基于四象限光位置检测器的同步光位置测量系统

第22卷第12期强激光与粒子束Vol.22,N o.12 2010年12月H IGH POWER LASER AND PARTICLE BEAM S Dec.,2010文章编号:1001-4322(2010)12-2964-05基于四象限光位置检测器的同步光位置测量系统*顾黎明,孙葆根,申超波,卢平,王季刚,王晓辉,唐雷雷,肖云云(中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230029)摘要:为了克服现有双丝型检测器无法进行水平、垂直两个方向同时测量同步光位置的缺点,合肥光源新研制了基于四象限光位置检测器的同步光位置测量系统,并使用对数比处理技术进行后续的数据处理。

通过分别对光学成像系统和四象限光位置检测器的标定,最终得到基于四象限光位置检测器的光位置测量系统的性能参数为:水平方向灵敏度0.4712mm-1,线性范围为?1.83mm,垂直方向灵敏度0.6350mm-1,线性范围?1.32mm。

与合肥光源现有的光位置测量系统相比,具有较高的性价比。

关键词:同步光位置;四象限光位置检测器;标定;对数比处理技术;局部凸轨中图分类号:T L594;T L506文献标志码:A doi:10.3788/HP LP B20102212.2964精确而稳定的同步光位置测量系统对于同步辐射实验的成功进行非常关键,为此,国外很多实验室都非常重视同步光位置检测器的研制[1-4]。

光电效应检测器是近几年发展的新型光位置检测器,具有很宽的波长探测范围(从VUV到软X射线)、位置分辨力高、稳定性高、时间响应快等优点,是目前应用最为广泛的同步光位置检测器。

四象限光位置检测器属于砷化铟镓(InGaAs)型检测器件,是正照平面型芯片结构,具有光敏面积大、光谱响应范围宽、响应速度快、象限间串扰低和可靠性高等优点,在激光制导、激光定位和微细加工控制等方面有着广泛应用,但在同步光位置检测方面还没有直接的应用[5]。

在合肥光源中国科学院知识创新重大项目中,利用B3A的2b出光口增建了一条机器研究光束线,并研制了一种带有弹簧的双丝型同步光位置检测器,得到了很好的应用结果。

但是这种光位置检测器具有灵敏度不高、移动不方便、仅能测量垂直方向的光位置等特点。

为了解决这些不足,合肥光源新研制了一种新型的基于四象限光位置检测器的同步光位置测量系统,现已设计加工安装完成,并在机器研究光束线上进行了标定和初步的应用研究。

1四象限光位置检测器考虑到合肥光源B3A的2b出光口的同步光光斑截面尺寸约为:R x=0.5mm和R y=0.4m m,前端光学成像系统将其约5B1聚焦成像到光位置检测器,实际到达光位置检测器处的光斑截面尺寸约为R x=0.1m m和R y=0.08m m。

为了保证足够多的同步光进入四象限光位置检测器,我们选用中国电子科技集团公司第四十四研究所生产的、直径为3mm的GD3542T,如图1所示。

Fig.1Four-quadran t detector图1四象限光位置检测器若以I A,I B,I C,I D表示4个象限的光电流,如图2所示。

同步光位置信号的处理可采用差比和法和对数比法。

差比和法的同步光位置信号为*收稿日期:2009-11-16;修订日期:2010-05-03基金项目:国家自然科学基金项目(10675118,10875117);中国科学技术大学研究生创新研究基金项目作者简介:顾黎明(1984)),男,浙江省平湖人,博士研究生,从事束流诊断与测量研究;reginald@ 。

通信作者:孙葆根(1961)),男,安徽省庐江人,研究员,博导,从事束流诊断与测量研究;bgsun@。

Fig.2 S chematic diagram of photocurrentsin four -qu adrant detector图2 四象限检测器光电流示意图P x,$/2mm =I A -I C I A +I CP y,$/2mm =I B -I D I B +I D(1) 对数比法同步光位置信号为P x,log m m =lg I A I CP y,log m m =lg I B I D(2) 检测器的灵敏度定义为S x ,y =5P x,y5(x ,y )x,y=0(3) 根据仿真计算[6],对数比法处理同步光位置信号相对于差比和法具有更宽的线性范围,所以同步光位置测量系统采用对数比处理技术[7]。

2 同步光位置测量系统的标定2.1 同步光位置测量系统基于四象限光位置检测器的同步光位置测量系统由光学成像系统、四象限光位置检测器和基于对数比处理技术光位置处理系统3部分组成,如图3所示。

光位置测量系统光路原理如图4所示。

弯铁光源点辐射出的同步光被反射镜引出,经过分光镜分为独立的两路同步光,其中一路经过滤波后,再通过聚焦透镜对其进行横向聚焦,最终成像在四象限光位置检测器上。

同步辐射光照射在四象限光位置检测器上产生的4路光电流信号被传输到一个基于对数比处理技术的同步光位置处理系统[7],经过对数比运算得到光位置电压信号,再经过调理放大和模数转换成为数字信号,最终通过网络接口发送出去,整个过程都是在中央处理器ARM 7的控制下完成。

Fig.3 Ph oton beam position monitor (PBPM )system图3 同步光位置测量系统Fig.4 Sch ematic diagram of optical path of PBPM sy stem 图4 光位置测量系统光路原理图同步光位置测量系统的标定包括两部分:光学成像系统的标定和四象限光位置检测器的标定。

2.2 光学成像系统的标定光学成像系统的缩放因子可以通过计算得到,约为0.2,但为了提高测量精度,需要对光学成像系统进行在线标定。

由于束流的位置信息可以通过束流位置探测器(BPM)系统得到,而通过四象限光位置检测器也可以得到同步辐射光的一个位置信息,可以利用BPM 系统对从四象限光位置检测器得到的同步光位置信息进行标定,使两者的信息有效联系起来[8]。

光学成像系统标定的方法是通过在四象限光位置检测器所对应的光源点位置处人为地形成凸轨,并逐步增加凸轨的高度,同时观察BPM 系统和四象限光位置检测器光位置测量系统所显示的位置信息,最后对得到的数据进行拟合。

为了能够使得四象限光位置检测器所在位置与BPM 系统的变化具有可比性,在设计凸轨的过程中采用4校正铁凸轨的方法,让BPM 与四象限光位置检测器所对应的光源点同时处于上升或下降的平台上。

图5为用来形成凸轨的校正铁、用来观察束流位置变化的BPM 以及四象限光位置检测器所在的位置。

2965第12期顾黎明等:基于四象限光位置检测器的同步光位置测量系统Fig.5 Schematic diag ram of local bum p 图5 凸轨形成示意图Q3E,Q6E,Q7E 与Q7S 形成垂直方向的凸轨;Q4E,Q5E,Q8E 与Q8S 形成水平方向的凸轨。

由于合肥光源在四极铁Q7E 处未安装BPM,所以我们使用邻近BPM 的Q8E来近似观察Q7E 处束流位置。

为方便起见,我们用BPM Q6E,BM PQ8E 分别表示BPM 系统的读数,用four -quadrant 表示四象限光位置检测器处PBPM 系统的读数。

在水平和垂直两个方向对单次凸轨由产生到凸轨幅度到达最大值这个过程进行实验,得到两个系统的位置信息如图6所示。

对以上得到的位置信息进行拟合,结果如图7所示。

水平和垂直方向的标定系数分别为0.2194和0.22749。

Fig.6 Position in formation derived by PBPM and BPM systems图6 两个系统位置信息Fig.7 Lin ear fitting of pos ition information derived by PBPM and BPM systems图7 两个系统位置信息拟合2.3 四象限光位置检测器的标定为了精确测量光位置检测器在水平和垂直方向位置的变化,采用两个北京光学仪器厂生产的带有螺旋测微器的精密位移台PTS301,因此可以在水平和垂直两个方向上调节。

四象限光位置检测器装在此光学仪器平台上,通过螺旋测微器的位置调节旋钮,可以在水平和垂直两个方向上逐步移动光位置检测器。

PTS301的行程为6m m,分辨力为2L m,精度为3L m,满足标定要求。

标定时,以0.05m m 为步长,逐步移动四象限光位置检测器,利用基于对数数据采集处理系统得到每步对应的光位置信号P log ,就可以绘制出光位置信号P log 和移动距离D 的关系曲线,从而可以求出检测器的灵敏度和线性范围。

四象限光位置检测器的标定结果如图8所示。

通过拟合可以得到P x ,log =0.11382mm +2.15123x P y,log =0.08562mm +2.79132y (4)2966强激光与粒子束第22卷Fig.8 Calib ration of fou r -quadran t detector图8 四象限光位置检测器的标定则四象限光位置检测器的水平方向灵敏度为2.15123m m -1,线性范围为?0.4m m;垂直方向灵敏度2.79132m m -1,线性范围?0.3mm 。

由此可以看到,测量结果中,线性范围与灵敏度是矛盾的:线性范围大则灵敏度低,线性范围小则灵敏度高。

之所以出现这种差异,主要是由于同步光为椭圆高斯分布。

同步光在水平方向上的光斑截面尺寸大于垂直方向上的尺寸,造成水平方向上的线性范围大于垂直方向上的线性范围,同时灵敏度略低。

2.4 同步光位置测量系统的标定结果由以上两部分的标定结果,可以得到整个同步光位置测量系统的灵敏度S 为S x =2.15123mm -1@0.21904=0.4712mm -1S y =2.79132mm -1@0.22749=0.6350mm -1(5)水平方向线性范围为?1.83mm,垂直方向线性范围为?1.32mm 。

3 轨道稳定性测量同步光位置的稳定性是同步光质量的重要指标之一。

影响同步光位置的稳定性的主要因素有:插入元件移动造成的突变、磁铁电源的漂移、热飘移、低频震动等。

利用新研制的基于四象限光位置检测器的同步光位置测量系统,对于机器研究光束线同步光位置的稳定性进行了测量,其中BPM Q6E 位于机器研究光束线弯铁光源点前方的四极铁处,其读数比较好地反映出机器研究光束线出口处的束流位置信息,因此对于相同时间内BPM Q6E 所测得的束流位置信息和四象限光位置检测器所测得的同步光位置信息进行了比较。

为方便起见,记BQ6EH 为BPM Q6E 水平方向的信息,BQ6EV 为BPM Q6E 垂直方向的信息。

图9是合肥光源一次用户运行时测得的水平和垂直方向9h 同步光位置曲线与BPM Q6E 处束流位置曲线的比较。