YAG晶体在软X射线荧光靶探测器中的应用

徐慧超 周剑英 龚培荣 朱周侠 张永立 黎 忠

（中国科学院上海应用物理研究所上海光源束线工程部 上海 201204）

目前，上海光源(SSRF)光束线站的X射线光束位置监测(XBPM, X-ray beam position monitor)系统使用三种X射线位置探测器，即刀片式探测器、荧光靶探测器和丝扫描探测器。其中荧光靶探测器主要用于光束位置寻找和粗略定位，用X射线打在荧光靶上（如晶体或荧光粉），观察其发出的可见光，可确定X射线的位置和空间分布。上海光源一期7条光束线站的荧光靶材料为荧光粉或 CVD金刚石薄片，涂覆或固定在底座上，其机械结构见图 1。靶片安装在水冷支架上，置于光路中真空腔体内，由气缸驱动将荧光靶放下置于光路中，观测窗口外用 CCD摄像头观察可见光光斑，测量其光束的位置参数，测量完毕后提起荧光靶，让开光路[1]。荧光粉型发光效率高，多用于低能量、低光通量位置上，如白光区，但荧光粉易脱落，给使用带来较多不便，所以新光束线站建设须设计新靶片型探测器。

图1 上海光源荧光靶结构Fig.1 The structure sketch of FS BPM in SSRF.

1 软X射线荧光靶探测器靶材实验

上海光源一期工程光束线站多数为硬X线站，其X射线能量较高(大于2 keV)，而新建的软X射线干涉光刻(XIL)线站，最低能量为85 eV，对软X射线被激发产生荧光的材料和硬X射线的不同，因此选择荧光靶材料是关键。Ce:YAG是一种高效的闪烁体材料，多用作LED发光器件的荧光粉，可将其粉末涂层用于X射线医学成像[2]，或将其单晶体与光电倍增管结合用于核辐射探测[3,4]。为确认这种荧光靶材的发光效率，将 Ce:YAG晶体片(Ф35 mm×0.5 mm，Ce: 0.3%−0.5%)和CVD金刚石薄片(Ф35 mm×0.3 mm)分别安装在实验线站的光路上，在96−500 eV能区进行光致发光效率的比较测试。测试装置的原理与图1相似，但入射光为单色光，所以不使用碳滤膜。

测试时，首先调节椭圆极化波荡器(EPU)的磁隙，使入射光达到指定能量，再调节光路中光栅找到光束中心使入射光强度最大；光束调整好后将测试样品引入光路，X射线打在测试样品上即产生可见光光斑；真空腔外的观察窗口用 CCD摄像头记录测试样品上的光致发光图像，见图2。图2(a)−(d)分别为 CVD金刚石薄片的无入射光和入射光能量为96、300和500 eV的实验结果，图2(e)−(h)为相应的Ce:YAG晶体的发光图像。用Image J软件（美国全国卫生研究所开发的公共软件，主要用于医学图像分析）读出光斑处的灰度，全黑为0度，全白为256度，由于测量光斑仅为Ф200 μm，故随机读出光斑内5个相近点的灰度值，然后取平均。由图2。96−500 eV软X射线对Ce:YAG晶体的发光效率远高于金刚石，这是由 YAG石榴石结构的复杂氧化物特性（发光性能、光电性能等）决定的[3−5]。另外Ce3+的加入使YAG晶体的发光效率得到很大提高，达2500 ph/keV[6]。

实验结果还表明，YAG晶体从96 eV起发光亮度就已饱和，完全满足要测量的能量范围要求(96 eV是测试时实验线站能产生的最低能量)。CVD金刚石片在能量增加时其发光亮度变化不大，其灰度值均较YAG晶体的小，不适合作低能软X射线的荧光靶探测器靶材。选择荧光靶材除考虑发光效率外还要考虑材料的耐辐照性能，YAG晶体在96−500 eV的软X射线范围内发光效率远高于金刚石膜；但金刚石片的机械性能、热学性能及耐辐照性能优于YAG。因此对观测高能量的光子或高功率密度的前端区束流，金刚石膜是更合适的选择。两种材料的特性参数见表1。

图2 CCD记录的光致发光图像Fig.2 The photograph of photoluminescence by CCD camera.

表1 金刚石膜与YAG晶体的材料特性[7−11]Table 1 Characteristics of Ce:YAG, CVD diamond[7−11]

2 YAG晶体荧光靶探测器的使用情况

基于靶材的实验结果，把YAG晶体片(Ф35 mm,厚0.5 mm, Ce: 0.3%−0.5%)安装在图1荧光靶结构设备中，构成软X射线荧光靶探测器，由于是低能量的软X射线，所以不用碳滤膜。

软 X射线干涉光刻(XIL)是利用两束或多束相干X光束的干涉条纹对光刻胶进行曝光的新型先进纳米加工技术，可开展最小至十几纳米周期的纳米结构加工，XIL线站主要用于光刻实验，其X射线的能量范围85−250 eV，YAG晶体片所在位置的光斑尺寸2 mm×1.4 mm，中心最大功率密度为0.145 W/mm2，总吸收功率0.3614 W。ANSYS热分析计算的结果表明，YAG晶体中心温度：无水冷时不超过 76℃；有水冷时不超过 66℃(出水温度 30℃)[12]。为了设备的安全，YAG晶体荧光靶探测器的冷却水流速为5 L/min，温度为30℃。

XIL线站调试中，YAG晶体荧光靶探测器能清楚观察到X射线的光斑形状，据此估算出光斑中心的位置，为准确地将X光引入到实验样品台提供了直观的位置参考。调节 XIL线站的运行参量，在YAG晶体荧光靶上获得如图3所示的相干光的衍射图像，从中可清楚地分辨出衍射光斑，且衍射光斑的亮度随前面狭缝开口大小的改变有明显的变化。

图3 YAG晶体荧光靶实测的相干X光衍射图Fig.3 Diffraction pattern by coherent X-ray with YAG FS in XIL beamline, SSRF.

3 结束语

荧光靶探测器的关键之一是荧光靶材料的选择，为选择一款合适的材料作为上海光源软X射线光刻支线XIL线站的荧光靶探测器的靶材，本文在96−500 eV的软X射线能量内对CVD金刚石薄片和Ce:YAG晶体薄片进行了光致发光亮度的测试，表明在低能量段(<500 eV) Ce:YAG有更高的发光效率，比 CVD金刚石更合适做荧光靶探测材料。同时介绍了YAG晶体荧光靶探测器在XIL线站使用的情况，并给出观察到的X光的衍射图像，为进一步开展 YAG晶体在同步辐射光斑探测方面的应用奠定了基础。

1 黎忠. X射线位置测量系统设计报告[R]. 2007 LI Zhong. X-ray beam position monitor system design report[R]. 2007

2 Kandarakisa I, Cavouras D. On the response of Y3Al5O12: Ce (YAG: Ce) powderscintillating screens to medical imaging X-rays[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2005, A538:615–630

3 Baryshevsky V G, Korzhik M V, Moroz V I,et al.YAlOs:Ce—fast-acting scintillators for detection of ionizing radiation[J]. Nucl Instr and Meth, 1991, B58: 291 4 Moszynski M, Ludziejewski T, Wolski D,et al.Properties of YAG:Ce scintillator[J]. Nucl Instr and Meth,1994, A345: 461

5 杨新波, 石云, 李红军, 等. Ce: YAG 晶体和透明陶瓷的光学和闪烁性能[J]. 物理学报, 2009, 58(11):8050−8054 YANG Xinbo, SHI Yun, LI Hongjun,et al. Optical and scintillation properties of Ce: YAG crystal and transparent ceramics[J]. Chin Phys Soc, 2009, 58(11): 8050−8054

6 Jiri A. Mares, Martin Nikla, Alena Beitlerova,et al.Ce3+-doped scintillators: status and properties of (Y,Lu)aluminium perovskites and garnets[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2005,A537: 271–275

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9 Pejchal J, Nikl M, Mihokova E,et al. Pr3+-doped complex oxide crystal scintillators[J]. J Phys D: Appl Phys,2009,42(5): 155117−1−10

10 Mares Jiri A, Beitlerova A, Nikl M,et al. Scintillation response of Ce-doped or intrinsic scintillating crystals in the range up to 1 MeV[J]. Rad Meas, 2004, 38(4/5/6):353−357

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12 黎忠. XIL分支光束线XBPM物理设计报告[R]. 2010 LI Zhong. X-ray beam position monitor system design report of XIL beamline[R]. 2010