CN103984002A - 含混合离子束流的h+离子截面信号采集系统和方法 - Google Patents

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彭宇飞
龙继东
王小胡
杨振
蓝朝晖
董攀
李�杰
何佳龙
王韬
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Abstract

含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统和方法，涉及高能物理技术，本发明的系统包括：沿光路顺次设置的离子源和闪烁体、光学透镜、分幅相机；离子源和闪烁体位于真空腔中，离子源固定设置于离子源固定体，闪烁体固定设置于靶材固定体，离子源固定体和靶材固定体具有电能接口；所述闪烁体靠近离子源的一侧表面设置有金属膜。本发明的有益效果是，同时具备杂质重离子成分过滤和时间-空间分辨的H+束流截面诊断能力、能有效降低高压下绝缘击穿的危险并真实模拟近靶表面环境电场。

Description

含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统和方法
技术领域
本发明涉及高能物理技术，特别涉及带电粒子加速器束流诊断领域。
背景技术
离子截面测量是带电粒子加速器中最重要的束流诊断内容之一。从储氢电极真空弧放电离子源加速引出的离子束是一种含H+混和离子束流，其中还含有大量的多种电荷态金属离子等杂质离子成分。对于H+离子和靶相互作用的研究，需要实时诊断H+离子的束流截面分布，屏蔽杂质离子的干扰。
闪烁体，分为无机闪烁体和有机闪烁体，是一种常用的离子探测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以直接测量混合离子束中H+成分的束流截面的信号采集系统和方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，包括：
沿光路顺次设置的离子源和闪烁体、光学透镜、分幅相机；离子源和闪烁体位于真空腔中，离子源固定设置于离子源固定体，闪烁体固定设置于靶材固定体，离子源固定体和靶材固定体具有电能接口；所述闪烁体靠近离子源的一侧表面设置有金属膜。
光学透镜设置于真空腔的腔壁，分幅相机设置于真空腔以外。离子源和闪烁体、光学透镜、分幅相机沿直线光路设置，闪烁体垂直于直线光路，所述光学透镜为凸透镜。闪烁体为无机闪烁体，衰减时间在30ns-300ns之间；闪烁体厚度为0.5～3mm，直径在10mm-40mm范围内。
金属膜为镀于闪烁体表面的金属镀膜，与靶外筒电连接。
所述金属膜材质为Ti或Al。所述离子源固定体为离子源外筒，所述靶材固定体为靶外筒和其内的第一固定环、第二固定环。
本发明的含混合离子束流的H+离子截面信号采集方法包括下述步骤：
1)真空环境下，离子源中的混合离子以高压电场引出和加速，轰击到带有金属膜的闪烁体上，产生荧光；
2)分幅相机接收荧光，形成图像信号。
所述闪烁体厚度大于H+离子的计算穿透深度。所述分幅相机具有信号传输接口。
本发明的有益效果是，同时具备杂质重离子成分过滤和时间-空间分辨的H+束流截面诊断能力、能有效降低高压下绝缘击穿的危险并真实模拟近靶表面环境电场。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
其中，1为真空腔，2为离子源，3为离子源外筒，4为加速间隙，5为从离子源2中引出的混合离子在加速间隙中被加速形成的混合离子束流，6为靶外筒，7为闪烁体表面的金属膜，8为闪烁体，9为光学透镜，10为离子沉积在闪烁体中发出的荧光，11为分幅相机，12为分幅相机和计算机之间的电缆，13为数据采集计算机。
图2为镀膜闪烁体的结构示意图。其中7为金属镀层，8为闪烁体，23为杂质离子束，24为H+离子束，25为第一固定环，26为第二固定环，25和26是用于固定闪烁体的金属部件。d1为镀膜厚度，d2为闪烁体厚度。
具体实施方式
本发明提供了一种含H+混合离子束中H+成分束截面时空分布的测量方法及系统，可以直接测量混合离子束中H+成分的束流截面，从而更精确地设计束流光学，研究H+束流对金属靶的损伤行为和次级粒子特征。
本发明的测量系统由镀膜闪烁体及其固定部件、光学透镜、分幅相机，还可以包括连接到分幅相机的计算机。混合离子束流在强电场下从真空弧等离子体中被引出、加速并轰击金属靶，用于产生次级粒子或者金属材料表面损伤研究。
闪烁体-光电采集的方法，非常适用于诊断高电场环境和靶高电位情形下的束流截面分布诊断。由于不同离子在闪烁体中的沉积深度不同，相同加速电压下引出离子质量越轻，其穿透深度越大。在闪烁体表面镀上一定厚度的金属膜，将杂质离子沉积在金属膜中，H+透过金属膜沉积在闪烁体中激发出荧光，荧光强度的时空分布反映了H+束流的强度特征。通过分幅相机测量镀膜闪烁体荧光强度的时间-空间分布，获得含H+混合离子束中纯H+成分束截面时空分布信息、结合流强测量结果，用于研究H+束流对金属靶的损伤行为和次级粒子特征。
由于闪烁体一般为绝缘体或者半导体，在束流轰击和强电场环境下会产生电荷累积和二次电子发射，导致高压击穿。闪烁体表面镀上一定厚度的均匀导电金属膜层，可以有效降低闪烁体的表面电阻，避免电荷累积和二次电子发射，有效降低高压下绝缘击穿的危险。同时导电金属膜的电位确定了电边界，避免闪烁体的存在影响近靶电场分布。
闪烁体镀膜材料选择塑性较大，和闪烁体结合强度高的金属或合金，要求镀膜材料的热胀系数和闪烁体的热胀系数相近。镀膜的具体厚度针对不同粒子能量和杂质离子种类而不同，镀膜厚度设计以满足过滤杂质离子、膜层附着力学性能最佳和电阻最小为原则。
闪烁体镀膜层与靶外筒通过金属固定部件实现电连接，镀膜层与金属固定部件之间为环状压紧配合以减小接触电阻。
参见图1。离子源外筒3和靶外筒6之间存在高压静电场，离子源2产生的混合离子在电场作用下被引出、加速后轰击到带有金属膜7的闪烁体8上，产生荧光10，荧光经光学透镜9被分幅相机11接收与放大，经信号传输电缆12，由计算机13采集。
参见图2。杂质离子23沉积在金属膜7中，根据数值计算可以得到给定能量杂质离子在不同金属膜中的最大穿透深度，金属膜厚度d1应稍大于该穿透深度。动能相当的H+离子透过金属膜将沉积到闪烁体8中产生荧光，闪烁体厚度d2大于H+离子在闪烁体中的计算穿透深度。在满足力学性能的条件下，d2的厚度不宜太厚，避免闪烁体内光散射引起的模糊，实际采用闪烁体厚度为0.5mm-3mm，但不限于该范围。
闪烁体选用无机闪烁体,闪烁体的衰减时间常数应满足时间分辨的要求，对于脉冲宽度为1us-10us的离子束，闪烁体的衰减时间选择在30ns-300ns范围内。
闪烁体镀膜材料采用塑性较大，和闪烁体结合强度高的金属，如Ti、Al等金属，但不限于二者。对于100kV-150kV的离子加速电压，镀膜厚度在50nm-1000nm范围内，对其他加速电压值，则镀膜厚度不限于上述范围。在满足上述条件，并不影响离子发光强度的条件下，镀膜厚度需同时满足膜层附着力学性能最佳和电阻最小的原则。

Claims (10)

1.含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，包括：
沿光路顺次设置的离子源(2)和闪烁体(8)、光学透镜(9)、分幅相机(11)；离子源(2)和闪烁体(8)位于真空腔(1)中，离子源(2)固定设置于离子源固定体，闪烁体固定设置于靶材固定体，离子源固定体和靶材固定体具有电能接口；所述闪烁体(8)靠近离子源(2)的一侧表面设置有金属膜(7)。
2.如权利要求1所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，光学透镜(9)设置于真空腔(1)的腔壁，分幅相机(11)设置于真空腔(1)以外。
3.如权利要求1所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，离子源(2)和闪烁体(8)、光学透镜(9)、分幅相机(11)沿直线光路设置，闪烁体(8)垂直于直线光路，所述光学透镜为凸透镜。
4.如权利要求1所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，闪烁体为无机闪烁体，衰减时间在30ns-300ns之间；闪烁体厚度为0.5～3mm，直径在10mm-40mm范围内。
5.如权利要求1所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，金属膜(7)为镀于闪烁体表面的金属镀膜，与靶外筒(6)电连接。
6.如权利要求1所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，所述金属膜材质为Ti或Al。
7.如权利要求1所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集系统，其特征在于，所述离子源固定体为离子源外筒(3)，所述靶材固定体为靶外筒(6)和其内的第一固定环(25)、第二固定环(26)。
8.含混合离子束流的H+离子截面信号采集方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)真空环境下，离子源中的混合离子以高压电场引出和加速，轰击到带有金属膜的闪烁体上，产生荧光；
2)分幅相机接收荧光，形成图像信号。
9.如权利要求8所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集方法，其特征在于，所述闪烁体厚度大于H+离子的计算穿透深度。
10.如权利要求8所述的含混合离子束流的H+离子截面信号采集方法，其特征在于，所述分幅相机具有信号传输接口。
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