基于荧光靶图像的单色光位置变化测量研究

发布时间：2020-07-19 12:02

【摘要】：同步辐射光是一种用途非常广泛的光源,可用于多种基础前沿学科的研究,同步辐射装置对于推动各学科发展发挥了重大作用。上海同步辐射装置总体性能位居国际前列水平,已在生命科学、凝聚态物理、材料科学、化学、能源与环境科学等学科的前沿基础研究和高新技术的研发领域取得了一些重要成果。在上海光源光束线站的各系统设备中,光束位置测量装置是其中非常重要的设备之一,它用于测量X射线的具体位置及其光斑大小。X射线的位置参数非常重要,它有利于实验站的正常工作,同时也可以用于光斑位置稳定的反馈控制系统,从而得到更加稳定的光束。上海光源目前有四种光束位置探测器:刀片式探测器、荧光靶探测器、四象限探测器以及丝扫描探测器,它们的测量原理、工作环境、测量精度等方面都各有不同,使用时可根据不同需求选取合适的探测器。荧光靶探测器是其中一种使用非常广泛的光束位置探测器,由于其方便直观的优点,在光束线的调试或诊断过程中有着重要的应用。但是已有荧光靶探测器在工作的时候,其靶片会完全遮挡光束,使X射线不能全部地继续向下游传播,势必会影响实验站的用光,因此,它就不能实现对X射线的实时位置测量。针对上海光源二期线站工程建设的需求,本文在传统荧光靶探测器的基础上对其使用方法做出改进,让探测器的荧光靶片不完全阻挡光束,只利用光斑的边缘部分打在荧光靶片上产生荧光来测量X射线的位置变化,这样一来既不会影响实验站的正常用光,又能够实现对光束位置的实时测量,还可以为实验用户提供实时的光斑位置的变化情况。这种类型的探测器在上海光源还是首次使用,估计可达到微米量级的测量分辨率,主要取决于图像采集系统的光学放大倍数和CCD的像素大小。论文首先从荧光靶探测器结构出发,根据荧光靶探测器的工作原理,提出了一种新的光斑位置实时测量方法,还分析了可行性,通过控制荧光靶探测器靶片的位置,使其处于同步辐射光的非用光区域,这样既不影响实验用光区的X射线向下游传播,又可利用光斑的边缘部分产生的荧光图像来测量其位置变化;再对得到的荧光靶图像进行分析处理,以计算光斑位置变化的大小,还对处理光斑图像所需的MATLAB软件的相关工具箱函数等进行了简单的介绍;最后根据光斑图像的特点提出了合适的图像处理方法,包括滤波降噪、拉普拉斯增强、图像分割等步骤,使之能准确计算出图像中光斑的位置变化,通过自定义的光斑高度平均值的变化从光斑图像中计算光斑的位置变化大小。传统的荧光靶测量光斑的位置变化只能达到毫米量级的分辨水平,采用荧光靶图像处理的方法测量光斑的位置变化可以达到微米量级;经过对不同光斑的多次模拟测试,验证了图像处理方法的准确性,进一步证明了荧光靶光束位置实时测量的可行性,为荧光靶探测器的高精度位置测量和实时位置反馈积累了经验。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O434.1
【图文】：

位置稳定性,射线,情况

是所有实验站正常工作的参考；同时 X 射线的位置稳定性也是因为只有在 X 射线位置稳定性满足要求的情况下，实验结果才是并且在有些实验中，本身对 X 射线位置稳定性要求就是非常高的位置的测量数据也可以作为反馈信号用来进一步控制光束位置的到更加稳定的光斑。所以说，设计一个准确可靠的 X 射线位置变十分必要的。，在国外的一些先进的同步辐射装置或自由电子激光装置中，对测量精度要求能达到亚微米水平，甚至更低。对 X 射线位置的测系统反馈控制获得的输出光斑越稳定，实验数据的质量也就越用效率也会相应得到提高。图 1.1 为日本的 SPring-8 光源利用他们统 MOSTAB[3]对 X 射线进行处理的结果。可以看出，在经过位置，X 射线的位置稳定性有了非常明显的改善。

示意图,位置探测,光束,系统结构

图 2.2 光束位置探测系统结构示意图Figure2.2 Schematics of the BPM system上海光源现在用于光束位置测量的探测器主要有四种：刀片式探测器、丝扫描探测器、四象限探测器和荧光靶探测器[12]。虽然它们是根据不同的原理制作而成，并且都有各自适用的范围，但都是用来测量光斑的位置形状或光强分布等信息的。本节先简单介绍前三种探测器的结构原理，对于与本课题密切相关的荧光靶探测器将在下节详细介绍。刀片式探测器(Blade Beam Position Monitor, BBPM)是一种测量精度非常高的光束位置测量装置，它主要是利用 X 射线打在成对称固定的刀片上，通过光电效应在刀片上会有电流产生，然后根据刀片上产生的光电流之比来计算光束的中心位置，其结构示意图如图 2.3 所示。它的优点是能工作在高功率密度和高热

示意图,扫描探测器,十字交叉,示意图

图 2.3 刀片式探测器结构示意图Figure2.3 Schematics of the BBPM测器(Wire-scanning Beam Position Monitor, WBPM)也测量光束位置的。当特殊材料的扫描丝置于 X 光之中，通过对光电流数据的处理就能计算出光斑的位置和器的扫描丝结构一般由两根丝组成，形状一般有十字扫描探测器的工作方式可知它不能对X射线的位置进造简单且工作稳定，也被大量应用于光束线的建设之型丝扫描探测器的工作原理示意图。

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