CN102610478B - 一种带电粒子束测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带电粒子束测量装置，所述测量装置包括阵列绝缘板、多个带电粒子收集单元、总电荷收集板、绝缘垫、外筒和后盖，阵列绝缘板上设有多个带电粒子收集单元和总电荷收集板，带电粒子收集单元和总电荷收集板均有一个贯穿整个阵列绝缘板的导电通道，任意两个带电粒子收集单元之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与总电荷收集板之间电绝缘。本发明的带电粒子束测量装置含有一个由多个带电粒子收集单元构成的阵列，根据各个不同位置带电粒子收集单元收集的电荷强弱，可以测量脉冲或直流带电粒子束的位置和轮廓。
Description
技术领域
本发明属于离子束测量技术领域，具体涉及一种带电粒子束测量装置，可以测量脉冲带电粒子束特征的装置，特别是关于一种脉冲带电粒子束位置和轮廓的测量装置。
背景技术
带电粒子束可分为离子束和电子束，带电粒子束产生装置在工业生产和科学研究领域中被广泛应用，如各种粒子加速器、同位素分离器、热核装置、质谱仪、离子空间推进器、离子加工等都要用到带电粒子束产生装置。
带电粒子束位置和轮廓的测量在很多领域中显得非常重要，使用带电粒子束位置和轮廓的测量装置可以确定带电粒子束的位置和轮廓，可以提高带电粒子束的使用效率。利用金属导体的导电性将带电粒子束的电荷收集导走并测量是获取带电粒子束束流的有效方法。现有的带电粒子收集装置中，常使用的是一种法拉第筒（Faraday Cup），或称法拉第杯装置。法拉第筒是以从地面对通过其中的每一个带电粒子提取电子的方式来测量离子束电流。是一个传统的带电粒子束束流强度测量装置，在带电粒子束产生装置的束流强度归一化测量、探测器标定等方面起到了重要作用。但是现有结构的法拉第筒结构过于简单，对带电粒子束位置的测量效果不够灵敏，尤其是对脉冲带电粒子束的测量。公开号为CN200680004939.9的专利提出了一种离子束测量装置与方法，该方法可以测量离子束的电流，但不能给出束流的位置和轮廓信息。公开号为CN200710175964.X的专利提出了一种精确测量离子束束斑宽度的检测系统及方法，该方法需要通过移动法拉第杯反复扫描来测量离子束，但脉冲带电粒子束通常快于微秒量级，机械移动的时间步长跟不上，该方法不适合用于脉冲带电粒子束的测量。公开号为CN200880014181.6的专利一种用于确定离子束轮廓的方法和系统，该方法采用机械运动的挡板阻挡离子束横截面区域，通过对离子束的测量给出离子束的轮廓，同样，该方法采用了机械运动也不适合用于脉冲带电粒子束的测量。这些专利中所涉及到的带电粒子束测量方法主要是用于稳定的带电粒子束的测量，不能有效测量强度快速变化的脉冲带电粒子束，对脉冲带电粒子束位置的测量效果不够灵敏。
发明内容
针对现有结构的法拉第筒结构过于简单，对脉冲带电粒子束位置的测量效果不够灵敏，不能给出束流轮廓的不足，本发明提供一种带电粒子束测量装置。
本发明的一种带电粒子束测量装置，其特点是，所述的带电粒子束测量装置包括阵列绝缘板、带电粒子收集单元、总电荷收集板、绝缘垫、外筒和后盖。其中，外筒前端设置有开口端，外筒后端设置有阵列绝缘板、带电粒子收集单元、总电荷收集板、绝缘垫和后盖。阵列绝缘板上设置有多个带电粒子收集单元和一个总电荷收集板，各带电粒子收集单元与总电荷手集板之间有一间隙，带电粒子收集单元、总电荷收集板与阵列绝缘板三者是相互咬合连接构成探测板。探测板与外筒之间设置有一个绝缘垫，后盖与外筒连接用于固定探测板。所述开口端的中心轴线与阵列绝缘板的中心轴线重合。阵列绝缘板和绝缘垫均为电绝缘体，带电粒子收集单元、总电荷收集板和外筒均为电导体，带电粒子收集单元和总电荷收集板均有一个贯穿整个阵列绝缘板的导电通道，任意两个带电粒子收集单元之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与总电荷收集板之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与外筒之间电绝缘，总电荷收集板与外筒之间电绝缘。
所述带电粒子收集单元的数量为多个，多个带电粒子收集单元构成一个阵列，多个带电粒子收集单元和总电荷收集板用于同时收集电荷。
本发明的带电粒子束测量装置所述外筒、带电粒子收集单元和总电荷收集板的材料为黄铜；阵列绝缘板为高分子合成树脂或陶瓷；绝缘垫为特氟龙。多个带电粒子收集单元和总电荷收集板和阵列绝缘板的结构通过印制电路板的焊盘、过孔、表面敷铜等制造工艺实现。外筒和探测板可设计为各种不同规格，以满足不同的测试要求。外筒的开口端为锥形口，外筒的内径大于开口端的直径，也大于阵列绝缘板的外径，形成一个空腔，外筒长度不小于开口端直径的两倍。带电粒子收集单元可以为矩形、正六边形、圆形、扇形，多个带电粒子收集单元贯穿阵列绝缘板构成的阵列可以为矩形、正六边形、环形对称、中心对称阵列。外筒在测量时接地，多个带电粒子收集单元和总电荷收集板贯穿阵列绝缘板后，连接电缆贯穿电流环接地或通过放大器转换为电压信号，使用示波器实时测量。
本发明的带电粒子束测量装置的测量过程是：当带电粒子束从外筒的开口端进入，并沿外筒的轴线方向入射时，电荷分别被多个带电粒子收集单元和一个总电荷收集板收集并通过贯通阵列绝缘板的导电通道传导到阵列绝缘板另一面相连的多路电荷信号测量系统，各个阵列点收集的电荷形成的电流信号在同一时刻存在强弱差异，从而可以测量出该时刻带电粒子束的位置和轮廓。若带电粒子束为强度随时间变化的脉冲束，同样可以有效的测量出每个时刻带电粒子束的位置和轮廓及其变化过程。
本发明的带电粒子束测量装置的阵列绝缘板上设置有多个带电粒子收集单元和一个总电荷收集板，各带电粒子收集单元与总电荷收集板之间有一间隙，带电粒子收集单元、总电荷收集板与阵列绝缘板三者是相互咬合连接构成探测板，带电粒子收集单元的数量多于一个，构成一个阵列，任意两个带电粒子收集单元之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与总电荷收集板之间电绝缘，多个带电粒子收集单元和总电荷收集板可同时对带电粒子束所带电荷进行收集。通过同时测量阵列中不同位置带电粒子收集单元收集到电荷形成电流信号的强弱，可以得出直流或脉冲带电粒子束的位置及其变化过程，还可以得出直流或脉冲带电粒子束的轮廓及其变化过程。
附图说明
图1是本发明的带电粒子束测量装置的剖面图；
图2是本发明中的探测板的剖视图；
图3（a）是本发明中的由圆形带电粒子收集单元构成的环形对称阵列探测板的正面布局示意图；
图3（b）是本发明中的由圆形带电粒子收集单元构成的环形对称阵列探测板的反面布局示意图；
图4（a）是本发明中的由正六边形带电粒子收集单元构成的正六边形阵列探测板的正面布局示意图；
图4（b）是本发明中的由正六边形带电粒子收集单元构成的正六边形阵列探测板的反面布局示意图；
图5（a）是本发明中的由矩形带电粒子收集单元构成的矩形阵列探测板的正面布局示意图；
图5（b）是本发明中的由矩形带电粒子收集单元构成的矩形阵列探测板的反面布局示意图；
图6（a）是本发明中的由扇形带电粒子收集单元构成的中心对称阵列探测板的正面布局示意图；
图6（b）是本发明中的由扇形带电粒子收集单元构成的中心对称阵列探测板的反面布局示意图；
图中，1.外筒 2.绝缘垫 3.阵列绝缘板 41.带电粒子收集单元Ⅰ 42.带电粒子收集单元Ⅱ 43.带电粒子收集单元Ⅲ 44.带电粒子收集单元Ⅳ 45.带电粒子收集单元Ⅴ 5.总电荷收集板 6.后盖。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明的带电粒子束测量装置的剖面图。图2是本发明中的探测板的剖视图。图3（a）是本发明中的由圆形带电粒子收集单元构成的环形对称阵列探测板的正面布局示意图，图3（b）是本发明中的由圆形带电粒子收集单元构成的环形对称阵列探测板的反面布局示意图。在图1-图3中，本发明的一种带电粒子束测量装置包括阵列绝缘板3、带电粒子收集单元、总电荷收集板5、绝缘垫2、外筒1和后盖6。其中，外筒1前端设置有开口端，外筒1后端设置有阵列绝缘板3、带电粒子收集单元、总电荷收集板5、绝缘垫2和后盖6；阵列绝缘板3上设置有多个带电粒子收集单元和一个总电荷收集板5，在本实施例中，设置有多个带电粒子收集单元，带电粒子收集单元Ⅰ41、带电粒子收集单元Ⅱ42、带电粒子收集单元Ⅲ43、带电粒子收集单元Ⅳ44、带电粒子收集单元Ⅴ45是其中的五个。各带电粒子收集单元与总电荷收集板5之间有一间隙，带电粒子收集单元、总电荷收集板5与阵列绝缘板3三者是相互咬合连接构成探测板；探测板与外筒1之间设置有一个绝缘垫2，后盖6与外筒1连接用于固定探测板；所述开口端的中心轴线与阵列绝缘板3的中心轴线重合；阵列绝缘板3和绝缘垫2均为电绝缘体，带电粒子收集单元、总电荷收集板5和外筒1均为电导体，带电粒子收集单元和总电荷收集板5均有一个贯穿整个阵列绝缘板3的导电通道，任意两个带电粒子收集单元之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与总电荷收集板5之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与外筒1之间电绝缘，总电荷收集板5与外筒1之间电绝缘。
本实施例中，本发明中的外筒1、带电粒子收集单元和总电荷收集板5的材料为黄铜，阵列绝缘板3为高分子合成树脂，绝缘垫2为特氟龙，多个带电粒子收集单元和总电荷收集板5和阵列绝缘板3的结构通过印制电路板的焊盘、过孔、表面敷铜等制造工艺实现，外筒1的开口端为锥形口，外筒1长度为开口端直径的两倍，带电粒子收集单元为圆形，多个带电粒子收集单元贯穿阵列绝缘板3构成的阵列为环形对称阵列，探测板为圆形，外筒1在测量时接地，多个带电粒子收集单元和总电荷收集板5收集的电荷贯穿流过阵列绝缘板3后的电流信号通过放大器转换为电压信号，使用示波器实时测量。
本发明中的带电粒子收集单元的数量多于一个，多个带电粒子收集单元构成一个阵列，多个带电粒子收集单元和总电荷收集板5用于同时收集电荷。
本发明的电荷收集单元的数量多于一个，形成阵列，通过同时测量阵列中不同位置带电粒子收集单元收集到电荷形成电流信号的强弱，可以得出直流或脉冲带电粒子束的位置及其变化过程，还可以得出直流或脉冲带电粒子束的轮廓及其变化过程。
实施例2
图4（a）是本发明中的由正六边形带电粒子收集单元构成的正六边形阵列探测板的正面布局示意图，图4（b）是本发明中的由正六边形带电粒子收集单元构成的正六边形阵列探测板的反面布局示意图。本实施例中，本发明的带电粒子束测量装置与实施例1的结构基本相同，不同之处是，如图4（a）、图4（b）所示，带电粒子收集单元的形状是正六边形，带电粒子收集单元构成的阵列是正六边形阵列。
实施例3
图5（a）是本发明中的由矩形带电粒子收集单元构成的矩形阵列探测板的正面布局示意图，图5（b）是本发明中的由矩形带电粒子收集单元构成的矩形阵列探测板的反面布局示意图。本实施例中，本发明的带电粒子束测量装置与实施例1的结构基本相同，不同之处是，如图5（a）、图5（b）所示，带电粒子收集单元的形状是矩形，带电粒子收集单元构成的阵列是矩形阵列。
实施例4
图6（a）是本发明中的由扇形带电粒子收集单元构成的中心对称阵列探测板的正面布局示意图，图6（b）是本发明中的由扇形带电粒子收集单元构成的中心对称阵列探测板的反面布局示意图。本实施例中，本发明的带电粒子束测量装置与实施例1的结构基本相同，不同之处是，如图6（a）、图6（b）所示，带电粒子收集单元的形状是扇形，带电粒子收集单元构成的阵列是中心对称阵列。
Claims (2)
1.一种带电粒子束测量装置，其特征在于：所述的带电粒子束测量装置包括阵列绝缘板（3）、带电粒子收集单元、总电荷收集板（5）、绝缘垫（2）、外筒（1）和后盖（6）；其中，外筒（1）前端设置有开口端，外筒（1）后端设置有阵列绝缘板（3）、带电粒子收集单元、总电荷收集板（5）、绝缘垫（2）和后盖（6）；阵列绝缘板（3）上设置有多个带电粒子收集单元和一个总电荷收集板（5），各带电粒子收集单元与总电荷收集板（5）之间有一间隙，带电粒子收集单元、总电荷收集板（5）与阵列绝缘（3）板三者是相互咬合连接构成探测板；探测板与外筒（1）之间设置有一个绝缘垫（2），后盖（6）与外筒（1）连接用于固定探测板；所述开口端的中心轴线与阵列绝缘板（3）的中心轴线重合；阵列绝缘板（3）和绝缘垫（2）均为电绝缘体，带电粒子收集单元、总电荷收集板（5）和外筒（1）均为电导体，带电粒子收集单元和总电荷收集板（5）均有一个贯穿整个阵列绝缘板（3）的导电通道，任意两个带电粒子收集单元之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与总电荷收集板（5）之间电绝缘，任意一个带电粒子收集单元与外筒（1）之间电绝缘，总电荷收集板（5）与外筒（1）之间电绝缘。
2.根据权利要求1所述的带电粒子束测量装置，其特征在于：所述带电粒子收集单元的数量为多个，多个带电粒子收集单元构成一个阵列。
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