CN103616092B - 用于强流电子束能量沉积深度测量的薄片阵列式量热计 - Google Patents
用于强流电子束能量沉积深度测量的薄片阵列式量热计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的用于强流电子束能量沉积深度分布测量的薄片阵列式量热计，吸收电子束能量的薄片设计成了内半径沿轴向大小渐变的圆环形，两相邻薄片之间采用聚四氟乙烯环作为隔热材料，通过聚四氟乙烯螺钉将薄片和聚四氟乙烯环连接到石墨准直孔上，量热计末端开有透红外窗，在透红外窗外，通过红外相机拍摄薄片阵列的红外热辐射图像，并送入计算机进行图像数据处理，得到每层薄片上沉积的能量，给出所测电子束能量沉积深度分布。本发明解决了石墨薄片阵列量热计时间响应差，对薄片材料机械性能要求高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够实现强流电子束与物质相互作用时，电子能量在物质中所沉积的深度分布测量的薄片阵列式量热计，应用于电子束与物质相互作用研究领域。
背景技术
强流电子束与物质相互作用时，其能量在物质中沉积深度分布是一重要参数，为了得到这一参数，往往采用大小相同的薄片阵列式量热计结合热电偶来进行测量。其原理是：电子与量热计中的薄片阵列相互作用，能量沉积在每一个薄片中，转化为热能，通过热电偶将薄片的温度随时间的变化记录下来，反推沉积在薄片中的能量，实现强流电子束能量沉积深度分布的测量。在各种粒子束加速器中，这种方法得到了广泛的应用。
在陈克胜等所著的《电子束吸收剂量量热计》一文中有关于石墨薄片阵列量热计的介绍，简单介绍了石墨量热计的装置结构及在原子能研究院对约14MeV电子束能量沉积深度分布测量的结果，但是其并未说明采用大小相同的薄片阵列式量热计结合热电偶进行测量的缺点：
一是电子束的强度大，一般的材料都会因能量沉积过大而熔融、汽化，同时引起热-力学效应，导致材料的质量和能量损失，甚至破碎，会降低测量的准确度。
二是电子的能量低，在材料中的有效射程短。1MeV电子束在Al材料中的能量沉积深度峰值都在0.5mm以内，所以要想测出被辐照材料内的能量沉积分布，就必须使用相对于有效射程而言非常薄的测量元件。这就要求薄片材料既要足够薄，又要有较好的机械强度，成为了薄片量热计使用的一个很难调和的矛盾。
此外，热电偶通过热传导将信号传导至记录系统的时间要在秒量级上，而电子束能量沉积在薄片材料的时间达到了纳秒量级，相对其可以来说是瞬间的，因此这种热电偶这种接触性测量方法在时间响应上也存在一定的问题。
发明内容
为了解决石墨薄片阵列量热计时间响应差，对薄片材料机械性能要求高的问题，本发明提供了一种用于强流电子束能量沉积深度分布测量的薄片阵列式量热计。
用于强流电子束能量沉积深度测量的薄片阵列式量热计，包括依次设置在电子束入射轴线上的准直单元、吸热单元和量热单元；其特征在于：
所述准直单元为石墨准直孔；所述石墨准直孔的内径略大于电子束直径；
所述吸热单元包括多层吸热薄片、设置在两相邻吸热薄片之间的聚四氟乙烯环；所述多层薄片中的第一层吸热薄片为圆形薄片，其余吸热薄片为环形薄片；所述环形薄片的内径依次增大；
所述量热单元包括装置连接法兰、透红外窗、红外相机和计算机；所述装置连接法兰的一端密封固定在吸热单元的末端，其另一端与透红外窗密封连接；所述第一层吸热薄片、装置连接法兰和透红外窗构成真空腔体；
所述红外相机设置在透红外窗的后方，所述红外相机和计算机相连。
上述吸热薄片为石墨材料或石墨烯材料。
本发明优点：
本发明薄片阵列式量热计将薄片设计成内半径大小渐变的圆环形，便于采用非接触性，响应快的红外光学测量方法进行温度测量，既保留了薄片量热计测量电子束能量沉积深度分布的优点，也解决了热接触测量方法响应慢，薄片材料破碎后引入较大误差的问题，适用于强流电子束能量沉积深度分布测量。
如果测量时薄片材料在电子束作用下发生热-力学损伤，那么碎片产生位移的时间要在毫秒量级，由于红外相机的快门时间可达到纳秒量级以下，因此在薄片阵列发生损伤前就可以将测量数据得到，大大降低了量热计对薄片材料机械性能的依赖。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图中：1-石墨准直孔，2-聚四氟乙烯螺钉，3-装置连接法兰，4-窗内侧密封圈，5-透红外窗，6-窗外侧密封圈，7-窗法兰，8-六角螺钉螺母，9-聚四氟乙烯压环，10-吸热薄片。
具体实施方式
本发明提供的用于强流电子束能量沉积深度分布测量的薄片阵列式量热计，吸收电子束能量的吸热薄片设计成了内半径沿轴向大小渐变的圆环形，两相邻吸热薄片之间采用聚四氟乙烯环作为隔热材料，通过聚四氟乙烯螺钉将吸热薄片和聚四氟乙烯环连接到石墨准直孔上，量热计末端开有透红外窗，在透红外窗外，通过红外相机拍摄薄片阵列的红外热辐射图像，并送入计算机进行图像数据处理，得到每层吸热薄片上沉积的能量，给出所测电子束能量沉积深度分布。
石墨准直孔，聚四氟乙烯环，吸热薄片，透红外窗以及红外相机为同轴心设置，轴线沿着电子束进入方向。
图1是本发明的系统结构图。图中电子束沿轴向从石墨准直孔1一侧入射，透红外窗5外侧布置红外相机拍摄薄片阵列的红外热辐射图像，并送入计算机进行图像数据处理，得到每层吸热薄片上沉积的能量，给出所测电子束能量沉积深度分布。
图1中，本发明的用于强流电子束能量沉积深度分布测量的薄片阵列式量热计，吸收电子束能量的吸热薄片10设计成了内半径沿轴向大小渐变的圆环形，两相邻吸热薄片之间采用聚四氟乙烯环9作为隔热材料，通过聚四氟乙烯螺钉2将吸热薄片10和聚四氟乙烯环9连接到石墨准直孔1上，量热计末端开有透红外窗5，透红外窗5两侧分别压有窗内侧密封圈4和窗外侧密封圈6用于封真空，透过透红外窗5通过红外相机拍摄吸热薄片10阵列的红外热辐射图像，并送入计算机进行图像数据处理，得到每层吸热薄片10上沉积的能量，给出所测电子束能量沉积深度分布。
所述的石墨准直孔1、聚四氟乙烯环9、吸热薄片10、透红外窗5以及红外相机为同轴心设置，轴线沿着电子束进入方向。
本发明的主要安装过程是，在石墨准直孔1电子束入射的背面依次安装聚四氟乙烯压环9和吸热薄片10，装置连接法兰3，并用聚四氟乙烯螺钉2通过装置连接法兰3上的四个圆孔固定在石墨准直孔1上。再在装置连接法兰3的法兰面一端依次安装窗内侧密封圈4，透红外窗5，窗外侧密封圈6和窗法兰7，通过六个六角螺钉螺母8穿过装置连接法兰3和窗法兰7上的圆孔将内侧密封圈4，透红外窗5，窗外侧密封圈6压紧。
Claims (2)
1.用于强流电子束能量沉积深度测量的薄片阵列式量热计，包括依次设置在电子束入射轴线上的准直单元、吸热单元和量热单元；其特征在于：
所述准直单元为石墨准直孔；所述石墨准直孔的内径略大于电子束直径；
所述吸热单元包括多层吸热薄片、设置在两相邻吸热薄片之间的聚四氟乙烯环；所述多层吸热薄片中的第一层吸热薄片为圆形薄片，其余吸热薄片为环形薄片；所述环形薄片的内径依次增大；
所述量热单元包括装置连接法兰、透红外窗、红外相机和计算机；所述装置连接法兰的一端密封固定在吸热单元的末端，其另一端与透红外窗密封连接；所述第一层吸热薄片、装置连接法兰和透红外窗构成真空腔体；
所述红外相机设置在透红外窗的后方，所述红外相机和计算机相连。
2.根据权利要求1所述的用于强流电子束能量沉积深度测量的薄片阵列式量热计，其特征在于：所述吸热薄片为石墨材料或石墨烯材料。
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