一种透射型白光束流位置探测器装置

本发明属于同步辐射，涉及一种透射型白光束流位置探测器（bpm）装置，应用于同步辐射装置光束线上游，在超高真空环境下使用。利用金刚石探测器的高热导率和光电效应实现在heps四代光源高能量高热负载要求下的束流位置探测与诊断，用于反馈白光光阑、白光镜等光学设备束流调制是否符合试验要求，提高束流调制效率和精确度。

背景技术：

1、目前我国正在建设的第一台第四代高能同步辐射光源（heps），高能同步辐射光源，储存环能量达6 ge v，亮度达1×1022 phs·s-1·mm-2·mrad-2·(0.1%bw）-1，发射度小于60 pm·rad，高性能光束线站容量不少于90个，可提供能量达300 ke v的x射线，其同步辐射峰值功率密度可达700~800kw/mrad2，相当于电子束焊接的功率密度，可以轻易切开未经冷却的各种金属。同步辐射装置为了开展各种不同类型的科学实验，就需要对同步辐射进行调制处理，以满足实验需求。由于同步辐射束流调制处理需要经过光阑、白光镜、偏转镜、单色器等各类光学设备，为了确保束流顺利且有效的到达实验站，束流探测技术在同步辐射装置运行中必不可少，对于调束工作更是意义重大。调束工作是同步辐射装置运行过程中一个重要的环节，其直接影响出束效率和束流质量，进而影响物理、生物等方面的实验进程和实验结果。常用的束流探测器包括束流位置探测器（bpm，beam position monitor）、丝扫描探测器、同步辐射成像探测器及荧光靶等，其中成像探测器一般用于末端实验站，荧光靶和丝扫描探测器的探测精度有限，而束流探测器bpm是应用功能材料的光电转换探测光束截面强度分布，确定光束轴线，并在线监测束线的动态变化，测量光源及光束传输过程中的漂移量，分辨率可以达到μm甚至亚μm级别，为校正电子轨道和束线光学各元件的姿态提供反馈信息。常用的bpm包括楔形刀片式bpm和四象限金刚石薄膜透射型bpm，由于白光束流功率较大，目前应用于白光的bpm一般为刀片式bpm，现阶段常用的一般为四组刀片对称布置，刀片表面部分区域镀金属膜层，窄面为入射面，当同步辐射束流穿过 bpm 时，从刀片表面激发出光电子，激发的光电子由偏压板收集，这样在刀片与偏压板之间分别形成了光电流信号。在同步辐射束流光谱成分不变的情况下，光电流的强度与刀片的着光面积成正比，所以当束流位置发生移动时，由于着光面积的变化，不同刀片的光电流会分别增大或减小。根据光电流的这种相互变化关系就可以得到束流在水平/垂直方向位置的变化信息。其结构如图1和图2所示。

2、上述楔形四刀式白光bpm主要包括bpm刀片组装1、水冷焊件2、真空腔体组件3、高程调节螺杆组件4和安装板5。其中水冷焊件2通过四组高程调节螺杆组件4支撑于安装板5上，可通过调节四组高程调节螺杆组件4的螺母位置调整bpm水平度和高度。bpm刀片组装1通过螺钉固定于水冷焊件2上，真空腔体组件3罩于bpm刀片组件1外并与水冷焊件2密封法兰连接，并通过配对的刀口法兰挤压金属密封垫圈实现真空密封，安装真空腔体组件3前需要先将真空导线及真空热电偶与bpm刀片组装1的对应位置连接好并引出至真空腔体组件3对应法兰位置。

3、如图3和图4所示，所述bpm刀片组装1主要由热电偶安装螺母组101、刀片夹持座102、偏压绝缘板103、偏压电极104、电场配平块105、压紧板106以及楔形刀片组件107构成。所述热电偶安装螺母组101用于安装热偶线，便于测量刀片夹持座102温度。刀片夹持座102为无氧铜材料，一体加工结构，是核心安装部件。偏压电极104为无氧铜材料，两端与四个陶瓷材料的偏压绝缘板103构成夹心绝缘结构安装于刀片夹持座102的长形凹槽内，其中一端有带圆孔的弯转窄凸缘，用于固定偏压线。电场配平块105安装于刀片夹持座102上，其长平面结构与偏压绝缘板103对向安装，提高光电流收集效率。楔形刀片组件107成对安装于刀片夹持座102的凹槽内，其安装定位要求较高，需要配合工装安装以调整刀片间隙。压紧板106贴紧楔形刀片组件107安装，以使其固定。

4、如图5所示，所述水冷焊件2包括水冷板201、连接柱202、水冷管203、异型法兰座204以及水冷管焊接过渡管205。其中水冷管焊接过渡管205先套至至异型法兰座204对应位置进行真空钎焊，水冷管203先与水冷板201钎焊，通过连接柱202安装至异型法兰座204后将水冷管203大气端套入水冷管焊接过渡管205内完成焊接后再进行折弯。以上焊接都要求真空内侧连续焊，确保真空密封。

5、如图6所示，所述真空腔体组件3主要由盲板法兰301、电极引出法兰及bnc接头组件302、主腔体303、热电偶引出法兰304以及腔体上盖焊件305构成，用于提供超高真空环境。上述主腔体303包括圆筒腔体、上下连接法兰接口、束流出入口法兰接口、热偶连接法兰接口以及电极引出法兰接口，其中下连接法兰接口和入口法兰接口为松套法兰，以便安装和连接设备时调整腔体位置。电极引出法兰及bnc接头组件302用于偏压引入和光电流引出，热电偶引出法兰304用于温度探测。

6、如图7所示，所述楔形刀片组件107由楔形刀片10701、刀片绝缘板10702、刀片垫板10703以及电流引出电极10704组成。其中楔形刀片10701为金刚石材料，刀片垫板10703为无氧铜材料，楔形刀片10701表面部分区域镀膜，以实现与电流引出电极10704的导通和刀片垫板10703的绝缘。刀片绝缘板10702为陶瓷材料，用于定位楔形刀片10701并使其与刀片夹持座102绝缘。电流引出电极10704为无氧铜材料，单侧折弯且有螺钉安装孔，用于安装真空导线引出光电流。

7、上述楔形四刀式白光bpm虽然适用于高热负载的白光束流探测，但是体积大、造价高，尤其是四代光源发射度小，该类型bpm无法适用于经过前端区和束线上游的白光可调光阑卡光后的小尺寸束流。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种透射型白光束流位置探测器装置，用于同步辐射上游束线段白光/粉光束流的位置探测。本发明由单晶/微波法高纯度多晶金刚石、电路板以及无氧铜底座和金属压紧机构构成，束流正入射至金刚石平面上，适用于mm级光斑探测，可承受高热负载白光束流同时兼顾高分辨率与低暗电流特性，一体化设计集成度更高，适配狭小空间安装需求，成本更低。

2、本发明的技术方案为：

3、一种透射型白光束流位置探测器装置，其特征在于，包括夹持型金刚石探测器、水冷底座、真空腔体；

4、所述真空腔体包括主腔体、电极馈通及热偶馈通；所述主腔体设有一束流出入口法兰，用于与束流管连接；所述主腔体设有多个法兰接口，分别用于连接所述水冷底座、电极馈通及热偶馈通；

5、所述水冷底座一端安装有所述夹持型金刚石探测器并伸入所述真空腔体内；所述水冷底座的内部设有水冷流道，用于与外部水冷管路连接形成水循环，带走所述夹持型金刚石探测器吸收束流能量后产生的热量；

6、所述夹持型金刚石探测器，用于探测经束流管入射到所述真空腔体内的同步辐射白光束流所产生的电信号经所述电极馈通输出，以及采集金刚石片的温度信号经所述热偶馈通输出；束流位置信息由各象限输出的电信号进行差和比计算得出。

7、优选的，所述夹持型金刚石探测器包括偏压电路板、偏压电极片、金刚石片、安装底座、金刚石定位块、压紧片、电流引出片以及电流引出电路板；其中，所述安装底座上表面设有凸台，用于与所述金刚石定位块配合定位所述安装金刚石片；所述金刚石片夹持于安装底座与压紧片之间，上下表面分别贴合偏压电极片与电流引出片；偏压电路板通过偏压电极片与金刚石片的背电极偏压镀膜区导通，实现电信号传递；电流引出电路板通过电流引出片与金刚石片的四象限镀膜区导通，实现电信号传递。

8、优选的，所述金刚石片的四象限镀膜区和背电极偏压镀膜区经磁控溅射制备电极，用于收集光生载流子。

9、优选的，所述偏压电极片和电流引出片均为无氧铜材质；所述安装底座主体材料为无氧铜、铬锆铜或弥散铜；偏压电路板和电流引出电路板均采用高频陶瓷基板；所述金刚石定位块为聚四氟乙烯或氧化铝陶瓷，用于限制金刚石片在水平方向的位移，并对偏压电路板和电流引出电路板进行辅助定位。

10、优选的，所述夹持型金刚石探测器的外侧设有防辐射盖板，用于对所述夹持型金刚石探测器进行辐射保护。

11、本发明的优点主要有以下几个方面：

12、第一，本发明中的的金刚石探测器为机械夹持型结构，无传统焊线电路结构，在高热负载白光/粉光束流条件下，设备可靠性更高，探测精度更高；

13、第二：金刚石片可通过氢氧等离子体刻蚀工艺进行着光区域的局部减薄，以提高对高热负载束流探测的可靠性；

14、第三：整体结构简单紧凑，易安装维护，成本低。