基于微通道板的电离室及其在同步辐射中的应用

李俊琴 邹 鹰 陈振华 薛 莲 王 勇 邰仁忠



基于微通道板的电离室及其在同步辐射中的应用

李俊琴 邹 鹰 陈振华 薛 莲 王 勇 邰仁忠

（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

在同步辐射装置中，气体电离室是定标光束线能量和评估能量分辨率的一个重要实验装置。为了摆脱电极探针式电离室的气体展宽对束线能量分辨率测定的限制，本文将微通道板(Microchannel Plate, 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。利用此系统测量标准气体在X射线入射时的电离吸收谱，通过分析测量所得谱线中吸收峰的展宽，可获得光束线的仪器展宽，本文以Ar的吸收谱为例给出了测量结果。

同步辐射装置，电离室，微通道板，电离吸收谱，能量分辨率

定标光束线的能量和评估能量分辨本领是同步辐射光束线建设过程中的一个必不可少的环节。在软X射线能量范围内，普遍采用的一种探测器是气体电离室。气体电离室是以气体为工作介质，借助电离辐射与气体的相互作用，通过收集辐射在气体中产生的电离电荷来探测辐射的探测器[1]。由于气体探测器具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，常被应用于核辐射探测。利用电离室测量标准气体的电离吸收谱，通过与标准的吸收边进行对比来定标束线的能量；通过分析谱线中吸收峰的展宽来得到光束线的仪器展宽。

在国外同步辐射装置中，常用基于电极探针的电离室，这种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，所以被广泛应用于同步辐射装置中[2]。然而电极探针式的电离室工作气压较高，一般在13.3–0.133Pa，这时增加的气体碰撞展宽对吸收谱峰宽有额外的贡献[3]，这就降低了可测量分辨率的上限。

对于具有超高能量分辨率的光束线（例如能量分辨本领>10000 @ 1000eV）[4]，电极探针式的电离室所能获得的能量分辨率已远不能满足需求。为了提高定标能量的准确度和能量分辨率的测量精度，减小气体碰撞展宽对最终结果的影响，我们设计并成功搭建了基于微通道板(Microchannel Plate, MCP)的电离室实验平台，将MCP应用于测量光束线能量分辨率的电离室，为高性能光束线的建设提供了重要的测试条件。

1 基于MCP的电离室

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1.33×10−4Pa，这就大大减小了碰撞展宽对能量分辨率测量的影响。如图1所示，基于MCP的电离室由真空系统、注气系统、基于MCP的探测器以及电子学信号获取和处理系统组成。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)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)形成的电势差

图1 基于MCP的电离室的结构示意图 Fig.1 Sketch of the ionization chamber based on MCP.

(HV2−HV1，HV2>HV1)作用下继续做加速运动，最终被探测器MCP收集。离子的信号经过MCP放大后输入电子学数据获取和处理系统，最后被计算机采集以进行分析。

1.1 真空系统

电离室采用在线式，安装在单色光出射狭缝之后、实验站之前。电离室的背底真空一般在1.33×10−7Pa，由安捷伦科技有限公司生产的型号为Agilent VacIon Plus 300的离子泵维持，抽速可达300L·s−1；当对X射线进行能量标定和能量分辨率测量时，电离室需要充入工作气体至1.33×10−4Pa，这时需关闭离子泵而启动分子泵机组。为了避免气体扩散到后续的实验站，需要将气动阀关闭；同时为了隔离电离室和前端的高真空系统，在前端安装了一宽15mm、高2mm、沿光束方向长度为10mm的差分窗口。

1.2 注气系统

为了能够对光束线的广域能区进行检测，电离室内标准气体的吸收峰位应尽量覆盖整个能区，这就需要种类尽可能多的工作气体。为此特别搭建了如图2所示的多种类注气系统。在实验过程中，为了能够方便地更换工作气体，将数个存放气体的气瓶并联放置且与充气管道连接，每个气瓶与充气管道之间用阀门隔离。在充气之前需要将管路反复冲洗几次，以保证注入气体的纯度。具体冲洗流程如下：(1) 将全部气瓶的气阀、开关阀1以及电离室的微漏阀关闭；(2) 打开开关阀2，启动机械泵将管路抽至低真空；(3) 然后关闭开关阀2隔离机械泵，打开开关阀1，再打开工作气体所在气瓶的气阀由其控制充入一定气压的工作气体；(4) 重复以上过程(2)–(3)三次即可。为电离室充气时，只需缓慢调节微漏阀，通过微漏阀的开口大小来控制流量，以保证电离室内的气体稳定在1.33×10−4Pa的量级。本系统使用的微漏阀为安捷伦提供的型号为951-5106的微漏阀，它可以精确控制气体的流量，最小漏率可达1.33×10−7Pa·L·s−1，工作范围是1.33×10−9−1.01×105Pa。

图2 注气系统 Fig.2 Gas inlet system.

1.3 基于MCP的探测器

MCP是本气体电离室的核心部分。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[1]。为了提高增益，本系统中MCP采用三片串联Z型堆叠使用，通道与表面法线偏角为12°，MCP前表面的电压一般为-3000V左右，每片MCP所加的电压为900V左右。一定能量的入射离子被MCP前表面的电场俘获，进入MCP的微通道，在壁上打出次级电子。通道中的电势梯度使得电子加速获得能量，再次轰击通道壁，产生更多的电子，直至MCP的后表面。经MCP倍增后的电子束被铜制的阳极板收集，之后送入电子学数据获取和处理系统。此外，为了收集尽可能多的正离子，在MCP的前面加了一块金网，并给金网加一定的负电压。

图3 MCP的加压和信号引出电路 Fig.3 Signal circuit of MCP.

1.4 数据获取和处理系统

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。为了提高信噪比，我们设计了一套信号获取和处理系统，如图3所示。电压-HV2与+HV之间的电压经分压电阻分压后，分别输送给MCP的前表面、后表面以及阳极板，为电子在MCP通道内的倍增提供合适的分压。两个RC电路用于收集MCP前、后表面的信号；而阳极板的信号经放大器放大、甄别器对其进行时间甄别后送入计数器，最终被计算机所记录。

2 结果与讨论

为了将X射线电离的正离子尽可能全部被探测器收集，需要给金网加合适的负电压。我们测试了探测器MCP的计数随金网电压的变化关系。如图4所示（图4中只显示电压的大小，未显示负号），当金网的电压在100‒350V时，MCP的计数随电压而增加；当金网的电压大于350V时，MCP的计数不再增加。图4说明只有当金网的电压大于350V时，才能尽可能收集全部的离子。本系统中，金网的电压设置为500V。

图4 MCP的计数随金网电压的变化曲线 Fig. 4 Counts of MCP as a function of voltage of gold mesh.

为了测量MCP的工作性能及获取其最佳工作状态，在不改变其他条件的情况下，我们测量了MCP的计数随电离室内气压的变化曲线（如图5所示），图5中实线是线性拟合的结果，可以看到MCP在气压为1.33×10−5Pa范围之内（正常工作气压）的工作线性很好。在信噪比允许的前提下，尽可能降低工作气压，有利于延长MCP的使用寿命。

图5 MCP的计数随电离室内气压的变化曲线 Fig.5 Counts of MCP as a function of gas pressure.

利用基于MCP探测器的电离室，我们对N2、He、Ne、Ar、Kr等标准气体的吸收谱进行了测量。在此以Ar在L2,3边的吸收谱作为例子给予说明。

为了排除气体的碰撞展宽对能量分辨率的影响，测试了不同气压下Ar的 2p3/2®4s跃迁峰能量分辨率。如图6所示，分别给出了在0.7´10−4‒3.7´10−4Pa之间的5个气压下Ar 2p3/2®4s的跃迁峰。可以看到，当气压在低于2.3´10−4Pa时，跃迁峰的宽度基本相同，即能量分辨率相同；当气压升高至3.7´10−4Pa时，峰宽明显大于较小气压下的峰宽，分辨率变差。这意味着当气压大于2.3´10−4Pa时，气体碰撞展宽对分辨率的测量有重要影响。因此为了减小气体碰撞展宽对分辨率测量的影响，电离室内的气压应小于2.3´10−4Pa。

在确立了MCP电离室的合理工作参数之后，该电离室被运用于对上海光源新建束线—梦之线的能量分辨率的测定。图7是在气压为1.7´10−4Pa的条件下测量的Ar在L2,3边的吸收谱。图7(a)为全谱，谱形与文献中报道[5−6]完全一致。由于梦之线束线的高分辨率，甚至可分辨出2p3/2®8d的跃迁；图7(b)是对2p3/2®4s跃迁单峰的Voigt拟合，采用自然展宽111meV，得束线仪器展宽为(23±2)meV。该峰半高宽为116meV，明显小于文献[5]中的135meV和文献[6]中的123meV。由此得出，梦之线在此能量下的分辨本领为10382(/△)。由图7中可以看出，MCP电离室在低气压下测得的谱线信噪比高，能给出可靠的线宽拟合值，为可靠确定梦之线的高能量分辨率提供了重要保证。

图7 Ar气L2,3边的吸收谱(a)和对2p3/2®4s跃迁单峰的Voigt拟合(b) Fig.7 Absorption spectrum of Ar (a) and peak of 2p3/2®4s with the Voigt fitting (b).

3 结语

本工作成功研制了基于MCP的电离室系统，并将其应用于同步辐射光源光束线的能量标定和分辨率的评估。基于MCP的电离室能够减小气体碰撞展宽对最终结果的影响，并能改善测量光束线能量分辨率的上限。给出了氩气在L2,3边的吸收谱，通过拟合分析得出梦之线在245eV处的分辨本领为10382。本电离室的成功搭建为可靠确定上海光源光束线的能量和高分辨率提供了重要保证。

1 吴治华, 赵国庆, 路福全, 等. 原子核物理实验方 法[M]. 北京: 原子能出版社, 1997
WU Zhihua, ZHAO Guoqing, LU Fuquan,. Nuclear physics experiment method[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1997

2 薛超凡. 上海光源软X射线谱学显微光束线站的能量分辨率研究[D]. 上海: 中国科学院上海应用物理研究所, 2011
XUE Chaofan. Study of evaluating the energy resolution of the soft X-ray spectromicroscopy beamline at SSRF[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, 2011

3 薛超凡, 王勇, 吴衍青, 等. 软X射线光束线能量分辨率测量中气体压强对谱线的影响研究[J]. 核技术, 2011, 34(8): 561-564
XUE Chaofan, WANG Yong, WU Yanqing,. Effect of gas pressure on energy resolution of a soft X-ray beamline[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(8): 561-564

4 Xue L, Reininger R, Wu Y Q,. Design of an ultrahigh-energy-resolution and wide-energy-range soft X-ray beamline[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2014, 21(1): 273-279. DOI: 10.1107/ S1600577513029093

5 Domke M, Mandel T, Puschmann A,. Performance of the high-resolution SX700/II monochromator[J]. Review of Scientific Instruments, 1992, 63(1): 80-89. DOI: 10.1063/1.1142615

6 Hu Y F, Zuin L, Wright G,. Commissioning and performance of the variable line spacing plane grating monochromator beamline at the Canadian Light Source[J]. Review of Scientific Instruments, 2007, 78(8): 083109. DOI: 10.1063/1.2778613

国家自然科学基金(No.11475251、No.11275255)资助

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11475251, No.11275255)

Ionization chamber based on multichannel plate and its application on synchrotron radiation

LI Junqin ZOU Ying CHEN Zhenhua XUE Lian WANG Yong TAI Renzhong

(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background: The measurement of energy resolution is an essential task for commissioning a beamline in synchrotron radiation facility. The ionization chamber plays an important role in the evaluation of energy resolution. The conventional type based on electrode probe has the disadvantage of a low detection upper limit for energy resolution due to collision broadening on peak profiles by high working pressure (up to 1.33Pa). Purpose: To improve the upper limit of resolution measurement, we aim to set up and deploy the ionization chamber based on multichannel plate (MCP) in China, including vacuum system, gas inlet system, detection system and data acquisition and processing system. Methods: Taking advantage of high amplification of a MCP detector, gas ionization absorption spectra can be measured under much low working pressure (1.33×10−4Pa). By analyzing the width of absorption peak, the instrument broadening caused by a beam line can be obtained. Results: An ionization chamber based on MCP can achieve higher upper limit than those based on electrode probe in evaluating energy resolution. Conclusion: A MCP ionization chamber provides an important diagnosis for energy resolution in commissioning high performance beamlines.

Synchrotron radiation facility, Ionization chamber, MCP, Ionization absorption spectrum, Energy resolution

LI Junqin, female, born in 1985, graduated from Fudan University in 2013, focusing on atomic and molecular physics

ZOU Ying, E-mail: zouying@sinap.ac.cn; WANG Yong, E-mail: wangyong@sinap.ac.cn; TAI Renzhong, E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050101

李俊琴，女，1985年出生，2013年毕业于复旦大学，研究领域为原子与分子物理

邹鹰，E-mail: zouying@sinap.ac.cn；王勇，E-mail: wangyong@sinap.ac.cn；邰仁忠，E-mail: tairenzhong@sinap.ac.cn

2015-10-14，

2015-12-20