YAG晶體在軟X射線熒光靶探測器中的應(yīng)用

徐慧超 周劍英 龔培榮 朱周俠 張永立 黎 忠

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所上海光源束線工程部 上海 201204）

目前，上海光源(SSRF)光束線站的X射線光束位置監(jiān)測(XBPM, X-ray beam position monitor)系統(tǒng)使用三種X射線位置探測器，即刀片式探測器、熒光靶探測器和絲掃描探測器。其中熒光靶探測器主要用于光束位置尋找和粗略定位，用X射線打在熒光靶上（如晶體或熒光粉），觀察其發(fā)出的可見光，可確定X射線的位置和空間分布。上海光源一期7條光束線站的熒光靶材料為熒光粉或 CVD金剛石薄片，涂覆或固定在底座上，其機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖 1。靶片安裝在水冷支架上，置于光路中真空腔體內(nèi)，由氣缸驅(qū)動(dòng)將熒光靶放下置于光路中，觀測窗口外用 CCD攝像頭觀察可見光光斑，測量其光束的位置參數(shù)，測量完畢后提起熒光靶，讓開光路[1]。熒光粉型發(fā)光效率高，多用于低能量、低光通量位置上，如白光區(qū)，但熒光粉易脫落，給使用帶來較多不便，所以新光束線站建設(shè)須設(shè)計(jì)新靶片型探測器。

圖1 上海光源熒光靶結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure sketch of FS BPM in SSRF.

1 軟X射線熒光靶探測器靶材實(shí)驗(yàn)

上海光源一期工程光束線站多數(shù)為硬X線站，其X射線能量較高(大于2 keV)，而新建的軟X射線干涉光刻(XIL)線站，最低能量為85 eV，對(duì)軟X射線被激發(fā)產(chǎn)生熒光的材料和硬X射線的不同，因此選擇熒光靶材料是關(guān)鍵。Ce:YAG是一種高效的閃爍體材料，多用作LED發(fā)光器件的熒光粉，可將其粉末涂層用于X射線醫(yī)學(xué)成像[2]，或?qū)⑵鋯尉w與光電倍增管結(jié)合用于核輻射探測[3,4]。為確認(rèn)這種熒光靶材的發(fā)光效率，將 Ce:YAG晶體片(Ф35 mm×0.5 mm，Ce: 0.3%?0.5%)和CVD金剛石薄片(Ф35 mm×0.3 mm)分別安裝在實(shí)驗(yàn)線站的光路上，在96?500 eV能區(qū)進(jìn)行光致發(fā)光效率的比較測試。測試裝置的原理與圖1相似，但入射光為單色光，所以不使用碳濾膜。

測試時(shí)，首先調(diào)節(jié)橢圓極化波蕩器(EPU)的磁隙，使入射光達(dá)到指定能量，再調(diào)節(jié)光路中光柵找到光束中心使入射光強(qiáng)度最大；光束調(diào)整好后將測試樣品引入光路，X射線打在測試樣品上即產(chǎn)生可見光光斑；真空腔外的觀察窗口用 CCD攝像頭記錄測試樣品上的光致發(fā)光圖像，見圖2。圖2(a)?(d)分別為 CVD金剛石薄片的無入射光和入射光能量為96、300和500 eV的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖2(e)?(h)為相應(yīng)的Ce:YAG晶體的發(fā)光圖像。用Image J軟件（美國全國衛(wèi)生研究所開發(fā)的公共軟件，主要用于醫(yī)學(xué)圖像分析）讀出光斑處的灰度，全黑為0度，全白為256度，由于測量光斑僅為Ф200 μm，故隨機(jī)讀出光斑內(nèi)5個(gè)相近點(diǎn)的灰度值，然后取平均。由圖2。96?500 eV軟X射線對(duì)Ce:YAG晶體的發(fā)光效率遠(yuǎn)高于金剛石，這是由 YAG石榴石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜氧化物特性（發(fā)光性能、光電性能等）決定的[3?5]。另外Ce3+的加入使YAG晶體的發(fā)光效率得到很大提高，達(dá)2500 ph/keV[6]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，YAG晶體從96 eV起發(fā)光亮度就已飽和，完全滿足要測量的能量范圍要求(96 eV是測試時(shí)實(shí)驗(yàn)線站能產(chǎn)生的最低能量)。CVD金剛石片在能量增加時(shí)其發(fā)光亮度變化不大，其灰度值均較YAG晶體的小，不適合作低能軟X射線的熒光靶探測器靶材。選擇熒光靶材除考慮發(fā)光效率外還要考慮材料的耐輻照性能，YAG晶體在96?500 eV的軟X射線范圍內(nèi)發(fā)光效率遠(yuǎn)高于金剛石膜；但金剛石片的機(jī)械性能、熱學(xué)性能及耐輻照性能優(yōu)于YAG。因此對(duì)觀測高能量的光子或高功率密度的前端區(qū)束流，金剛石膜是更合適的選擇。兩種材料的特性參數(shù)見表1。

圖2 CCD記錄的光致發(fā)光圖像Fig.2 The photograph of photoluminescence by CCD camera.

表1 金剛石膜與YAG晶體的材料特性[7?11]Table 1 Characteristics of Ce:YAG, CVD diamond[7?11]

2 YAG晶體熒光靶探測器的使用情況

基于靶材的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把YAG晶體片(Ф35 mm,厚0.5 mm, Ce: 0.3%?0.5%)安裝在圖1熒光靶結(jié)構(gòu)設(shè)備中，構(gòu)成軟X射線熒光靶探測器，由于是低能量的軟X射線，所以不用碳濾膜。

軟 X射線干涉光刻(XIL)是利用兩束或多束相干X光束的干涉條紋對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光的新型先進(jìn)納米加工技術(shù)，可開展最小至十幾納米周期的納米結(jié)構(gòu)加工，XIL線站主要用于光刻實(shí)驗(yàn)，其X射線的能量范圍85?250 eV，YAG晶體片所在位置的光斑尺寸2 mm×1.4 mm，中心最大功率密度為0.145 W/mm2，總吸收功率0.3614 W。ANSYS熱分析計(jì)算的結(jié)果表明，YAG晶體中心溫度：無水冷時(shí)不超過 76℃；有水冷時(shí)不超過 66℃(出水溫度 30℃)[12]。為了設(shè)備的安全，YAG晶體熒光靶探測器的冷卻水流速為5 L/min，溫度為30℃。

XIL線站調(diào)試中，YAG晶體熒光靶探測器能清楚觀察到X射線的光斑形狀，據(jù)此估算出光斑中心的位置，為準(zhǔn)確地將X光引入到實(shí)驗(yàn)樣品臺(tái)提供了直觀的位置參考。調(diào)節(jié) XIL線站的運(yùn)行參量，在YAG晶體熒光靶上獲得如圖3所示的相干光的衍射圖像，從中可清楚地分辨出衍射光斑，且衍射光斑的亮度隨前面狹縫開口大小的改變有明顯的變化。

圖3 YAG晶體熒光靶實(shí)測的相干X光衍射圖Fig.3 Diffraction pattern by coherent X-ray with YAG FS in XIL beamline, SSRF.

3 結(jié)束語

熒光靶探測器的關(guān)鍵之一是熒光靶材料的選擇，為選擇一款合適的材料作為上海光源軟X射線光刻支線XIL線站的熒光靶探測器的靶材，本文在96?500 eV的軟X射線能量內(nèi)對(duì)CVD金剛石薄片和Ce:YAG晶體薄片進(jìn)行了光致發(fā)光亮度的測試，表明在低能量段(<500 eV) Ce:YAG有更高的發(fā)光效率，比 CVD金剛石更合適做熒光靶探測材料。同時(shí)介紹了YAG晶體熒光靶探測器在XIL線站使用的情況，并給出觀察到的X光的衍射圖像，為進(jìn)一步開展 YAG晶體在同步輻射光斑探測方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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