【半导光电】基于位置敏感半导体光电器件的同步辐射光斑位置检测

来源:客服发布时间:2021-01-121304浏览

孟楠，曾建荣，李中亮，边风刚

（中国科学院上海应用物理研究所上海201800）

（中国科学院上海高等研究院上海201204）

（中国科学院大学北京100049）

引言

同步辐射具有高亮度、准单色性、高准直、理想偏振等其他光源无法比拟的优点，被广泛应用于物理、化学、生物、材料、信息等领域［1］。同步辐射光在光束线传输过程中需要经过狭缝、单色器、反射镜等光学元件，光束线元件位置或姿态变化会引发样品处光斑漂移或强度变化。尤其是单色器第二晶体或反射镜角度的变化，这些器件距离样品较远，微小的角度偏差将会带来样品处光斑位置的较大变化。同步辐射实验通常需要对光斑位置、光斑尺寸、光通量的稳定性进行监测，以确保实验过程中获得可靠数据。随着科学研究发展，用户对于X射线空间分辨率的要求越来越高，各光束线光斑尺寸通常工作在微米量级的范围，光斑稳定性要求控制在光斑尺寸的百分之几以内。因此需要在光束线站中安装微米级甚至亚微米级分辨率的X射线位置探测器用于监测光束位置的变化。

同步辐射光束线常用的位置探测器（X-rayBeam Position Monitor，XBPM），采用光电转换的像素传感器来探测光束截面强度分布，或依据位置变化带来的光强分配来测量光束传输过程中的位置变化［2］。常见的XBPM有以下几种：丝扫描型［3‒4］、刀片强度分配型、薄膜散射型和发光靶型。丝扫描型的结构比较简单，其探针由石墨丝或耐高温金属丝制成，可实现一维探测。其原理是通过监测探针扫描光束时光电流变化对应扫描位置来检测光束，其分辨率可在1 µm左右。如果插入件间距没有发生改变，则不需要重新扫描就可以知道光束位置的变化［5］，可实时监测光束位置的变化［3］。刀片型探测器是由4片或两片电极材料探测光电流分配的变化。对单色光刀口插入光束中，可实现较高的分辨率［6］。其测量的光束的中心位置和位置变化通过间接推导获得［7］，往往需要经过标定才能得到绝对位置，并且刀片之间需要有一定的间距导致无法测量小光斑。薄膜型束流位置探测器是一种精度较高的位置探测器，数据处理后能够分辨光线位置微米级变化，但缺点是入射光束会被吸收［2］。发光靶型XBPM可以直接观察光靶上的光斑，其优势在于即时监测光斑的位置变化，缺陷是不具备数字化功能，无法获得光强分布与光斑尺寸，也无法获得光斑的稳定性信息。电荷耦合器件（Charge CoupledDevices，CCD）和互补型氧化物金属半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）两类图像传感器［8］也具有位置监测功能，然而CCD传感器缺陷在于多电压、高功耗、低速度［9］，并且不能探测光通量，通常不用于光斑位置监测。

综上所述，在同步辐射实验中，仍然缺少简便实用，且具有较高准确度的多功能位置探测器。一个功能是末端型的BPM，既可以测量光斑位置又可以较好地测量光强的装置，一种是光束穿透型的BPM，既能够观测到光束中心的位置，又不影响下游的实验用光。本文报告了第一种BPM的设计和实验数据。该末端型BPM有1D和2D的分类。一般是利用光电位置探测器（Position SensitiveDetector，PSD）来探测光束位置，位置分辨率较好，并可以测试X线的通量和光斑尺寸。

1原理及制作

1.1PSD原理及结构

PSD机理是半导体的横向光电效应，1957年Wallmark［10］首先提出利用这个现象监测光点位置。商用的PSD位置传感器结构如图1，其构造与PIN光电二极管类似［11］。利用p层的表面电阻特性，在p型层两端会得到一组正比于电极距离X1和X2的光电流输出信号IX1和IX2。IX1和IX2之和等于光束入射至PN结中产生电流I0。该特性可用式（1）和式（2）表达：

由式（3），通过测量电流IX1和IX2可以确定入射光斑距离探测器中点的距离XA，以此确定入射位置。

上述PSD原理可以推广至二维。常见的类型有：Duo-lateral型、Tetra-lateral型和Pin-cushion型。

Duo-lateral型PSD结构如图2所示，共有4个输出电极，X1、X2电极连接在上表面，Y1、Y2电极连接在下表面［11］。测试原理与一维PSD相同，定义光束出射方向为Z方向（垂直纸面向内），Duo-lateral型PSD可以同时探测光束的X和Y方向（X、Y、Z构成左手坐标系）的位置［11］，见式（4）、（5）。

Tetra-lateral型PSD结构如图3所示，共有4个输出电极且都连接在上表面［11］。相比于Duo-lateral型PSD，Tetra-lateral型PSD缺点是输出电极处在同一表面，电极之间相互作用导致边角处位置畸变增大。优点是容易施加反向偏压，暗电流小，响应速率高。其测量原理与Duo-lateral型PSD相同，通过式（4）、（5）计算入射光斑位置［11］。

Pin-cushion型PSD是Tetra-lateral型PSD的一种变形，结构如图4所示，共有4个输出电极且都连接在上表面［11］。相较于Tetra-lateral型PSD，Pincushion型PSD具有更大的活跃面积（Active Area），电极之间相互作用小，暗电流小，响应快速以及减少周长失真［11］。不同于Tetra-lateral型和Duo-lateral型

1.2PSD选型及结构设计

实验选用日本滨松生产的Pin-cushion型PSD S5991-01，S5991-01长（16.5±0.2）mm、宽（14.5±0.2）mm，探测面积9 mm×9 mm。S5991-01封装接线如图5（a）所示，S5991-01有10个接口，接口1、5、6、10分别对应输出电极X1、Y1、X2、Y2。接线完成之后两侧各有两个接口，每个接口对应一个电极，输出电极X2、Y2位于一侧，X1、Y1位于另一侧。将光电二极管及电路板封装在密闭的空间内，避免可见光的影响，利用6485型静电计（读数率1 000 Hz，电流测量范围20 fA~20 mA）测试器件暗电流，经测试，封装后探测器的暗电流数值为2.8×10−9A。

2实验设置

测试实验基于上海同步辐射装置（ShanghaiSynchrotron Radiation Facility，SSRF）X光学测试线（BL09B1）进行，该光束线专用于光束线设备及光学元件检测。测试光路和布局框图如图6（a）、（b）所示，探测器安装于距离光源40 m处，即距离单色器19 m，白光狭缝调整在XBPM上的光斑尺寸为6 mm×2 mm，调整单色器的布拉格角和双晶失谐角度输出不同能量、不同通量的光束用于探测器的测试。位置测量使用KOHZU公司制作的高精度运动X-Y平台组（单步长均小于等于2 μm），在10 keV条件下进行测试，同步辐射X光束经过光学系统后入射至探测器的光敏面，电机分别沿着X、Y方向移动，探测器将X光转换为光电流，对探测器4路光电流，用6485静电计采集后实时存储至计算机。