强辐射环境下IDS3010激光干涉测量
目前,同步辐射应用已经扩展到多种邻域中,如生物科技(蛋白质晶体),医药研究(微生物),工程应用(高分辨率裂缝演变成像),高级材料研究(纳米结构材料)。在纳米领域许多应用中,如透镜组,布拉格反射器,狭缝以及目标定位等都需要非常高的分辨率。机械结构需要高集成度,高稳定性,并且要减小温漂以及定位误差的影响。另外,运动部件的质量需要严格控制到最低,从而提高机械特性,并且减小位置误差。
针对以上讨论,这意味着编码必须在待测物附近,也就是说,编码器即使不是在X光或者粒子束中,也需要安置在辐射区内。
IDS3010激光干涉仪最大的特点是皮米级分辨率,兼容真空环境,并且在此类应用中,可以采用远程控模块。因此,IDS3010可以工作在强辐射环境下,也就是将干涉仪系统以及子系统安装在同步辐射光源或者束线附近,以及其他高辐射的环境中。
在目前的传感器选型中,“M12”传感器探头可以工作在高达10MGy的辐射环境下。这个研究主要针对这些新型传感器的耐辐射强度。实验主要工作在60Co源下(1.17 MeV / 1.33 MeV γ- and 0.31 MeV β-rays)。实验证明在3MGy辐射强度下传感头的读数没有明显偏差。在第二步骤测试中,对比传感器头放置在10MGy强辐射环境前后,对固定目标的测量值。对比结果为传感器所得目标值没有明显偏差。将两个UHV真空兼容M12传感头(一个是带AR膜透镜,一个是不带AR膜透镜),安装到聚酰亚胺光纤上,放置在1Gy/s辐射区域中。两个探测头都安装在铝支架上,实验过程中将会有20 nm/°C的温漂。为避免曝光情况,采用镀了金膜的耐辐射镜子,搭建3m反射腔。FPS3010控制器放置在探头测试腔体外,另一个带温控无辐射腔内。在整个测量周期内,腔内温度稳定性高于1℃。测试的最后,总累积量达3.024MGy。
图1:测试装置侧视图和俯视图。上图:侧视图。一个传感器安装在发射源轴向方向上;另一个传感器安装在发射源底下。发射源在辐射中间位置。下图:俯视图。真空法兰安装在下方,同样受到辐射影响。
测量
图2a显示在测试过程中,测得的位置值。编码器位置采样率为1kHz。在图中,每一个点为100次独立测量平均值。位置漂移观察周期为34天,采用镀膜传感器测量,3MGy累积量为150nm;未镀膜传感器3MGy累积量为400nm。由于信号保持性较好,所以测得位置值的不确定性(标准偏差)优于10nm。
在未镀膜传感器头,在累积总量达2MGy之后,漂移会略微增大(22.5天)。达到这点之后,可进行两个传感器头性能比较。图2b显示编码器(红线)以及控制器位置(蓝线)的温漂情况。整个周期中,温度漂移小于1℃。
图2:a)传感器头对比图(34天)。每个传感器位置值是100个样品测量值的平均值。b)编码器位置以及真空腔内控制器位置的温度值。
总结
完成了IDS3010激光位置传感器的两个M12传感器探头在强辐射环境下的测试。根据机械振动标准,机构和装置都是稳定的。在34天测量周期内位置值不确定性小于10nm。在整个周期内测量位置稳定在100nm之内。强辐射环境的工作能力将会带来新的应用和技术发展。在强磁环境,超高真空下,可实现聚焦镜,劳厄镜片等位移量的测量。测试由CERN完成,辐射测试则是在夫琅禾费实验室完成。