CN104965217B - 一种脉冲离子束截面图像的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲离子束截面图像的测量装置及方法，尤其是一种加速电压连续可调、脉冲为单次或脉冲频率可调的脉冲离子束截面图像的测量装置及方法。在测量装置的靶位置安装成像板，利用真空机组使测量装置中达到高真空，当测量装置的脉冲离子源放电时，阴极材料被电离，产生等离子体。当在引出极施加一个高压脉冲时，脉冲离子束被引出并打到成像板上。成像板在接收到脉冲离子束后，其中的灵敏层被激发，携带离子束分布的潜像。成像板从脉冲离子束截面图像测量装置中取出后，经成像分析仪释放强光使灵敏层退激，将其潜像转换为光学图像再转换为数字图像传输到计算机里，可方便地观测该图像的形状、定量测量束斑的横向尺寸和纵向尺寸。

Description

一种脉冲离子束截面图像的测量装置及方法

技术领域

本发明属于加速器技术领域，具体涉及一种脉冲离子束截面图像的测量装置及方法，尤其是加速电压可调、脉冲为单次或脉冲频率可调的脉冲离子束截面图像的测量装置及方法。

背景技术

脉冲加速器在核技术领域内有广泛的应用。脉冲中子管在无损检测和脉冲中子测井领域中有很重要的应用。脉冲加速器和脉冲中子管的工作原理是由脉冲离子源放电产生脉冲氘离子，脉冲氘离子经加速电极加速后打到氚靶上，形成氘氚聚变反应产生14MeV脉冲中子。脉冲离子束从离子源引出后，一部分打到靶上，由于离子发散的原因，另外一部分离子束会发散到管壁上或其它位置，称为散焦。通常希望打到靶上的脉冲离子多，而发散其它位置的脉冲离子少，因此，必须对脉冲离子束进行有效聚焦，聚焦效果必须通过离子束斑大小和形状进行测量和观测。在脉冲离子束流和氚靶相互作用过程研究中，也希望观测到脉冲离子束截面图像。飞行时间质谱仪是国际上普遍应用的化学分析仪器，在谱仪的制造过程中，也需要得到脉冲离子收集器的脉冲束斑和图像截面信息。

目前所有对脉冲离子束斑大小和形状进行测量和观测的方法都有明显不足：焦斑观测方法，需要大量离子束轰击金属材料产生烧死蚀痕迹，形成所谓焦斑。此方法需要离子束流强度大，重复次数多，因此不适用于脉冲离子束尤其是单次脉冲离子的观测；光栏和靶上束流测量法，需要在靶上和光栏上分别测量脉冲离子电流，此方法测量时间长，只能得到脉冲离子束分布，难以获得单次脉冲离子分布，也不能得到脉冲离子束截面图像；荧光靶测量方法虽然能够获得脉冲离子束截面图像，但放电过程产生的可见光也会在荧光靶上产生响应，因此截面图像准确度较差。本发明克服了上述方法的缺点，用成像板收集脉冲离子束，用激光扫描获得脉冲离子的截面图像；本发明解决了脉冲加速器或脉冲中子管束流截面图像观测的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种脉冲离子束截面图像的测量装置，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种脉冲离子束截面图像的测量方法，尤其是加速电压在可调、脉冲为单次或脉冲频率可调的脉冲离子束截面图像的测量装置及方法。

本发明的脉冲离子束截面图像的测量装置，其特点是，所述的装置包括离子源、石英玻璃管、成像板、铝衬板、调距螺杆、调距螺母、不锈钢法兰、加速电源、真空机组、成像分析仪、离子源脉冲电源、隔离变压器；

本发明的脉冲离子束截面图像的测量装置及方法的技术方案是，离子源和成像板都设置在石英玻璃管中，石英玻璃管通过管道与真空机组连接；铝衬板由调距螺母和调距螺杆固定在不锈钢法兰上，铝衬板和不锈钢法兰连接；成像板固定在在铝衬板上；加速电源的正极与离子源的引出端连接，加速电源负极与不锈钢法兰连接；离子源脉冲电源的公共端与离子源引出端连接，离子源脉冲电源正极与离子源阳极连接，离子源阳极与隔离变压器高压端连接；隔离变压器低压端与地连接。

所述的铝衬板和成像板为正方形或者圆形，成像板固定在铝衬板上，成像板与离子束流运行方向垂直。成像板与离子源引出口的间距可调。利用真空机组使测量装置中真空度达到5×10^-4Pa以上，当测量装置的脉冲离子源放电时，阴极材料被电离，产生等离子体。当在引出极施加一个高压时，脉冲离子束被引出并打到成像板上。成像板在接收到脉冲离子束后，其中的灵敏层被激发，携带离子束分布的潜像。成像板从脉冲离子束截面图像测量装置中取出后，经成像分析仪释放强光使灵敏层退激，将其潜像转换为光学图像再转换为数字图像传输到计算机里，可准确地观测该图像的形状、定量测量束斑横向和纵向的尺寸。

本发明的脉冲离子束截面图像的测量方法，依次包括以下步骤：

a) 在脉冲离子束截面图像的测量装置靶位置设置一个铝衬板,与脉冲离子束流方向垂直；

b) 开通加速电源，其高压值可调；

c) 启动离子源脉冲电源，输出的脉冲为单次或脉冲频率可调，离子源阴阳极间放电，产生脉冲电离，脉冲离子束被加速，并打到铝衬板上，示波器测量铝衬板上的电流波形，得到的波形须与离子源脉冲电源电流波形基本相同；

d) 关闭加速电源、关闭离子源脉冲电源，关闭真空阀并将实验装置放气达到正常大气压，把成像板固定在在薄铝衬板上，与离子束流方向垂直；

e) 由真空机组将脉冲离子束截面图像测量装置中的真空抽到5×10^-4Pa以上，开通加速电源，调节其高压值；离子源阴阳极间放电，产生电离，离子束被加速，并打到成像板上；

f) 关闭加速电源、关闭离子源脉冲电源；关闭真空阀并将脉冲离子束截面图像测量装置放气达到正常大气压；将成像板取出，用成像分析仪对其扫描，得到包括成像板轮廓在内的离子束截面图像；

g) 如果离子束截面图像超出成像板轮廓，则用成像分析仪的附件清洗仪清除成像板上离子束潜像；用可调螺杆、可调螺母前后调节成像板与离子源引出口间距，并多次重复从b)到f)步骤，直至离子束截面图像在成像板轮廓之内；

h) 根据截面图像观测离子束形状和密度分布情况，测量束斑横向尺寸和纵向尺寸；

i) 分别改变离子源脉冲电源输出脉冲的频率，分别改变加速电源的高压值，并按从a)到h)步骤操作，分别得到不同重复频率和不同加速电压的离子束截面图像，观测到相应离子束形状和密度分布情况，测量到相应束斑的横向和纵向尺寸。

本发明不受可见光的影响，不受流强和脉冲频率的限制；本发明使用的设备材料简便，容易制备和购置；本发明不限于测量石英玻璃管中产生的离子束截面图像，也适用于脉冲离子加速器和密封前脉冲中子管截面图像的测量；本发明不局限于脉冲离子束截面图像的测量，也适用于连续离子束截面图像的测量。

附图说明

图1为本发明的脉冲离子束截面图像的测量装置的结构示意图；

图中，1.离子源 2.石英玻璃管 3.成像板 4.铝衬板 5.调距螺杆 6.调距螺母 7.不锈钢法兰 8.可调加速电源 9.真空机组 10.成像分析仪 11.离子源脉冲电源 12.隔离变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

图1为本发明的结构示意图，在图1中，本发明的脉冲离子束截面图像的测量装置包括1.离子源，2.石英玻璃管，3.成像板，4.铝衬板，5.调距螺杆，6.调距螺母，7.不锈钢法兰，8.可调加速电源，9.真空机组，10.成像分析仪，11.离子源脉冲电源，12.隔离变压器。

在脉冲离子束截面图像的测量装置靶位置设置一个铝衬板4,把成像板3固定在铝衬板4上，板面与脉冲离子束运行方向垂直；开启并调节加速电源8的高压值到30kV；由真空机组9将测量装置中石英玻璃管2内真空度抽到5×10^-4Pa，调节离子源脉冲电源11的输出脉冲为单次，离子源1放电，产生单次脉冲离子，离子束被加速，并打到成像板3上；关闭加速电源8、关闭离子源脉冲电源11。关闭真空机组9并将测量装置放气达到正常大气压；将不锈钢法兰7从测量装置中拆出，取出成像板3，用成像分析仪10对成像板3扫描，在成像分析仪10的显示器上得到单次脉冲离子束截面和成像板3轮廓图像；如果单次脉冲离子束截面图像超出成像板3轮廓，则用成像分析仪10的附件清洗仪清除成像板3中单次脉冲离子束潜像，用可调螺杆5、可调螺母6前后调节成像板3与离子源1引出口间距。并多次重复上述全过程，直至单次脉冲离子束截面图像在成像板3轮廓之内；根据图像观测单次脉冲离子束形状和密度分布情况，并测量束斑的横向和纵向尺寸。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，实施过程相同，不同之处是：调节加速电源8的高压值为120kV；设置离子源脉冲电源10的输出脉冲重复频率为0.1Hz；从离子源脉冲电源10启动开始计时，测量时间为20s。

Claims (3)

1.一种脉冲离子束截面图像的测量装置，其特征在于，所述的装置包括离子源（1）、石英玻璃管(2)、成像板（3）、铝衬板（4）、调距螺杆（5）、调距螺母（6）、不锈钢法兰（7）、加速电源（8）、真空机组（9）、成像分析仪（10）、离子源脉冲电源（11）、隔离变压器（12）；其连接关系是，所述的离子源（1）、成像板（3）均设置在石英玻璃管（2）内，石英玻璃管（2）通过管道与真空机组（9）连接；铝衬板（4）依次通过调距螺母（5）、调距螺杆（6）固定连接在不锈钢法兰（7）上；成像板（3）固定在铝衬板（4）上；加速电源（8）的正极与离子源（1）的引出端连接，加速电源（8）负极与不锈钢法兰（7）连接；离子源脉冲电源（11）的公共端与离子源（1）引出端连接，离子源脉冲电源（10）正极与离子源（1）阳极连接，离子源（1）阳极与隔离变压器（12）的高压端连接；隔离变压器（12）的低压端与地连接。

2.根据权利要求1所述一种脉冲离子束截面图像的测量装置，其特征在于，所述的铝衬板（4）和成像板（3）为正方形或者圆形，成像板（3）与离子束流运行方向垂直。

3.一种脉冲离子束截面图像的测量方法，依次包括以下步骤：

a) .在脉冲离子束截面图像的测量装置靶位置设置一个铝衬板（4）,与脉冲离子束流方向垂直；

b). 开通加速电源（8），其高压值可调；

c). 启动离子源脉冲电源（11），脉冲为单次或脉冲频率可调；离子源（1）阴阳极间放电，产生电离，离子束被加速并打到铝衬板（4）上，示波器测量铝衬板（4）上的电流波形，得到的波形须与离子源脉冲电源（11）电流波形基本相同；

d). 关闭加速电源（8）、关闭离子源脉冲电源（11），关闭真空阀并将测量装置放气达到正常大气压，把成像板（3）固定在在铝衬板（4）上，与离子束流方向垂直；

e). 由真空机组（9）将脉冲离子束截面图像测量装置中的真空抽到5×10^-4Pa以上，开通加速电源（8），调节其高压值为20kV以上范围；离子源（1）阴阳极间放电，产生电离，脉冲离子束被加速，并打到成像板（3）上；

f) .关闭加速电源（8）、关闭离子源脉冲电源（11）；关闭真空阀并将脉冲离子束截面图像测量装置放气达到正常大气压；将成像板（3）取出，用成像分析仪（12）对其扫描，得到包括成像板（3）轮廓在内的离子束截面图像；

g). 如果离子束截面图像超出成像板（3）轮廓，则用成像分析仪（12）的附件清洗仪清除成像板（3）上离子束潜像；用可调螺杆（5）、可调螺母（6）前后调节成像板与离子源引出口间距，并多次重复从b)到f)步骤，直至离子束截面图像在成像板（3）轮廓之内；

h). 根据截面图像观测脉冲离子束形状和密度分布情况，测量束斑横向尺寸和纵向尺寸；

i) .改变离子源脉冲电源（11）脉冲频率，改变加速电源（8）的高压值，并按从a)到h)步骤操作，分别得到不同重复频率和不同加速电压的脉冲离子束截面图像，观测到相应脉冲离子束形状和密度分布情况，测量到相应束斑的横向尺寸和纵向尺寸。