CN108415063A - 荷电离子束流强度测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种荷电离子束流强度测量系统及其测量方法，该测量系统包括离子束传输真空管道、电磁扫描设备、离子束斑探测器、半拦截式束流探测器、拦截式束流探测器和辐照材料；电磁扫描设备，设置在所述离子束传输真空管道前端的外部；离子束斑探测器、半拦截式束流探测器、拦截式束流探测器和辐照材料顺次设置在离子束传输真空管道内，其中辐照材料设置在离子束传输真空管道的后端。本公开突破了传统铝箔三明治测束技术中存在的测量精度差，易烧蚀损坏等问题，同时也克服了样品与法拉第筒一体式设计中操作不便利、导电样品限制等不足，采用一种半拦截式的测束技术，更加适合在强流、长时间、不同辐照材料实验中使用。
Description
技术领域
本公开涉及荷电离子辐照材料技术领域，尤其涉及一种荷电离子束流强度测量系统及其测量方法。
背景技术
离子加速器是利用人工方法产生高速离子束的核科学装置，目前被广泛地应用于核物理、生物学、生命科学、国防、航天航空及材料领域。上世纪中期，离子加速器首次被应用于材料科学，随着研究的深入，不断涌现了一些新现象、新效应，并催生了一些新的应用，如材料改性、新型功能材料合成及核材料辐照评价及筛选等，进一步激发了人们的研究热情。利用离子加速器产生的离子束辐照材料，可以使材料的微观结构发生变化，进而影响材料的物理、化学乃至机械性能，因此离子加速器是材料研究的一种强有力的工具。在离子束辐照材料的研究中，离子束流强度(离子数/cm2·s)和离子辐照剂量(离子数/cm2)是两个非常关键的参数，如何在实验中精确测量这两个参量就成为一个不可避免的重要问题。
传统上，目前一般采用铝箔三明治联合法拉第筒进行离子束流测量，铝箔三明治是三层平行排列的，厚度约几个um的铝膜，前、后铝箔加偏压、中间铝箔连接电流表，通过联合法拉第筒，以实现束流的在线测量。但这种测量系统存在以下几个技术缺点：其一离子束通过三层铝箔会损伤一定的能量，因此只能适用于高能离子束流的测量，无法进行几十MeV离子束流测量。其二铝箔无法长时间抵抗高功率束流的轰击，易发生烧蚀洞穿，因此在测量大功率束流有一定的局限性。其三离子束辐照会使铝箔电学性能改变，进而影响束流测量的稳定性。在专利CN201510236343.2中提到“小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置及方法”，采用单个法拉第筒进行束流测量，法拉第筒的底部可拆卸，既是样品台，又是束流接收器，这个发明技术改善了离子束流测量精度，但也存在明显技术不足：1.将样品台和法拉第筒合为一体，虽然简化了系统，但为样品的安装带来许多不便；2.法拉第筒底部作为束流接收器，要求具有良好的导电性能，因此对待辐照材料的导电性有要求，因此该发明也存在一定的局限性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种荷电离子束流强度测量系统及其测量方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种荷电离子束流强度测量系统，包括：离子束传输真空管道；电磁扫描设备，设置在所述离子束传输真空管道前的外部；离子束斑探测器，设置在所述离子束传输真空管道内部，与所述电磁扫描设备相邻；半拦截式束流探测器，设置在所述离子束传输真空管道内部，与所述离子束斑探测器相邻；所述半拦截式束流探测器分别与外部的电流表和电压表连接；拦截式束流探测器，设置在所述离子束传输真空管道内部，与所述半拦截式束流探测器相邻；所述拦截式束流探测器分别与外部的电流表和直流电源连接；辐照材料，设置在所述离子束传输真空管道后端的内部。
在本公开的一些实施例中，半拦截式束流探测器包括：半拦截式束流接收筒，所述半拦截式束流接收筒设有底部开口；所述半拦截式束流接收筒筒壁上设有接线柱；第一屏蔽环，与所述半拦截式束流接收筒的筒口通过绝缘杆连接；所述第一屏蔽环上设有接线柱；第一电子抑制环，与所述第一屏蔽环通过绝缘杆连接；所述第一电子抑制环上设有接线柱。
在本公开的一些实施例中，拦截式束流探测器包括：拦截式束流接收筒；所述拦截式束流接收筒筒壁上设有接线柱；第二屏蔽环，与所述拦截式束流接收筒的筒口通过绝缘杆连接；所述第二屏蔽环上设有接线柱；第二电子抑制环，与所述第二屏蔽环通过绝缘杆连接；所述第二电子抑制环上设有接线柱。
在本公开的一些实施例中，离子束斑探测器上设有X-Y刻度线，所述离子束斑探测器与束流传输方向呈45°夹角；所述离子束斑探测器在竖直方向上能够移动。
在本公开的一些实施例中，还包括：束流观察窗，设置在所述离子束斑探测器外侧的离子束传输真空管道上。
在本公开的一些实施例中，离子束斑探测器、所述半拦截式束流探测器、所述拦截式束流探测器和所述辐照材料中心设置在离子束传输真空管道的中心轴上。
在本公开的一些实施例中，电磁扫描设备包括两台分别可实现束流X方向和Y方向扫描的四极磁铁。
根据本公开的另一个方面，还提供了一种荷电离子束流强度测量方法，包括：步骤A：将待辐射材料固定，调试荷电离子束流强度测量系统，引入辐照束流；步骤B：在束流均匀、稳定时，升起离子束斑探测器；半拦截式离子束流探测器和拦截式离子束流探测器通过与外部的直流电源相连，为半拦截式离子束流探测器和所述拦截式离子束流探测器加载负偏压V1和V2，抑制离子束轰击引起的二次电子发射；步骤C：利用电流表分别测量通过所述半拦截式束流探测器和所述拦截式束流探测器的电流值I1和I2，并根据
计算k值；通过调节所述半拦截式离子束流探测器和所述拦截式离子束流探测器的负偏压V1和V2，使k值保持稳定；步骤D：升起所述拦截式束流探测器，使离子束辐照样品；在辐照过程中在线测量所述半拦截式束流探测器的电流值并随时监测k值，得到离子束流强度大小及辐照到样品上的绝对束流通量。
在本公开的一些实施例中，步骤A包括：步骤A1：分别将离子束斑探测器、半拦截式束流探测器及拦截式束流探测器降到离子束传输真空管道的中心位置；步骤A2：分别打开与所述半拦截式束流探测器和所述拦截式束流探测器相连的电流表和直流电源，并确保二者之间导电良好；步骤A3：引入辐照束流，通过X-Y方向的所述电磁扫描设备调试离子束斑大小、形状及均匀度以满足实验要求。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开荷电离子束流强度测量系统及其测量方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)离子束分别通过半拦截式束流探测器和拦截式束流探测器后的能量损失小，能够适用于进行低能离子束流的测量。
(2)半拦截式束流探测器和拦截式束流探测器可长时间抵抗高功率束流的轰击，不易发生损坏，能够适用在大功率束流的测量中。
(3)离子束斑探测器上设有的X-Y刻度线，利于检测离子束斑的大小与形状。
(4)荷电离子束流强度测量系统对待辐射材料导电性没有要求，能够适用于各种材料的辐照实验。
附图说明
图1为本公开实施例荷电离子束流强度测量系统结构示意图。
图2为图1中半拦截式束流探测器结构示意图。
图3为图1中拦截式束流探测器结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-电磁扫描设备；
2-离子束传输真空管道；
3-离子束斑探测器；
4-束流观察窗；
5-半拦截式束流探测器；
5-1-第一屏蔽环；
5-2-第一电子抑制环；
5-3-半拦截式束流接收筒；
5-4-底部开口；
5-5、5-6、5-7-接线柱；
6-拦截式束流探测器；
6-1-第二屏蔽环；
6-2-第二电子抑制环；
6-3-拦截式束流接收筒；
6-4、6-5、6-6-接线柱；
7-辐照材料；
V1，V2-电压表；
I1，I2-电流表。
具体实施方式
本公开提供了一种荷电离子束流强度测量系统及其测量方法，该测量系统包括离子束传输真空管道、电磁扫描设备、离子束斑探测器、半拦截式束流探测器、拦截式束流探测器和辐照材料；电磁扫描设备，设置在所述离子束传输真空管道前端的外部；离子束斑探测器、半拦截式束流探测器、拦截式束流探测器和辐照材料顺次设置在离子束传输真空管道内，其中辐照材料设置在离子束传输真空管道的后端。本公开突破了传统铝箔三明治测束技术中存在的测量精度差，易烧蚀损坏等问题，同时也克服了样品与法拉第筒一体式设计中操作不便利、导电样品限制等不足，采用一种半拦截式的测束技术，更加适合在强流、长时间、不同辐照材料实验中使用。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种荷电离子束流强度测量系统。图1为本公开实施例荷电离子束流强度测量系统结构示意图。如图1所示，本公开荷电离子束流强度测量系统包括：离子束传输真空管道2、电磁扫描设备1、离子束斑探测器3、半拦截式束流探测器5、拦截式束流探测器6和辐照材料；电磁扫描设备1设置在离子束传输真空管道2前端的外部；具体包括两台分别可实现束流X方向和Y方向扫描的四极磁铁。离子束斑探测器3设置在离子束传输真空管道2内部，与电磁扫描设备1相邻；离子束斑探测器3上设有X-Y刻度线，以利于检测离子束斑的大小与形状；离子束斑探测器3在竖直方向上能够在竖直方向移动，便于调节离子束斑探测器3与束流传输方向的夹角；半拦截式束流探测器5设置在离子束传输真空管道2内部，与离子束斑探测器3相邻；半拦截式束流探测器5分别与电流表I1和电压表V1连接；拦截式束流探测器6设置在离子束传输真空管道2内部，与半拦截式束流探测器5相邻；拦截式束流探测器6分别与电流表I2和电压表V2连接；辐照材料设置在离子束传输真空管道2后端的内部。这里离子束斑探测器3、半拦截式束流探测器5、拦截式束流探测器6和辐照材料7中心设置在离子束传输真空管道2的中心轴上。本公开荷电离子束流强度测量系统还包括：束流观察窗4，设置在离子束斑探测器3外侧的离子束传输真空管道2上。离子束斑探测器3与束流传输方向的夹角为45°，离子束斑探测器3侧向束流观察窗4，以便于观察。
图2为图1中半拦截式束流探测器结构示意图。如图2所示，半拦截式束流探测器包括：半拦截式束流接收筒5-3、第一屏蔽环5-1和第一电子抑制环5-2；半拦截式束流接收筒5-3设有底部开口5-4，半拦截式束流接收筒5-3筒壁上设有接线柱5-7；第一屏蔽环5-1与半拦截式束流接收筒5-3的筒口通过绝缘杆连接；第一屏蔽环5-1上设有接线柱5-5；第一电子抑制环5-2与第一屏蔽环5-1通过绝缘杆连接；第一电子抑制环5-2上设有接线柱5-6。上述绝缘杆可以选用陶瓷杆。
图3为图1中拦截式束流探测器结构示意图。如图3所示，拦截式束流探测器包括：拦截式束流接收筒6-3、第二屏蔽环6-1和第二电子抑制环6-2；拦截式束流接收筒6-3，其底部为封闭结构未设有底部开口；拦截式束流接收筒6-3筒壁上设有接线柱6-6；第二屏蔽环6-1与拦截式束流接收筒6-3的筒口通过绝缘杆连接；第二屏蔽环6-1上设有接线柱6-4；第二电子抑制环6-2与第二屏蔽环6-1通过绝缘杆连接；第二电子抑制环6-2上设有接线柱6-5。上述绝缘杆可以选用陶瓷杆。
在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种荷电离子束流强度测量方法，包括：步骤A：将待辐射材料固定，可以固定在样品架上，调试荷电离子束流强度测量系统以符合实验要求，并引入辐照束流；其中步骤A包括：步骤A1：分别将离子束斑探测器、半拦截式束流探测器及拦截式束流探测器降到离子束传输真空管道的中心位置；步骤A2：分别打开与半拦截式束流探测器和拦截式束流探测器相连的电流表和直流电源，并确保二者之间导电良好；步骤A3：引入辐照束流，通过X-Y方向的电磁扫描设备调整离子束斑大小、形状及均匀度使之满足实验要求，引入辐照束流。步骤B：在束流均匀、稳定时，升起离子束斑探测器使之离开离子束传输真空管道中心位置；半拦截式离子束流探测器和拦截式离子束流探测器通过与外部的直流电源相连，为半拦截式离子束流探测器和拦截式离子束流探测器加载一定大小的负偏压V1和V2，抑制离子束轰击引起的二次电子发射。步骤C：利用电流表分别测量通过半拦截式束流探测器和拦截式束流探测器的电流值I1和I2，并根据
计算k值；通过调节半拦截式离子束流探测器和拦截式离子束流探测器的负偏压V1和V2，使k值保持稳定。步骤D：升起拦截式束流探测器，使离子束辐照样品；在辐照过程中在线测量半拦截式束流探测器的电流值并实时监测k值，得到离子束流强度大小及辐照到样品上的绝对束流通量。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开荷电离子束流强度测量系统及其测量方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种荷电离子束流强度测量系统及其测量方法，突破了传统铝箔三明治测束技术中存在的测量精度差，易烧蚀损坏等问题，采用一种半拦截式的测束技术，更加适合在强流、长时间、不同辐照材料实验中使用。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种荷电离子束流强度测量系统，包括：
离子束传输真空管道；
电磁扫描设备，设置在所述离子束传输真空管道前的外部；
离子束斑探测器，设置在所述离子束传输真空管道内部，与所述电磁扫描设备相邻；
半拦截式束流探测器，设置在所述离子束传输真空管道内部，与所述离子束斑探测器相邻；所述半拦截式束流探测器分别与外部的电流表和电压表连接；
拦截式束流探测器，设置在所述离子束传输真空管道内部，与所述半拦截式束流探测器相邻；所述拦截式束流探测器分别与外部的电流表和直流电源连接；
辐照材料，设置在所述离子束传输真空管道后端的内部。
2.根据权利要求1所述的荷电离子束流强度测量系统，所述半拦截式束流探测器包括：
半拦截式束流接收筒，所述半拦截式束流接收筒设有底部开口；所述半拦截式束流接收筒筒壁上设有接线柱；
第一屏蔽环，与所述半拦截式束流接收筒的筒口通过绝缘杆连接；所述第一屏蔽环上设有接线柱；
第一电子抑制环，与所述第一屏蔽环通过绝缘杆连接；所述第一电子抑制环上设有接线柱。
3.根据权利要求1所述的荷电离子束流强度测量系统，所述拦截式束流探测器包括：
拦截式束流接收筒；所述拦截式束流接收筒筒壁上设有接线柱；
第二屏蔽环，与所述拦截式束流接收筒的筒口通过绝缘杆连接；所述第二屏蔽环上设有接线柱；
第二电子抑制环，与所述第二屏蔽环通过绝缘杆连接；所述第二电子抑制环上设有接线柱。
4.根据权利要求1所述的荷电离子束流强度测量系统，所述离子束斑探测器上设有X-Y刻度线，所述离子束斑探测器与束流传输方向呈45°夹角；所述离子束斑探测器在竖直方向上能够移动。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的荷电离子束流强度测量系统，还包括：束流观察窗，设置在所述离子束斑探测器外侧的离子束传输真空管道上。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的荷电离子束流强度测量系统，所述离子束斑探测器、所述半拦截式束流探测器、所述拦截式束流探测器和所述辐照材料中心设置在离子束传输真空管道的中心轴上。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的荷电离子束流强度测量系统，所述电磁扫描设备包括两台分别可实现束流X方向和Y方向扫描的四极磁铁。
8.一种荷电离子束流强度测量方法，包括：
步骤A：将待辐射材料固定，调试荷电离子束流强度测量系统，引入辐照束流；
步骤B：在束流均匀、稳定时，升起离子束斑探测器；半拦截式离子束流探测器和拦截式离子束流探测器通过与外部的直流电源相连，为半拦截式离子束流探测器和所述拦截式离子束流探测器加载负偏压V1和V2，抑制离子束轰击引起的二次电子发射；
步骤C：利用电流表分别测量通过所述半拦截式束流探测器和所述拦截式束流探测器的电流值I1和I2，并根据
计算k值；通过调节所述半拦截式离子束流探测器和所述拦截式离子束流探测器的负偏压V1和V2，使k值保持稳定；
步骤D：升起所述拦截式束流探测器，使离子束辐照样品；在辐照过程中在线测量所述半拦截式束流探测器的电流值并随时监测k值，得到离子束流强度大小及辐照到样品上的绝对束流通量。
9.如权利要求8所述的荷电离子束流强度测量方法，所述步骤A包括：
步骤A1：分别将离子束斑探测器、半拦截式束流探测器及拦截式束流探测器降到离子束传输真空管道的中心位置；
步骤A2：分别打开与所述半拦截式束流探测器和所述拦截式束流探测器相连的电流表和直流电源，并确保二者之间导电良好；
步骤A3：引入辐照束流，通过X-Y方向的所述电磁扫描设备调试离子束斑大小、形状及均匀度以满足实验要求。
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