13.3–0.133Pa，這時(shí)增加的氣體碰撞展寬對吸收譜峰寬有額外的貢獻(xiàn)[3]，這就降低了可測量分辨率的上限。

對于具有超高能量分辨率的光束線（例如能量分辨本領(lǐng)>10000 @ 1000eV）[4]，電極探針式的電離室所能獲得的能量分辨率已遠(yuǎn)不能滿足需求。為了提高定標(biāo)能量的準(zhǔn)確度和能量分辨率的測量精度，減小氣體碰撞展寬對最終結(jié)果的影響，我們設(shè)計(jì)并成功搭建了基于微通道板(Microchannel Plate, MCP)的電離室實(shí)驗(yàn)平臺，將MCP應(yīng)用于測量光束線能量分辨率的電離室，為高性能光束線的建設(shè)提供了重要的測試條件。

1 基于MCP的電離室

基于MCP的電離室具有先天的優(yōu)勢，即MCP正常工作時(shí)的氣壓本身就較低，一般小于1.33×10?4Pa，這就大大減小了碰撞展寬對能量分辨率測量的影響。如圖1所示，基于MCP的電離室由真空系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、基于MCP的探測器以及電子學(xué)信號獲取和處理系統(tǒng)組成。從單色光狹縫出射的光進(jìn)入電離室，使得電離室內(nèi)的靶氣體電離產(chǎn)生電子離子對，正離子在柵極金網(wǎng)的負(fù)電壓(?HV1)作用下，迅速和電子分離；并在金網(wǎng)電壓(?HV1)
與MCP前表面電壓(?HV2)形成的電勢差

圖1 基于MCP的電離室的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Sketch of the ionization chamber based on MCP.

(HV2?HV1，HV2>HV1)作用下繼續(xù)做加速運(yùn)動，最終被探測器MCP收集。離子的信號經(jīng)過MCP放大后輸入電子學(xué)數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)，最后被計(jì)算機(jī)采集以進(jìn)行分析。

1.1 真空系統(tǒng)

電離室采用在線式，安裝在單色光出射狹縫之后、實(shí)驗(yàn)站之前。電離室的背底真空一般在1.33×10?7Pa，由安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的型號為Agilent VacIon Plus 300的離子泵維持，抽速可達(dá)300L·s?1；當(dāng)對X射線進(jìn)行能量標(biāo)定和能量分辨率測量時(shí)，電離室需要充入工作氣體至1.33×10?4Pa，這時(shí)需關(guān)閉離子泵而啟動分子泵機(jī)組。為了避免氣體擴(kuò)散到后續(xù)的實(shí)驗(yàn)站，需要將氣動閥關(guān)閉；同時(shí)為了隔離電離室和前端的高真空系統(tǒng)，在前端安裝了一寬15mm、高2mm、沿光束方向長度為10mm的差分窗口。

1.2 注氣系統(tǒng)

為了能夠?qū)馐€的廣域能區(qū)進(jìn)行檢測，電離室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體的吸收峰位應(yīng)盡量覆蓋整個(gè)能區(qū)，這就需要種類盡可能多的工作氣體。為此特別搭建了如圖2所示的多種類注氣系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了能夠方便地更換工作氣體，將數(shù)個(gè)存放氣體的氣瓶并聯(lián)放置且與充氣管道連接，每個(gè)氣瓶與充氣管道之間用閥門隔離。在充氣之前需要將管路反復(fù)沖洗幾次，以保證注入氣體的純度。具體沖洗流程如下：(1) 將全部氣瓶的氣閥、開關(guān)閥1以及電離室的微漏閥關(guān)閉；(2) 打開開關(guān)閥2，啟動機(jī)械泵將管路抽至低真空；(3) 然后關(guān)閉開關(guān)閥2隔離機(jī)械泵，打開開關(guān)閥1，再打開工作氣體所在氣瓶的氣閥由其控制充入一定氣壓的工作氣體；(4) 重復(fù)以上過程(2)–(3)三次即可。為電離室充氣時(shí)，只需緩慢調(diào)節(jié)微漏閥，通過微漏閥的開口大小來控制流量，以保證電離室內(nèi)的氣體穩(wěn)定在1.33×10?4Pa的量級。本系統(tǒng)使用的微漏閥為安捷倫提供的型號為951-5106的微漏閥，它可以精確控制氣體的流量，最小漏率可達(dá)1.33×10?7Pa·L·s?1，工作范圍是1.33×10?9?1.01×105Pa。

圖2 注氣系統(tǒng) Fig.2 Gas inlet system.

1.3 基于MCP的探測器

MCP是本氣體電離室的核心部分。MCP是一種二維平面的真空探測器，通常被用來探測帶電粒子（如電子或離子）或光子。它是一種大面陣的高空間分辨的電子倍增探測器，并具備非常高的時(shí)間分辨率，在這里被用作快計(jì)數(shù)系統(tǒng)的探頭[1]。為了提高增益，本系統(tǒng)中MCP采用三片串聯(lián)Z型堆疊使用，通道與表面法線偏角為12°，MCP前表面的電壓一般為-3000V左右，每片MCP所加的電壓為900V左右。一定能量的入射離子被MCP前表面的電場俘獲，進(jìn)入MCP的微通道，在壁上打出次級電子。通道中的電勢梯度使得電子加速獲得能量，再次轟擊通道壁，產(chǎn)生更多的電子，直至MCP的后表面。經(jīng)MCP倍增后的電子束被銅制的陽極板收集，之后送入電子學(xué)數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)。此外，為了收集盡可能多的正離子，在MCP的前面加了一塊金網(wǎng)，并給金網(wǎng)加一定的負(fù)電壓。

圖3 MCP的加壓和信號引出電路 Fig.3 Signal circuit of MCP.

1.4 數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)

電離室測量吸收譜的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是MCP電流信號的獲取和處理。為了提高信噪比，我們設(shè)計(jì)了一套信號獲取和處理系統(tǒng)，如圖3所示。電壓-HV2與+HV之間的電壓經(jīng)分壓電阻分壓后，分別輸送給MCP的前表面、后表面以及陽極板，為電子在MCP通道內(nèi)的倍增提供合適的分壓。兩個(gè)RC電路用于收集MCP前、后表面的信號；而陽極板的信號經(jīng)放大器放大、甄別器對其進(jìn)行時(shí)間甄別后送入計(jì)數(shù)器，最終被計(jì)算機(jī)所記錄。

2 結(jié)果與討論

為了將X射線電離的正離子盡可能全部被探測器收集，需要給金網(wǎng)加合適的負(fù)電壓。我們測試了探測器MCP的計(jì)數(shù)隨金網(wǎng)電壓的變化關(guān)系。如圖4所示（圖4中只顯示電壓的大小，未顯示負(fù)號），當(dāng)金網(wǎng)的電壓在100?350V時(shí)，MCP的計(jì)數(shù)隨電壓而增加；當(dāng)金網(wǎng)的電壓大于350V時(shí)，MCP的計(jì)數(shù)不再增加。圖4說明只有當(dāng)金網(wǎng)的電壓大于350V時(shí)，才能盡可能收集全部的離子。本系統(tǒng)中，金網(wǎng)的電壓設(shè)置為500V。

圖4 MCP的計(jì)數(shù)隨金網(wǎng)電壓的變化曲線 Fig. 4 Counts of MCP as a function of voltage of gold mesh.

為了測量MCP的工作性能及獲取其最佳工作狀態(tài)，在不改變其他條件的情況下，我們測量了MCP的計(jì)數(shù)隨電離室內(nèi)氣壓的變化曲線（如圖5所示），圖5中實(shí)線是線性擬合的結(jié)果，可以看到MCP在氣壓為1.33×10?5Pa范圍之內(nèi)（正常工作氣壓）的工作線性很好。在信噪比允許的前提下，盡可能降低工作氣壓，有利于延長MCP的使用壽命。

圖5 MCP的計(jì)數(shù)隨電離室內(nèi)氣壓的變化曲線 Fig.5 Counts of MCP as a function of gas pressure.

利用基于MCP探測器的電離室，我們對N2、He、Ne、Ar、Kr等標(biāo)準(zhǔn)氣體的吸收譜進(jìn)行了測量。在此以Ar在L2,3邊的吸收譜作為例子給予說明。

為了排除氣體的碰撞展寬對能量分辨率的影響，測試了不同氣壓下Ar的 2p3/2?4s躍遷峰能量分辨率。如圖6所示，分別給出了在0.7′10?4?3.7′10?4Pa之間的5個(gè)氣壓下Ar 2p3/2?4s的躍遷峰?？梢钥吹?，當(dāng)氣壓在低于2.3′10?4Pa時(shí)，躍遷峰的寬度基本相同，即能量分辨率相同；當(dāng)氣壓升高至3.7′10?4Pa時(shí)，峰寬明顯大于較小氣壓下的峰寬，分辨率變差。這意味著當(dāng)氣壓大于2.3′10?4Pa時(shí)，氣體碰撞展寬對分辨率的測量有重要影響。因此為了減小氣體碰撞展寬對分辨率測量的影響，電離室內(nèi)的氣壓應(yīng)小于2.3′10?4Pa。

在確立了MCP電離室的合理工作參數(shù)之后，該電離室被運(yùn)用于對上海光源新建束線—夢之線的能量分辨率的測定。圖7是在氣壓為1.7′10?4Pa的條件下測量的Ar在L2,3邊的吸收譜。圖7(a)為全譜，譜形與文獻(xiàn)中報(bào)道[5?6]完全一致。由于夢之線束線的高分辨率，甚至可分辨出2p3/2?8d的躍遷；圖7(b)是對2p3/2?4s躍遷單峰的Voigt擬合，采用自然展寬111meV，得束線儀器展寬為(23±2)meV。該峰半高寬為116meV，明顯小于文獻(xiàn)[5]中的135meV和文獻(xiàn)[6]中的123meV。由此得出，夢之線在此能量下的分辨本領(lǐng)為10382(/△)。由圖7中可以看出，MCP電離室在低氣壓下測得的譜線信噪比高，能給出可靠的線寬擬合值，為可靠確定夢之線的高能量分辨率提供了重要保證。

圖7 Ar氣L2,3邊的吸收譜(a)和對2p3/2?4s躍遷單峰的Voigt擬合(b) Fig.7 Absorption spectrum of Ar (a) and peak of 2p3/2?4s with the Voigt fitting (b).

3 結(jié)語

本工作成功研制了基于MCP的電離室系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于同步輻射光源光束線的能量標(biāo)定和分辨率的評估?；贛CP的電離室能夠減小氣體碰撞展寬對最終結(jié)果的影響，并能改善測量光束線能量分辨率的上限。給出了氬氣在L2,3邊的吸收譜，通過擬合分析得出夢之線在245eV處的分辨本領(lǐng)為10382。本電離室的成功搭建為可靠確定上海光源光束線的能量和高分辨率提供了重要保證。

1 吳治華, 趙國慶, 路福全, 等. 原子核物理實(shí)驗(yàn)方 法[M]. 北京: 原子能出版社, 1997
WU Zhihua, ZHAO Guoqing, LU Fuquan,. Nuclear physics experiment method[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1997

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XUE Chaofan, WANG Yong, WU Yanqing,. Effect of gas pressure on energy resolution of a soft X-ray beamline[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(8): 561-564

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國家自然科學(xué)基金(No.11475251、No.11275255)資助

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11475251, No.11275255)

Ionization chamber based on multichannel plate and its application on synchrotron radiation

LI Junqin ZOU Ying CHEN Zhenhua XUE Lian WANG Yong TAI Renzhong

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background: The measurement of energy resolution is an essential task for commissioning a beamline in synchrotron radiation facility. The ionization chamber plays an important role in the evaluation of energy resolution. The conventional type based on electrode probe has the disadvantage of a low detection upper limit for energy resolution due to collision broadening on peak profiles by high working pressure (up to 1.33Pa). Purpose: To improve the upper limit of resolution measurement, we aim to set up and deploy the ionization chamber based on multichannel plate (MCP) in China, including vacuum system, gas inlet system, detection system and data acquisition and processing system. Methods: Taking advantage of high amplification of a MCP detector, gas ionization absorption spectra can be measured under much low working pressure (1.33×10?4Pa). By analyzing the width of absorption peak, the instrument broadening caused by a beam line can be obtained. Results: An ionization chamber based on MCP can achieve higher upper limit than those based on electrode probe in evaluating energy resolution. Conclusion: A MCP ionization chamber provides an important diagnosis for energy resolution in commissioning high performance beamlines.

Synchrotron radiation facility, Ionization chamber, MCP, Ionization absorption spectrum, Energy resolution

LI Junqin, female, born in 1985, graduated from Fudan University in 2013, focusing on atomic and molecular physics

ZOU Ying, E-mail: zouying@sinap.ac.cn; WANG Yong, E-mail: wangyong@sinap.ac.cn; TAI Renzhong, E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050101

李俊琴，女，1985年出生，2013年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)樵优c分子物理

鄒鷹，E-mail: zouying@sinap.ac.cn；王勇，E-mail: wangyong@sinap.ac.cn；邰仁忠，E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

2015-10-14，

2015-12-20