上海光源储存环X-ray针孔相机系统设计

2010-06-30黄国庆陈之初冷用斌叶恺容

核技术 2010年11期

黄国庆陈杰陈之初冷用斌叶恺容

(中国科学院上海应用物理研究所上海 201800)

发射度是衡量性能优劣的一个重要参数，上海光源(SSRF)储存环利用X-ray针孔相机实现该参数的测量及束斑尺寸的实时监测。上海光源储存环的设计指标为 3.9 nm·rad，如何实施小发射度测量至关重要。束流发射度与束流整体横向振荡的性质密切联系，束流相椭圆在不同位置的面积不变，但形状不同，所以储存环中束流截面的包络呈起伏状且随位置变化。这种位置特性完全决定于相椭圆的形状，即决定于Twiss 参数。Lattice参数β由位置探测器测得，另外，需精确测量束流截面。根据瑞利判据，分辨率受到光源波长的限制，若使用可见光测量束团尺寸，其衍射效应非常明显，简单的成像系统测量误差很大，采用X-ray成像系统测量束团尺寸，可提高分辨率[1,2]。我们除采用可见光的双缝干涉法外[3]，还采用 X-ray针孔相机系统测量储存环发射度。该系统主要由X-ray引出前端、衰减片、小孔、靶片和相机等构成，控制和数据采集基于NI的PXI总线实现，采用LabVIEW软件编写。整个数据采集处理部分通过 EPICS Shared Memory IOCcore技术实现与控制系统的无缝连接。

图1 X-ray针孔相机系统框图Fig.1 Configuration of the X-ray pinhole camera system.

1 系统概述

X-ray针孔相机系统框图如图1，为降低成本和便于系统调整，其中小孔平台、靶片及相机都在大气中。

系统位于注入点起的第二块偏转磁铁后，运行中，通过测量束团的尺寸，可计算出发射度。为提高系统的放大倍数，在能安装下设备的基础上尽量减小物距，增加像距。目前光源点到小孔的距离为6.19 m；受建筑墙的限制，小孔到放置相机点的距离最长为9.25 m，故系统的光学放大倍数为1.5倍。

发射度ε将由CCD相机得到的束流截面(RMS)尺寸σi(i=x,y分别对应束团水平、垂直截面尺寸)及相关的Lattice参数β、色散函数η、能散σε由以下公式获得[4]：

由于各种测量误差的存在，按下式所得最终的测量值sm是几种分布的综合效应[5]。

其中，sr为真正的束团尺寸值，sc为相机景深和色散等因素引起的束团尺寸的偏差，sd为小孔衍射产生的偏差，sp为小孔的几何尺寸产生的偏差。数据处理中，将点扩散函数反卷积进行数据重建扣除影响。

在整个系统的部件设计中，如何考虑将各部分对测量值的影响降到最小，下文分别予以介绍。

1.1 引出前端设计

引出前端的主要作用是将弯铁处0.8°线的X射线从储存环中引出。其与储存环的真空管道相连，要求具有超高真空度(储存环真空设计指标：1.33×10−7Pa)及安全、可靠，由 400 L离子泵和升华泵确保引出前端的高真空。

引出窗要确保通过大部分X-ray，故越薄越好；但引出窗得忍受一个大气压的压差，也不宜太薄，并有足够的机械强度。引出窗通常用轻金属材料，如铝、铍，我们的引出窗是厚度为1 mm铝。铝窗吸收低能 X-ray，会有可观温度，需进行水冷却。300 mA流强下，X-ray经过引出窗后的谱线如图2。

图2 X-ray经过引出窗后的谱线Fig.2 X-ray spectrum through the aluminum window.

同时，用引出窗前端开孔的锥型吸收块，吸收0.8°线外的X-ray射线，以减小到达铝窗的功率，还加有水冷保护真空管道。引出前端装有加入联锁保护气动阀，以防止引出前端损坏而影响储存环真空。气动阀前安装有光闸，一旦漏气，其与气动阀一起关闭，以保护气动阀。整个引出前端的机械设计如图3所示。

图3 引出前端总图Fig.3 Schematic view of the front-end for X-ray emission.

1.2 衰减片设计

光路中装有铜材料的梯形衰减片，通过步进电机驱动选择不同的衰减厚度，作高通滤波，仅使大于某能量的X射线通过。在大流强情况下，可调节衰减片以避免实验站成像的饱和，小能散也可提高分辩率。

1.3 小孔设计

上海光源的束团横向尺寸为μm级，则针孔相机系统中的小孔也是μm级，这给加工带来很大难度。另外，要求小孔有一定厚度，以阻挡未穿过小孔的X-ray。综合考虑，我们采用3 mm×25 mm×10 mm钨块叠放组成水平-垂直的狭缝，构成多个小孔阵列(图4)。此法加工简单、小孔尺寸精确可控；但小孔是近似的孔径，在纵向有一定厚度，并非理论上的理想小孔。

图4 小孔结构Fig.4 Configuration of the pinhole.

为使小孔准确平行于X-ray方向，小孔安装在一个四维可调的精密步进电机移动平台上(日本西格码公司)，精度1 µm，可通过计算机RS232口实现远程控制。X-ray在小孔处的光斑远大于小孔的尺寸，则小孔支架及地基的微小抖动对小孔成像的光斑尺寸影响可予忽略。

1.4 靶片及成像系统设计

X-ray针孔相机的成像系统若为专用 X-ray相机，固然结构简单，但成本很高。我们采用如图 1所示的靶片加可见光相机模式，结构虽较复杂，但成本低、灵活、易更换靶片和其他部件。靶片为YAG晶体，其灵敏度和分辨率均高。靶片和相机整体安装在水平-垂直移动的电动平台上，便于远程遥控寻找X-ray图像。镜头采用固定放大2倍的镜头，先用手动微调机构聚焦靶片，只要靶片上对应的位置找到了 X-ray，相机上就可看到清晰的光斑图像。控制和采集均远程实现，以避免现场环境对人体的伤害。

1.5 软件概述

该针孔相机系统通过美国NI公司的PXI总线设备实现电机的远程控制和图像采集，软件在Windows 平台上用 LabVIEW 编写，通过 Shared Memory IOCcore[5]技术实现EPICS 的数据接口，完成LabVIEW 应用程序和控制系统间的数据交换。

软件包括衰减片步进电机的控制、小孔四维移动平台的控制、靶片和相机的二维移动平台的控制、图像采集和处理、数据拟合和分析及EPICS 数据接口部分。

2 实验

用不同的小孔观察光斑，确定50 µm×20 µm的小孔对应的光斑较理想(图5)。经高斯拟合，采集到的光斑的水平和垂直尺寸(RMS)分别为 160.22 µm和38.78 µm，由式(2)求出真实束团尺寸，得到加速器的水平发射度为3.37 nm·rad。X-ray针孔相机系统建成后，长时间监测了引出窗温度，由图 6，最大流强(300 mA)时，温度≤36°，说明引出该前端是安全的。