YAG晶體在軟X射線熒光靶探測器中的應用

徐慧超 周劍英 龔培榮 朱周俠 張永立 黎 忠

（中國科學院上海應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射線光束位置監測(XBPM, X-ray beam position monitor)系統使用三種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，其機械結構見圖 1。靶片安裝在水冷支架上，置于光路中真空腔體內，由氣缸驅動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，測量完畢后提起熒光靶，讓開光路[1]。熒光粉型發光效率高，多用于低能量、低光通量位置上，如白光區，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須設計新靶片型探測器。

圖1 上海光源熒光靶結構Fig.1 The structure sketch of FS BPM in SSRF.

1 軟X射線熒光靶探測器靶材實驗

上海光源一期工程光束線站多數為硬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，對軟X射線被激發產生熒光的材料和硬X射線的不同，因此選擇熒光靶材料是關鍵。Ce:YAG是一種高效的閃爍體材料，多用作LED發光器件的熒光粉，可將其粉末涂層用于X射線醫學成像[2]，或將其單晶體與光電倍增管結合用于核輻射探測[3,4]。為確認這種熒光靶材的發光效率，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)分別安裝在實驗線站的光路上，在96?500 eV能區進行光致發光效率的比較測試。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，首先調節橢圓極化波蕩器(EPU)的磁隙，使入射光達到指定能量，再調節光路中光柵找到光束中心使入射光強度最大；光束調整好后將測試樣品引入光路，X射線打在測試樣品上即產生可見光光斑；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的實驗結果，圖2(e)?(h)為相應的Ce:YAG晶體的發光圖像。用Image J軟件（美國全國衛生研究所開發的公共軟件，主要用于醫學圖像分析）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，故隨機讀出光斑內5個相近點的灰度值，然后取平均。由圖2。96?500 eV軟X射線對Ce:YAG晶體的發光效率遠高于金剛石，這是由 YAG石榴石結構的復雜氧化物特性（發光性能、光電性能等）決定的[3?5]。另外Ce3+的加入使YAG晶體的發光效率得到很大提高，達2500 ph/keV[6]。

實驗結果還表明，YAG晶體從96 eV起發光亮度就已飽和，完全滿足要測量的能量范圍要求(96 eV是測試時實驗線站能產生的最低能量)。CVD金剛石片在能量增加時其發光亮度變化不大，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射線范圍內發光效率遠高于金剛石膜；但金剛石片的機械性能、熱學性能及耐輻照性能優于YAG。因此對觀測高能量的光子或高功率密度的前端區束流，金剛石膜是更合適的選擇。兩種材料的特性參數見表1。

圖2 CCD記錄的光致發光圖像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

基于靶材的實驗結果，把YAG晶體片(Ф35 mm,厚0.5 mm, Ce: 0.3%?0.5%)安裝在圖1熒光靶結構設備中，構成軟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光束的干涉條紋對光刻膠進行曝光的新型先進納米加工技術，可開展最小至十幾納米周期的納米結構加工，XIL線站主要用于光刻實驗，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熱分析計算的結果表明，YAG晶體中心溫度：無水冷時不超過 76℃；有水冷時不超過 66℃(出水溫度 30℃)[12]。為了設備的安全，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，據此估算出光斑中心的位置，為準確地將X光引入到實驗樣品臺提供了直觀的位置參考。調節 XIL線站的運行參量，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 結束語

熒光靶探測器的關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射線能量內對CVD金剛石薄片和Ce:YAG晶體薄片進行了光致發光亮度的測試，表明在低能量段(<500 eV) Ce:YAG有更高的發光效率，比 CVD金剛石更合適做熒光靶探測材料。同時介紹了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，為進一步開展 YAG晶體在同步輻射光斑探測方面的應用奠定了基礎。

1 黎忠. X射線位置測量系統設計報告[R]. 2007 LI Zhong. X-ray beam position monitor system design report[R]. 2007

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5 楊新波, 石云, 李紅軍, 等. Ce: YAG 晶體和透明陶瓷的光學和閃爍性能[J]. 物理學報, 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

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12 黎忠. XIL分支光束線XBPM物理設計報告[R]. 2010 LI Zhong. X-ray beam position monitor system design report of XIL beamline[R]. 2010