CN101470208A - 一种脉冲电子加速器纳皮安电子束流测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种脉冲式电子加速器纳皮安电子束流测量系统，涉及一种电子加速器脉冲电子束流测量系统，关特别涉及到毫秒脉冲的纳皮安(10^－12～10^－9A/cm²)微束流测量，属于电子辐射环境地面模拟与测试领域。本发明由新型斜底面法拉第筒、三同轴电缆和纳皮安级电流放大器组成，测量结果可通过示波器或数据采集卡获取。其斜底面法拉第筒电子收集系统解决了高能电子(MeV)的收集效率问题，提高了收集效率；采用三同轴电缆有效降低了电磁场干扰；纳皮安级电流放大器解决了电子辐照条件下稳定的电流线形放大问题，将微弱电流信号转换为电压信号，便于示波器或数据采集卡等获取数据。本发明解决了纳皮安脉冲电子束流的测量问题，保证了测量的准确性、实时性和易用性。

Description

一种脉冲电子加速器纳皮安电子束流测量系统

技术领域

本发明涉及一种电子加速器脉冲电子束流测量系统，关键涉及到毫秒脉冲的纳皮安(10^-12～10^-9A/cm²)微束流测量，属于电子辐射环境地面模拟与测试领域。

背景技术

空间高能电子所引发的介质深层带电对地球同步轨道、极轨道飞行器以及各种深空探测飞行器的工作安全性和可靠性带来了严重的威胁，进行相关的地面模拟和评价是航天器辐射防护不可缺少的一部分。目前工业和科研用电子加速器束流密度在μA/cm²量级，一般认为在空间诱发卫星内带电的高能电子束流密度在pA/cm²量级，而目前国内还缺乏对电子加速器模拟空间电子环境时微弱束流测试系统的研究。

法拉第筒、罗科夫斯基线圈、壁电流探测器、磁探针等都是常见的辐射束流测量方法。一般用于加速器束流测量时壁电流探测器、束流积分器和磁感应线圈法等测量范围都在nA-A量级，核物理实验中的金硅面垒和锂漂移半导体探测器测量的最大流强为10^-14A，而法拉第探测器是最常用的束流流强测量仪器，具有结构简单、测量范围宽的特点，由于受到带电粒子在空气中电离、二次电子发射和电磁干扰等多种因素的影响一般测量范围仅在nA～kA量级。2000年，西北核技术研究所通过合理设计法拉第筒，并选用6517A高阻计和低噪声三同轴屏蔽电缆搭建了pA级质子束流测试系统，弥补了10^-13～10^-9A/cm²质子束流强度测试的空档。但是该方法并不能适用于脉冲式电子束流的测量，主要原因是质子与电子能量范围不同，对物质作用规律也不同，因而电子收集原理和方法及设计也不同，而且其质子束流为恒定信号，相应的系统不能用于脉冲信号的测量。探测效率是对法拉第筒设计的基本要求，对电子束流而言，前者主要是抑制二次电子发射，如施加抑制电压或磁场，或者法拉第筒采用筒型而不是平板型。

发明内容

本发明目的是提供一种脉冲式纳皮安电子束流的实时、高精度和易用的测量系统。

本发明的技术方案

本发明由新型斜底面法拉第筒、三同轴电缆和纳皮安级电流放大器组成，测量结果可通过示波器或数据采集卡获取。其斜底面法拉第筒电子收集系统解决了高能电子(MeV)的收集效率问题，提高了收集效率；采用三同轴电缆有效降低了电磁场干扰；纳皮安级电流放大器解决了电子辐照条件下稳定的电流线形放大问题，将微弱电流信号转换为电压信号，便于示波器或数据采集卡等获取数据。本发明解决了纳皮安脉冲电子束流的测量问题，保证了测量的准确性、实时性和易用性。

本发明包括脉冲式电子加速器、真空室、斜底面法拉第筒、三同轴电缆、弱电流放大器、示波器、压板、绝缘膜、屏蔽铝箔、内筒、保护筒、内筒底、屏蔽筒、螺栓、固定块、收集极、垫块、保护极、固定座、底座。

在电子加速器的真空室内，将斜底面法拉第筒置于的样品台上，微弱电流放大器盒置于样品台侧，避免直接受到电子辐照，将斜底面法拉第筒引出的三同轴电缆与弱电流放大器相连，弱电流放大器的电源与真空室壁相应的电源针孔相连，弱电流放大器输出端与真空室壁引出针相连；在真空室外，将弱电流放大器输出对应信号用三同轴电缆引至控制间的示波器输入端，弱电流放大器电源与试验室电源相连；法拉弟筒与弱电流放大器通过三同轴电缆相连。

斜底面法拉第筒底部采用表面与筒轴线夹角大于0°且小于90°的斜面。

放大器输出信号可以与数字示波器或数据采集卡相连，显示电压信号或将其保存为数据文件。

本测试系统工作流程为：

第一步，开启电子加速器的真空系统，使其真空度优于10^-3Pa；

第二步，接通示波器和放大器电源，获取束流测量系统的本底噪声，确保系统噪声在可接受范围内；

第三步，调整电子加速器束流和能量参数，达到试验要求参数后依次开启加速器的各个部分，使其进入工作状态；

第四步，在示波器上调整获取脉冲电流波形，监测电压脉冲信号变化，并保存相应的数据文件；

第五步，取法拉第筒的收集面积为A(cm²)，放大器的放大倍数为K(V/A)，电压脉冲信号瞬时大小为U(V)，那么根据如下关系式计算实际电子束流：

J(t)＝U(t)/(KA)

第六步，根据需要进一步计算脉冲束流的平均值。设所记录数据的时间长度为T秒，那么平均值的数值积分计算公式为：

$\stackrel{\‾}{J}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}J\left(t\right)\mathrm{dt}$

本发明可根据需要监测任意时刻束流大小和任意时间段内的束流波形，获取其瞬时值、峰-峰值和平均值等。

本发明的有益效果为：

①提出的新型斜底面法拉第筒结构，能够有效提高高能电子收集效率。例如对2.5MeV能量电子任意方向入射，高径比为3的铝制法拉弟筒，考虑材料的二次电子发射和背散射电子发射，采用平铝板时电子逸出率可高达37.1％，采用相同高度的平底面法拉第筒逸出率为3.5％，斜底面法拉第筒为0.95％；

②采用三同轴电缆，可有效解决了工业加速器工作环境中强烈的电磁场干扰问题，而不采用的环境噪声电流信号在nA量级以上，完全淹没了被测信号；

③选用放大倍数高达10¹⁰V/A的电流放大器，解决了10^-12A级电流信号至10mV电压信号的放大问题，放大器截止频率为1kHz，满足脉冲束流测量的需要。

④考虑到2.5MeV能量电子在铝中的射程为4.85mm，选用的放大器电路置于壁厚大于5mm的铝盒中，可以有效降低2.5MeV能量以下电子辐照对放大电路的影响；将其置于真空室中可以大大缩短与斜底面法拉第筒之间的电缆连线，避免干扰影响。

本发明解决了纳皮安脉冲电子束流的测量问题，提高了测量精度，测量过程简便易行。

附图说明

图1—本发明电子束流测试系统示意图；

图2—本发明斜底面法拉第筒示意图；

图3—倾角为26°时的法拉第筒电子收集效率；

图4—ILU-6电子加速器真空室束流测量本底噪声；

图5—ILU-6电子加速器1MeV-10mA-25Hz束流脉冲；

图中：1—脉冲式电子加速器、2—真空室、3—斜底面法拉第筒、4—三同轴电缆、5—弱电流放大器、6—示波器、7—压板、8—绝缘膜、9—屏蔽铝箔、10—内筒、11—保护筒、12—内筒底、13—屏蔽筒、14—螺栓、15—固定块、16—收集极、17—垫块、18—保护极、19—固定座、20—底座。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例

本发明包括脉冲式电子加速器1、真空室2、斜底面法拉第筒3、三同轴电缆4、弱电流放大器5、示波器6、压板7、绝缘膜8、屏蔽铝箔9、内筒10、保护筒11、内筒底12、屏蔽筒13、螺栓14、固定块15、收集极16、垫块17、保护极18、固定座19、底座20。系统的连接关系为：在电子加速器1的真空室2内，将斜底面法拉第筒3置于的样品台上，微弱电流放大器5盒置于样品台侧，避免直接受到电子辐照，将斜底面法拉第筒3引出的三同轴电缆4与弱电流放大器5相连，弱电流放大器5的电源与真空室2壁相应的电源针孔相连，弱电流放大器5输出端与真空室2壁引出针相连；在真空室2外，将弱电流放大器5输出对应信号用三同轴电缆4引至控制间的示波器6输入端，弱电流放大器5电源与试验室电源相连；法拉弟筒与弱电流放大器通过三同轴电缆相连。

如图1所示，被测量对象为电子加速器1的真空室2内样品台上的电子束流大小，束流被转换为电压信号输出到示波器6上。

选择的电子加速器1型号为俄罗斯制造的ILU-6，设定加速器的工作参数为：电子能量为1MeV，总电子电流为10mA，脉冲频率为25Hz。

将图2所示斜底面法拉第筒3的装配图进行机械加工，关键尺寸入射孔直径取为20mm，面积为π(cm²)。入射孔径的选取原则是：较大的面积提高了微放大器5的输入电流，使其放大倍数减小，但是却降低了束流密度测量的分辨率；反之则对微电流放大器5的放大倍数要求较高，需要在分辨率和可购买到的放大器之间权衡。由后面的结果，即微放大器5的放大倍数取出厂设定值10⁶V/A，而被测量为420nA/cm²可知，如果入射孔径为5mm，面积为0.2(cm²)，那么示波器上的电压就是10⁶×420×10^-9×0.2＝84mV，而面积为π时则示波器上的电压为1.325V，显然后者比前者易于观察(示波器)或获取(数据采集卡)。

倾角取26°，其收集效率曲线如图3所示，这里取高径比为3.5，收集效率为0.446％。

三同轴电缆4选用美国Keithly公司的SC-22电缆，接头选用CS-630和CS-631。

微电流放大器5选购了一种放大器为OPA128芯片、两级放大的集成电路板，最大放大倍数为10¹⁰V/A，这里设定其放大倍数为出场设定：10⁶V/A，将其置于5mm厚封闭铝制方盒中。

示波器6采用TEK公司TDS3032B作为信号输出。

系统本底噪声和束流测量结果分别如图4和5所示。图4为束流测量系统的背景噪声，其脉冲幅值小于1mV。图5为脉冲波形，其中束流对应电压最大值为1.325V，那么束流最大值为：

J＝1.325/(10⁶×3.1416)＝420nA/cm²

本发明包括但不局限于本实施方式，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何修改、删加，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电于加速器脉冲纳皮安电于束流测量装置，包括脉冲式电于加速器(1)、真空室(2)、斜底面法拉第筒(3)、三同轴电缆(4)、弱电流放大器(5)、示波器(6)、压板(7)、绝缘膜(8)、屏蔽铝箔(9)、内筒(10)、保护筒(11)、内筒底(12)、屏蔽筒(13)、螺栓(14)、固定块(15)、收集极(16)、垫块(17)、保护极(18)、固定座(19)、底座(20)，其特征在于：在电子加速器(1)的真空室(2)内，将斜底面法拉第筒(3)置于的样品台上，微弱电流放大器(5)盒置于样品台侧，避免直接受到电子辐照，将斜底面法拉第筒(3)引出的三同轴电缆(4)与弱电流放大器(5)相连，弱电流放大器(5)的电源与真空室(2)壁相应的电源针孔相连，弱电流放大器(5)输出端与真空室(2)壁引出针相连；在真空室(2)外，将弱电流放大器(5)输出对应信号用三同轴电缆(4)引至控制间的示波器(6)输入端，弱电流放大器(5)电源与试验室电源相连；法拉弟筒与弱电流放大器通过三同轴电缆相连。

2.根据权利要求1的纳皮安电子束流测量系统，其特征在于：斜底面法拉第筒底部采用表面与筒轴线夹角大于0°且小于90°的斜面。

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