CN105738940A - 一种用于束流剖面均匀性在线测量的探测器 - Google Patents

一种用于束流剖面均匀性在线测量的探测器 Download PDF

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Abstract

本发明属于质子(或重离子)单粒子效应试验技术领域，涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种束流剖面均匀性在线测量的探测器。该探测器包括电离室外壳、电离室单元、入射窗以及出射窗；入射窗和出射窗按照加速器束流的方向依次设置在电离室外壳的外表面，电离室单元位于入射窗和出射窗之间并且安装在电离室外壳内部；电离室单元包括双面柔性的PCB板制成的阳极以及双面镀铝的mylar薄膜制成的阴极。该探测器不仅耐辐射，而且能够直接在线测量得到直观的二维束流剖面均匀性信息。

Description

一种用于束流剖面均匀性在线测量的探测器
技术领域
本发明属于质子(或重离子)单粒子效应试验技术领域，涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种束流剖面均匀性在线测量的探测器。
背景技术
宇宙空间中高能带电粒子与星载器件相互作用产生的单粒子效应是影响航天器可靠运行的主要因素，相比于将研究对象送到太空中进行飞行实验，基于加速器的地面模拟实验有方便、经济、实验条件可控等诸多优点。单粒子效应试验平台要求在样品的照射野范围内形成一个横向分布近乎均匀而且面积可调的照射面，加速器束流终端中对束流剖面均匀性的在线监测可以为单粒子效应试验用户实时提供束流的大小、位置、束斑均匀性等信息，也可以为调束人员调节束流品质提供依据，因此该探测器是试验终端测量系统的关键组成部分。
目前，针对质子(或重离子)加速器试验终端束流均匀性监测的探测器主要有电极分条或分块的半导体探测器和气体探测器两类。其中，硅微条型半导体探测器的主要缺点是不耐辐照；金刚石探测器虽然耐辐照，但当束流面积较大时，金刚石价格昂贵且很难实现；电离室可以做到很大的面积，而且气体耐辐照性能比较好，成本相对较低，是一种比较好的方案。专利CN104090292A、CN201707443U、CN101900826A介绍了用于重离子束流横向剂量分布、位置探测的电离室，这些探测器由两层相互垂直的条形电极组成，这样设计的优点是可以从电极两端直接引出信号，电子学通道数较少，两组探测单元可以分别得到束流在两个方向的一维分布信息，但其主要缺点是不能直接得到更为直观的二维束流剖面均匀性信息。
发明内容
为针对现有的技术缺陷，本发明提出了一种耐辐射、能够直接得到直观的二维束流剖面均匀性信息的穿透型在线测量的探测器。
该探测器的基本设计原理是：
探测器部分由有机薄膜为基底的电极和窗材料、内外框架组成的，仅包含一组电离室单元。该探测器可以在对束流品质影响较低的同时，实现对束流剖面均匀性的直接在线测量。其中探测器信号极(阳极)为收集极，使用PCB技术划分像素块，形成多个小收集极，高压极(阴极)可加载合适的高压使电离室工作在电离区。这些小收集极直接得到束流分布信息，从而实现束流剖面均匀性在线测量。
为了实现上述目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，包括电离室外壳、电离室单元、入射窗以及出射窗；
入射窗和出射窗按照加速器束流的方向依次设置在电离室外壳的外表面，电离室单元位于入射窗和出射窗之间并且安装在电离室外壳内部；
其改进之处是：
电离室单元包括阳极、第一固定框、第二固定框、聚四氟乙烯绝缘垫圈和阴极；第一固定框和第二固定框平行安装在电离室外壳内部并保持电极间隙，聚四氟乙烯绝缘垫圈设置有两组，每一组有四个，其中四个聚四氟乙烯绝缘垫圈安装在第一固定框、第二固定框之间的四个角上，其余四个聚四氟乙烯绝缘垫圈安装在第二固定框和电离室外壳之间；所述阳极使用环氧树脂胶粘接在第一固定框上，阴极粘接在第二固定框上；
阳极采用双面柔性的PCB板制成，用于划分像素收集块以及将采集信号引出；入射窗、出射窗采用单面镀铝的mylar薄膜；阴极采用双面镀铝的mylar薄膜制成；第一固定框、第二固定框均采用PCB框架材料制成；
电离室外壳上还设有多芯信号接插件；多芯信号接插件一端插入与阳极相连，另一端与外部设备连接将探测信号输出到后续数据获取系统中；
所述电离室外壳内部的工作气体为惰性气体或空气或氮气。
为了确保良好的工作环境，上述电离室外壳上还设置有加注惰性气体的进气口以及排出惰性气体的出气口；
上述阳极的有效探测面积为100mm×100mm，所述阳极由三种不同尺寸的像素块组成，分别为2.5mm×2.5mm、5mm×5mm、10mm×10mm。
上述阴极和阳极之间的电极间隙为10mm，阴极上加有负高压并且高压为-1000V；阴极对应的第二固定框上安装有铜箔圈，使高压和电场分布均匀。
为了使的该探测器便于拆装维修，上述电离室外壳外分体式，包括方形外框架以及安装在方形外框架上的上盖板和下盖板；所述入射窗安装在上盖板上，出射窗安装在下盖板上。
为了确保分体式电离室外壳的密封性，防止漏气，方形外框架与上盖板以及方形外框架与上盖板衔接的位置上刻设有密封槽，密封槽内安装有密封圈。
本发明的优点在于：
1、本发明可按照需求对电离室阳极划分像素块，利用现代的PCB技术工艺，定制双面柔性PCB板作为阳极，划分方便；该探测器可直接得到束流剖面的均匀性信息，无需经过两个一维信息的重建，也使得电离室结构简单；
2、本发明阳极采用双面柔性PCB板，阴极、入射窗和出射窗均使用双面镀铝的mylar薄膜可使得穿透型探测器对束流的影响可忽略，可以实现在线测量，并且保证入射窗和出射窗的屏蔽效果。
附图说明
图1本发明束流剖面均匀性在线测量的探测器的机械结构图；
图2本发明内部层次结构示意图；
图3束流经过本发明的各材料层；
图4实施例像素电离室信号形成示意；
图5实施例阳极像素块划分示意。
具体实施措施
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面结合附图对本发明进一步描述：
实施例：需要测量的质子束流能量从60MeV到200MeV，束流强度105至1010pps，束斑面积为1cm2至100cm2。如图1、2所示，一种用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，包括电离室外壳1、电离室单元2、入射窗3以及出射窗4；
入射窗3和出射窗4按照加速器束流的方向依次设置在电离室外壳1的外表面，电离室单元2位于入射窗3和出射窗4之间并且安装在电离室外壳1内部；
该实施例中，为了便于后期电离室单元的拆装维修，该电离室外壳1为分体式，包括方形外框架5以及安装在方形外框架5上的上盖板6和下盖板7；实际电离室外壳1的方式就是将下盖板7和方形外框架5集成一体件，上盖板6单独制作，然后将上盖板6安装在方形外框体1上；
其中，电离室单元2包括阳极8、第一固定框9、第二固定框10、聚四氟乙烯绝缘垫圈11和阴极12；第一固定框8和第二固定框9平行安装在电离室外壳1内部并保持电极间隙，阴极8和阳极12之间的电极间隙为10mm，聚四氟乙烯绝缘垫圈11为两组，每组有四个聚四氟乙烯绝缘垫圈，其中四个安装在第一固定框9、第二固定框10之间的四个角上，用于固定第一固定框9和第二固定框10，同时能保证良好的绝缘性；其余四个安装在第二固定框10和电离室外壳的下盖板7之间；需要进一步说明的是：第一固定框9和第二固定框10的厚度均为3mm，聚四氟乙烯绝缘垫圈11的厚度为2mm和4mm；安装在第一固定框9和第二固定框10之间的为2mm，安装在第二固定框和电离室外壳之间的为4mm。
阳极8粘接在第一固定框9上，阴极12粘接在第二固定框10上；阳极8采用双面柔性的PCB板制成(PCB(PrintedCircuitBoard)，中文名印制电路板，又称印刷电路板)，用于划分像素收集块以及将采集信号引出；入射窗3、出射窗4以及阴极12均采用镀铝的mylar薄膜制成(镀铝的mylar薄膜厚度在12微米左右)；第一固定框9、第二固定框10均采用PCB框架材料制成(一般选用型号为FR4)；其中，双面镀铝的mylar薄膜作为阴极12起导电作用，单面镀铝的mylar膜作为入射窗3、出射窗4起屏蔽作用。对于能量在60MeV/nucleon到200MeV/nucleon之间的束流穿透时，电离室对束流品质影响可忽略，所以可以实现在线测量。图3所示为束流经过探测器的各材料层，实施例中以质子束先经过阳极为例。
进一步的说，该实施例中阳极的有效探测面积为100mm×100mm，阳极由三种不同尺寸的像素块组成，分别为2.5mm×2.5mm、5mm×5mm、10mm×10mm。三种不同尺寸的像素块组成的电极含有256个小收集极，可以满足不同的单粒子效应试验束斑大小，阳极像素块划分示意如图5所示。国内生产最薄的双面柔性PCB板厚度约为几十微米，PCB板由PI基底和双面铜层组成；其中本实施例中采用PI基底厚度30um、双面的铜层厚度均为18um。
进一步的说，阴极12上加有负高压并且高压为-1000V；阴极对应的第二固定框上安装有铜箔圈，使高压和电场分布均匀。电离后产生的电子在电场作用下在阳极被收集产生多路信号，经过这些多路信号的测量可以得到剖面均匀性的分布，信号产生过程如图4所示。
电离室外壳1上还设有多芯信号接插件13；多芯信号接插件13一端插入与阳极8相连，另一端与外部设备连接将探测信号输出到后续数据获取系统中；
电离室外壳1内部的工作气体为惰性气体或空气或氮气。
为了确保良好的工作环境，上述电离室外壳上还设置有加注惰性气体的进气口14以及排出惰性气体的出气口15；所述惰性气体为氩气或者氩气和甲烷气体的混合气体，该实施例工作气体为P10气体(氩气和甲烷的混合气体，一般选择氩气和甲烷的混合气体的比例为90％Ar+10％CH4)，通过进气口和出气口实现气体流通。选择P10气体是因为相对于氩气，电子在P10气体中有更小的横向扩散，保证了像素块分辨质量。
为了确保分体式电离室外壳的密封性，防止漏气，方形外框架与上盖板以及方形外框架与上盖板衔接的位置上刻设有密封槽，密封槽内安装有密封圈。
实际测试中，按照以下步骤实现束流剖面均匀性在线测量：
(1)将探测器置于支架上，入射窗垂直于束流方向，调整合适位置；
(2)打开气体循环系统，使用慢气流对电离室外壳内部进行换气；
(3)将多芯信号接插件与外部设备(电子学和数据获取系统)连接；
(4)给阴极加偏置负高压，检查系统；
(5)同步获取阳极各个像素块中收集极的电流信号；
(6)根据各个收集极电流信号，并与探测器内的位置一一对应，得到束流剖面均匀性的相对分布，并通过数据采集系统显示。

Claims (6)

1.一种用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，包括电离室外壳、电离室单元、入射窗以及出射窗；
入射窗和出射窗按照加速器束流的方向依次设置在电离室外壳的外表面，电离室单元位于入射窗和出射窗之间并且安装在电离室外壳内部；
其特征在于：
电离室单元包括阳极、第一固定框、第二固定框、聚四氟乙烯绝缘垫圈和阴极；第一固定框和第二固定框平行安装在电离室外壳内部并保持电极间隙，聚四氟乙烯绝缘垫圈设置有两组，每一组有四个，其中四个聚四氟乙烯绝缘垫圈安装在第一固定框、第二固定框之间的四个角上，其余四个聚四氟乙烯绝缘垫圈安装在第二固定框和电离室外壳之间；所述阳极使用环氧树脂胶粘接在第一固定框上，阴极粘接在第二固定框上；
阳极采用双面柔性的PCB板制成，用于划分像素收集块以及将采集信号引出；入射窗、出射窗采用单面镀铝的mylar薄膜；阴极采用双面镀铝的mylar薄膜制成；第一固定框、第二固定框均采用PCB框架材料制成；
电离室外壳上还设有多芯信号接插件；多芯信号接插件一端插入与阳极相连，另一端与外部设备连接将探测信号输出到后续数据获取系统中；
所述电离室外壳内部的工作气体为惰性气体或空气或氮气。
2.根据权利要求1所述的用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，其特征在于：所述电离室外壳上还设置有加注工作气体的进气口以及排出工作气体的出气口。
3.根据权利要求1或2所述的用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，其特征在于：所述阳极的有效探测面积为100mm×100mm，所述阳极由三种不同尺寸的像素块组成，分别为2.5mm×2.5mm、5mm×5mm、10mm×10mm。
4.根据权利要求3所述的用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，其特征在于：所述阴极和阳极之间的电极间隙为10mm，阴极上加有负高压并且高压至少为-1000V；阴极对应的第二固定框上安装有铜箔圈，使高压和电场分布均匀。
5.根据权利要求4所述的用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，其特征在于：所述电离室外壳外分体式，包括方形外框架以及安装在方形外框架上的上盖板和下盖板；所述入射窗安装在上盖板上，出射窗安装在下盖板上；所述方形外框架、上盖板以及下盖板均为铝合金材料。
6.根据权利要求5所述的用于束流剖面均匀性在线测量的探测器，其特征在于：方形外框架与上盖板以及方形外框架与上盖板衔接的位置上刻设有密封槽，密封槽内安装有密封圈。
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