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基于多通道电子倍增器件的电离室及其在同步辐射中的应用
发布日期:2018-01-01    来源:核技术   浏览次数:125
核心提示:在同步辐射科学装置中,X光的能量分辨率是束线性能优劣的一个重要指标。评估光束线的能量分辨本领自然而然地就成为了同步辐射光束线建设过程中的一个必不可少的环节,而电离室就是评估能量分辨率的一个重要实验装置。本工作首次将多通道电子倍增器件(MCP)应用于同步辐射光束线中的电离室,研制成功了具有高能量分辨率的电离吸收谱的探测系统,其中包括真空系统、注气系统,探测系统以及数据获取和处理系统。相比常见的电极探针式电离室,基于MCP的电离室测量的分辨率具有更高的精度,为高性能束线的建设提供了重要的测试条件。利用此系统测
 
正文
上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, 简称SSRF)为先进的第三代同步辐射光源,其主要性能指标位居国际前列。SSRF可以产生从远红外到硬X射线的宽广波段,是生命科学、材料科学、环境科学、地球科学、物理学、化学、信息科学等众多科学研究中不可替代的先进手段和综合研究平台。梦之线是继首批建造的七条光束线站之后的又一条高性能线站[1],它在软X波段具有较宽的能区范围(20-2000eV)和超高能量分辨本领(>10,000 @ 1000eV)。梦之线有两个分支线站,一个是角分辨光电子能谱(angle-resolved photoemission spectroscopy ,简称ARPES )站,可以直接探测电子能带结构,可用于研究复杂的系统,如高温超导体,自旋电子材料,拓扑绝缘体等。另一个是光电子显微仪(photoemission electron microscopy ,简称PEEM)站,是一种非常有用的表面探测技术,可以为反应动力学提供重要的信息。
在同步辐射光束线站的建设和调试过程中,检测光束线的能量分辨率是其中的一个重要环节。在软X射线能量范围内,评估光束线能量分辨能力普遍采用的一种方法是测量标准气体的电离吸收谱,通过分析测量所得谱线中吸收峰的展宽,来得到光束线的仪器展宽。在国际同步辐射装置中,常用的电离室有电极探针和多通道电子倍增器件两种。
基于电极探针的电离室具有相对简单的结构与电子学设备,且收集极不易损坏,所以时至今日它仍然在世界范围内同步辐射束线上被广泛应用。如图1所示为SSRF软X谱学显微线站的电极探针式的电离室[2],当X射线进入到电离室时,被气体吸收,使得气体原子外层电子电离产生电子离子对,电子和正离子会在阴、阳极之间的电场的作用下分别向阳极和阴极漂移,在外电路中形成电流,即为电离电流。而电离电流对不同能量的响应谱即为该气体的吸收谱。通过分析谱中出现的峰位以及半高宽,可对光束线的能量进行定标和对分辨率进行评估。然而为了保证采集的信号具有较好的信噪比,电离室内待测气体的压强较高(10-1 ~10-3torr),这时增加的气体碰撞展宽对吸收谱峰宽有额外的贡献,降低了测量的准确度[3]。

图1. 电极探针式电离室结构简图
对于具有超高能量分辨率的梦之线,电极探针式的电离室所能获得的能量分辨率已远远不能满足需求。为了改善测量能量分辨率的精度,减小气体碰撞展宽对最终结果的影响,梦之线使用了第二种方法,即基于多通道电子倍增器件(Multi-channel photomultiplier,简称MCP)的电离室。相对于电极探针而言,基于MCP的电离室具有先天的优势,即MCP正常工作时的气压本身就较低,一般小于10-6Torr,这就大大减小了碰撞展宽对能量分辨率测量的影响。基于MCP的电离室的结构示意图如图2所示,是目前为止国内首次将MCP应用于测量光束线能量分辨率的电离室,为高性能的梦之线的建设提供了重要的测试条件。
如图2所示,基于MCP的电离室由真空系统、注气系统、基于MCP的探测系统以及电子学信号获取和处理系统组成。电离室的真空一般在10-9torr,由离子泵维持。电离室的靶气体由注气系统注入,流量由微漏阀控制以保证电离室内的气体稳定在10-6torr的量级;探测系统由用于收集离子的金网和探测器MCP组成;被MCP探测的离子的信号由信号获取和处理系统处理后获得气体吸收谱,进而得到光束线的能量分辨率。
从单色光狭缝出射的光进入电离室,使得电离室内的靶气体电离产生电子离子对,正离子在栅极金网的负电压(-HV1)的作用下,迅速和电子分离;并在金网电压(-HV1)与MCP前表面电压(-HV2)形成的电场(HV2-HV1,HV2>HV1)下做继续做加速运动,最终被探测器MCP收集。探测器MCP的计数对单色光能量的响应即为气体吸收谱。这种基于MCP探测器的电离室大大改善了我们对光束线能量分辨率的评估结果。

图2. MCP电离室的结构示意图
基于MCP探测器的电离室测量吸收谱的一个关键环节就是MCP电流信号的获取和处理。MCP是一种二维平面的真空探测器,通常被用来探测带电粒子(如电子或离子)或光子。它是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器,并具备非常高的时间分辨率,在这里被用作快计数系统的探头[4]。为了提高增益,本系统中MCP采用三片串联Z型堆叠使用。一定能量的入射离子被MCP的前表面探测,在MCP的通道壁上打出几个次

 
 
 

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