基于位置敏感半導體光電器件的同步輻射光斑位置檢測

孟 楠 曾建榮 李中亮 邊風剛

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海201800）

2（中國科學院上海高等研究院 上海201204）

3（中國科學院大學 北京100049）

同步輻射具有高亮度、準單色性、高準直、理想偏振等其他光源無法比擬的優點，被廣泛應用于物理、化學、生物、材料、信息等領域［1］。同步輻射光在光束線傳輸過程中需要經過狹縫、單色器、反射鏡等光學元件，光束線元件位置或姿態變化會引發樣品處光斑漂移或強度變化。尤其是單色器第二晶體或反射鏡角度的變化，這些器件距離樣品較遠，微小的角度偏差將會帶來樣品處光斑位置的較大變化。同步輻射實驗通常需要對光斑位置、光斑尺寸、光通量的穩定性進行監測，以確保實驗過程中獲得可靠數據。隨著科學研究發展，用戶對于X 射線空間分辨率的要求越來越高，各光束線光斑尺寸通常工作在微米量級的范圍，光斑穩定性要求控制在光斑尺寸的百分之幾以內。因此需要在光束線站中安裝微米級甚至亞微米級分辨率的X射線位置探測器用于監測光束位置的變化。

同步輻射光束線常用的位置探測器（X-ray Beam Position Monitor，XBPM），采用光電轉換的像素傳感器來探測光束截面強度分布，或依據位置變化帶來的光強分配來測量光束傳輸過程中的位置變化［2］。常見的XBPM 有以下幾種：絲掃描型［3-4］、刀片強度分配型、薄膜散射型和發光靶型。絲掃描型的結構比較簡單，其探針由石墨絲或耐高溫金屬絲制成，可實現一維探測。其原理是通過監測探針掃描光束時光電流變化對應掃描位置來檢測光束，其分辨率可在1μm 左右。如果插入件間距沒有發生改變，則不需要重新掃描就可以知道光束位置的變化［5］，可實時監測光束位置的變化［3］。刀片型探測器是由4 片或兩片電極材料探測光電流分配的變化。對單色光刀口插入光束中，可實現較高的分辨率［6］。其測量的光束的中心位置和位置變化通過間接推導獲得［7］，往往需要經過標定才能得到絕對位置，并且刀片之間需要有一定的間距導致無法測量小光斑。薄膜型束流位置探測器是一種精度較高的位置探測器，數據處理后能夠分辨光線位置微米級變化，但缺點是入射光束會被吸收［2］。發光靶型XBPM 可以直接觀察光靶上的光斑，其優勢在于即時監測光斑的位置變化，缺陷是不具備數字化功能，無法獲得光強分布與光斑尺寸，也無法獲得光斑的穩定性信息。電荷耦合器件（Charge Coupled Devices，CCD）和互補型氧化物金屬半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）兩類圖像傳感器［8］也具有位置監測功能，然而CCD傳感器缺陷在于多電壓、高功耗、低速度［9］，并且不能探測光通量，通常不用于光斑位置監測。

綜上所述，在同步輻射實驗中，仍然缺少簡便實用，且具有較高準確度的多功能位置探測器。一個功能是末端型的BPM，既可以測量光斑位置又可以較好地測量光強的裝置，一種是光束穿透型的BPM，既能夠觀測到光束中心的位置，又不影響下游的實驗用光。本文報告了第一種BPM 的設計和實驗數據。該末端型BPM 有1D 和2D 的分類。一般是利用光電位置探測器（Position Sensitive Detector，PSD）來探測光束位置，位置分辨率較好，并可以測試X線的通量和光斑尺寸。

1 原理及制作

1.1 PSD原理及結構

PSD 機理是半導體的橫向光電效應，1957 年Wallmark［10］首先提出利用這個現象監測光點位置。商用的PSD位置傳感器結構如圖1，其構造與PIN光電二極管類似［11］。利用p層的表面電阻特性，在p型層兩端會得到一組正比于電極距離X1和X2的光電流輸出信號IX1和IX2。IX1和IX2之和等于光束入射至PN 結中產生電流I0。該特性可用式（1）和式（2）表達：

圖1 一維PSD結構Fig.1 Structure diagram of one dimensional PSD

由式（1）、式（2）可得式（3）：

由式（3），通過測量電流IX1和IX2可以確定入射光斑距離探測器中點的距離XA，以此確定入射位置。

上述PSD 原理可以推廣至二維。常見的類型有：Duo-lateral型、Tetra-lateral型和Pin-cushion型。

Duo-lateral型PSD結構如圖2所示，共有4個輸出電極，X1、X2 電極連接在上表面，Y1、Y2 電極連接在下表面［11］。測試原理與一維PSD相同，定義光束出射方向為Z方向（垂直紙面向內），Duo-lateral型PSD可以同時探測光束的X和Y方向（X、Y、Z構成左手坐標系）的位置［11］，見式（4）、（5）。

圖2 Duo-lateral型PSDFig.2 Structure diagram of Duo-lateral PSD

Tetra-lateral型PSD結構如圖3所示，共有4個輸出電極且都連接在上表面［11］。相比于Duo-lateral型PSD，Tetra-lateral 型PSD 缺點是輸出電極處在同一表面，電極之間相互作用導致邊角處位置畸變增大。優點是容易施加反向偏壓，暗電流小，響應速率高。其測量原理與Duo-lateral 型PSD 相同，通過式（4）、（5）計算入射光斑位置［11］。

Pin-cushion 型PSD 是Tetra-lateral 型PSD 的 一種變形，結構如圖4 所示，共有4 個輸出電極且都連接在上表面［11］。相較于Tetra-lateral 型PSD，Pincushion 型PSD 具有更大的活躍面積（Active Area），電極之間相互作用小，暗電流小，響應快速以及減少周長失真［11］。不同于Tetra-lateral型和Duo-lateral型PSD，由于Pin-cushion 型PSD 的輸出電極做了一些幾何學上的修正處理，測量光斑入射位置同時需要4個電極輸出的電流信號，可見式（6）、（7）：

圖3 Tetra-lateral型PSDFig.3 Structure diagram of Tetra-lateral PSD

圖4 Pin-cushion型PSDFig.4 Structure diagram of a Pin-cushion PSD

1.2 PSD選型及結構設計

實驗選用日本濱松生產的Pin-cushion 型PSD S5991-01，S5991-01 長（16.5±0.2）mm、寬（14.5±0.2）mm，探測面積9 mm×9 mm。S5991-01封裝接線如圖5（a）所示，S5991-01 有10 個接口，接口1、5、6、10分別對應輸出電極X1、Y1、X2、Y2。接線完成之后兩側各有兩個接口，每個接口對應一個電極，輸出電極X2、Y2 位于一側，X1、Y1 位于另一側。將光電二極管及電路板封裝在密閉的空間內，避免可見光的影響，利用6485 型靜電計（讀數率1 000 Hz，電流測量范圍20 fA～20 mA）測試器件暗電流，經測試，封裝后探測器的暗電流數值為2.8×10-9A。

圖5 Pin-cushion型PSD S5991-01元件(a)及探測器的組裝實物(b)Fig.5 Schematic diagram of S5991-01 chip(a)and photograph of the assembly(b)

2 實驗設置

測試實驗基于上海同步輻射裝置（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）X 光學測試線（BL09B1）進行，該光束線專用于光束線設備及光學元件檢測。測試光路和布局框圖如圖6（a）、（b）所示，探測器安裝于距離光源40 m 處，即距離單色器19 m，白光狹縫調整在XBPM 上的光斑尺寸為6 mm×2 mm，調整單色器的布拉格角和雙晶失諧角度輸出不同能量、不同通量的光束用于探測器的測試。位置測量使用KOHZU公司制作的高精度運動X-Y 平臺組（單步長均小于等于2 μm），在10 keV 條件下進行測試，同步輻射X 光束經過光學系統后入射至探測器的光敏面，電機分別沿著X、Y方向移動，探測器將X光轉換為光電流，對探測器4路光電流，用6485靜電計采集后實時存儲至計算機。

圖6 測量原理圖(a)及系統布局方框圖(b)Fig.6 The layout of the experimental device(a)and flow diagram of system layout(b)

3 測試和分析

3.1 位置測量與探測器標定

電機沿Y 方向以步長28.5 μm 從-8 mm 移動至8 mm 處，移動范圍16 mm，采集數據點561 個；沿X方向以步長245 μm 從-15 mm 移動至15 mm 處，移動范圍30 mm，采集數據點122 個。探測器沿Y 方向、X方向移動4路電流信號讀出結果如圖7（a）、（b）所示。

圖7 探測器沿不同方向移動四路電流測試結果 (a)Y方向，(b)X方向Fig.7 Test results of currents of four electrodes when the detector moved in different directions (a)Y direction,(b)X direction

通過式（7）計算圖7（a）中測試得到的電流信號，可獲得用于標定探測器刻度系數的無量綱參數C1：

同理通過式（6）計算圖7（b）測試得到的電流信號，可獲得另一無量綱參數C2：

由此可以得到探測器沿Y方向和X方向移動位置信息與C1和C2的關系圖8（a）、（b）。由圖8（a）、（b）可見，探測器邊緣位置測試曲線非線性，四象限探測器測試曲線線性區域與光斑尺寸有關［12］。

圖8 探測器位置信息與C1(a)、C2(b)關系曲線Fig.8 Relationship curve between detector position and C1(a),C2(b)

分別選取圖8（a）、（b）的線性區域對刻度系數進行標定。標定結果顯示單位位置改變對應C1改變2.0×10-4μm-1，C2改變-2.0×10-4μm-1，說明探測器沿不同方向移動刻度系數的標定結果相同?？潭认禂凳翘綔y器的固定參數，用于將測量的光電信號轉化為光斑位置信息。

3.2 光通量變化監測

探測器將入射至光敏面的X 光轉換為電流信號，監測電流變化可以了解光通量變化。同時，對光通量變化監測的靈敏性也是衡量探測器性能的重要因素。光通量變化測試采取如下方案：

1）通過探測器移入移出，模擬測試光通量變化。

2）通過控制狹縫改變光斑尺寸，測試光通量變化。

3）在能量10 keV 條件下保持光斑位置處于探測器中心，測試光通量隨時間的變化，測試時間8 h。

探測器沿Y方向、X方向移動測得光通量變化與位置信號關系分別如圖9（a）和（b）所示。隨著探測器進入光路通量增加、光斑被整個探測器接收后保持恒定、探測器移出光路時逐漸減少，測量光電流信號形成明顯的三段變化。

圖9 探測器沿Y方向(a)、X方向(b)移動時的光通量變化以及不同狹縫寬度下光通量的變化(c)和光通量隨時間的變化(d)Fig.9 Change of flux when detector moves in Y direction(a),X direction(b),and changes of flux under different slit widths(c),relationship between flux and time(d)

光斑尺寸與光通量變化關系如圖9（c）所示，隨光斑減小光通量線性減少，表明光斑光強呈均勻分布。光通量隨時間變化測試結果如圖9（d）。光通量基本不隨時間變化，數值基本穩定在峰值的99%～100%之間。光通量變化趨勢與儲存環內電子束流變化有關，上海光源運行模式是恒流模式，束線光通量數值較為穩定。測試結果表明探測器輸出信號可反映光束線上光通量的實時變化。

器件總信噪比可由式（10）計算得到［13］。其中：I為4 個象限總光電流，in為各象限的噪聲，近似認為各象限噪聲一致。探測器總暗電流in為2.8×10-9A，實驗中測量的總光電流I 一般在2.9×10-6A，計算可得RSN為4.3×106。

3.3 光斑尺寸測量

光斑尺寸可以通過分析光強分布信息得出。圖9（a）、（b）對光通量的監測結果包含了光強分布信息，對其做1 階微分可得到光強變化率關系圖10。由圖10（a）中可以看到沿Y 方向也即垂直方向光強變化率是矩形函數，表明光斑光強沿Y 方向均勻分布。其矩形函數寬度就是光斑的垂直方向尺寸，即2 mm。做類似分析（圖10（b））可以發現光斑水平方向光強也呈均勻分布，寬度大小為5.9 mm。光斑是一個光強分布均勻的5.9 mm×2 mm 的矩形光斑。結果表明使用本文研發的探測器可以有效探測光斑光強分布和光斑尺寸。

光斑分布均勻情況下，探測器的分辨率可由x0、y0標準差表征，由式（10）、（11）、（12）得出［13］：

式中：σx0、σy0是探測器X、Y 方向的分辨率；（x0，y0）是以探測器中心為原點時光斑中心位置；b、a 分別是矩形光斑的長寬；RSN是探測器的信噪比。根據等式可知，光斑中心距離探測器中心越近，光斑尺寸越小，信噪比越高，探測器分辨率越好。矩形光斑尺寸為5.9 mm×2 mm 的條件下，可計算出探測器中心處（x0=0，y0=0）X、Y 方向最小分辨率分別為1.5μm、0.48 μm，但限于芯片S5991-01 分辨率最小為1.4μm，所以該探測器中心處Y 方向最小分辨率為1.4μm。對于圓形光斑，探測器各方向分辨率一致，且分辨率要比同尺寸矩形光斑更高。

圖10 探測器沿不同方向移動時的總電流變化率 (a)Y方向，(b)X方向Fig.10 The change rates of the total current when the detector moves in different directions (a)Y direction,(b)X direction

3.4 探測器適用性研究

同步輻射光束線站實驗中通常需要不同的實驗條件，探測器在不同條件的適用性將影響其使用性能。本文通過改變光子能量和光斑尺寸，分別測試了不同條件下該探測器的使用效果。在光子能量改變范圍6～18 keV、狹縫大小改變范圍1 700～200μm條件下分別對探測器進行測試。KOHZU 電機沿Y方向以步長28 μm從-10 mm移動至10 mm處，移動范圍20 mm，采集數據點718個。

不同光斑尺寸和不同能量下探測器的刻度系數標定結果如圖11 所示。在狹縫寬度改變的條件下刻度系數變化范圍和方差分別是（-2.07×10-4μm-1，-2.00×10-4μm-1）、4.57×10-12，能量改變條件下刻度系 數 變 化范圍和方 差 分別為（-2.08×10-4μm-1，-2.01×10-4μm-1）、5.12×10-12，標定結果有輕微浮動，穩定保持在-2.00×10-4μm-1左右。實驗結果表明隨著測試條件的改變，該探測器可滿足不同能量和光通量的監測需求。

3.5 光斑漂移量測量

同步輻射實驗中光斑的漂移影響著實驗的準確性，并且很多實驗時間在1～2 h 內，為了進一步測試探測器的應用效果，采用該探測器對不同能量下光斑漂移量進行短時間測試。調整探測器位置使光斑入射至探測器中心，分別在10 keV、14 keV、18 keV條件下采集數據1.5 h，采集頻率10次每秒。光斑漂移量結果如圖12所示。

圖11 不同狹縫寬度(a)和不同能量條件(b)下刻度系數標定結果Fig.11 Calibration results of scale factor under different slit widths(a)and different energy(b)

圖12 不同能量下光斑不同方向漂移（右上角插圖為光斑抖動）(a)10 keV、X（水平）方向，(b)10 keV Y（垂直）方向，(c)14 keV、X方向，(d)14 keV、Y方向，(e)18 keV、X方向，(f)18 keV、Y方向Fig.12 Beam spot drifts in different directions at different energies(inlet in the upper right corner is beam vibration)(a)10 keV,X direction(horizontal),(b)10 keV,Y direction(vertical),(c)14 keV,X direction,(d)14 keV,Y direction,(e)18 keV,X direction,(f)18 keV,Y direction

從圖12可以看出，在10 keV、14 keV、18 keV條件下光斑抖動量X方向為18 μm、15 μm、20 μm；Y方向為25 μm、15 μm、15 μm。光斑在X、Y方向抖動幅度差距不大，并且光斑X方向抖動與漂移接近，Y方向光斑漂移明顯大于抖動。如圖13 所示，在10 keV、14 keV、18 keV條件下光斑漂移范圍X方向分別為13 μm、10 μm、22 μm；Y 方向分別為68 μm、54 μm、40 μm?？梢钥闯鲈摼€站實驗測試期間光斑漂移Y方向大于X方向，且Y方向漂移一個峰的周期約為3.5 min。在對于光斑位置穩定性需求較高的實驗中，光斑漂移會對實驗造成巨大的影響，例如測試高度異質結樣品的XAFS實驗以及晶體很小的衍射實驗，譜學顯微實驗更是要求光斑水平漂移小于40 μm［14］。影響光斑漂移的因素可能來自于單色器［14］以及儲存環內電子束流的擾動，在一次束流注入周期內儲存環內電子束流強度衰減以及不同束流注入周期內儲存環內電子束流運行軌道變化都會產生光斑漂移［15-16］。使用該探測器可以快速有效地測定線站實驗光斑的穩定性等重要性能，為實驗用光提供及時診斷和指導。

圖13 BL09B1線站不同能量下X和Y方向光斑漂移Fig.13 Beam spot drafts along X and Y direction under different energies on BL09B1

4 結語

本文介紹了一種基于二維Pin-cushion 型PSD的同步輻射光束微型位置探測器。該探測器結構簡單、調試方便、易于測試。實際測試中，光斑的位置可以通過事先標定電流信號與位置信號的對應關系計算得出；光束的通量信息以及變化可以通過探測到的總電流得出；通過對總電流微分可以得出光斑的光強分布以及光斑尺寸；通過光斑位置的持續監測能夠檢測光斑的抖動和漂移信息?；赟SRF 光學測試線的應用測試表明，該探測器可有效地監測光束的光斑位置、光斑尺寸、光通量和光強分布，X、Y方向最小位置測量分辨率可達1.5 μm、1.4 μm。該探測器能夠對光斑位置相關重要信息進行快速及時的測量，為實驗用光提供及時診斷和指導，進而滿足同步輻射實驗的用光要求。