CN108732418B - 真空馈口电子倍增电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种真空馈口电子倍增电流检测装置，包括电子倍增探针、检测电路、数据采集卡以及PC机；此外还包括电子倍增探针与检测电路之间的同轴传输线、检测电路与数据采集卡之间的同轴传输线以及数据采集卡与PC机之间的USB数据传输线；电子倍增探针探测RF器件中产生的电子倍增电子；电子倍增探针通过检测电路直接提取RF器件腔体中电子倍增电子产生的ECUR电流，然后通过数字采集卡，将ECUR电流信号转化为数字信号在PC机中实时显示，实现电子倍增电流没有对器件产生损坏的情况下，断开RF开关，从而保护整个RF系统；该装置不仅是用于超导回旋加速器谐振腔的输入耦合腔体中，对于航空航天中的射频器件同样适用。

Description

真空馈口电子倍增电流检测装置

技术领域

本发明属于超导回旋加速器真空馈口ECUR电流检测技术领域，涉及一种简单，直接的新型电子倍增探针技术、检测电路技术、以及数据采集技术的新型真空馈口ECUR电流检测技术，具体为一种真空馈口电子倍增电流检测装置。

背景技术

超导回旋加速器因其特有的紧凑特性和低功耗等特性越来越广泛的应用于PET(positron emission tomography)诊断、同位素生产和质子治疗等医学领域。其中，谐振腔是超导回旋加速器重要的部件之一，谐振腔主要提供离子加速的电场，输入功率耦合器是射频功率耦合进入腔体的关键器件。在低气压环境中，射频信号在同轴集成器件中易产生二次电子倍增。二次电子倍增的本质是离子往复运动并发生碰撞使电子脱离次级能层，汇成雪崩形成的。在外加电场作用下，各种射线等导致间隙中存在的自由电子在奔向阳极的过程中被加速，不断和气体分子碰撞，引发碰撞电离。电离产生的新电子又继续引起电离，形成连锁反应，电子数目不断增加。高能量电子直接电离气体分子，产生大量二次电子。气体放电分为以下几个主要过程：

(1)电子平均能量与E/P(E为外加电场，P为气压)呈指数关系，电子数目呈指数倍增；

(2)弱电离通道的形成，是实现放电过程中重要的预击穿过程。碰撞电离等产生大量的二次电子，间隙中形成弱电离通道；

(3)形成良好的等离子体通道，完成气体间隙击穿。这一过程中气体被加热，放电通道电导率急剧上升，通道电阻减少到临界值，间隙完成击穿。

在导线的内外层的连接处仍存有真空间隙区，而且电介质易受温度循环的影响。在低气压条件下，电子自由路径比同轴导线内外层的空间距离大得多，同轴结构的击穿功率随内介质厚度增加而增加。自由电子在微波电场中加速并撞击导线表面，产生冗余电子，一旦雪崩条件存在，二次电子倍增就会产生，结果导致导线的表面放电，放电时功率密度不小于10mW/cm²,其破坏力相当强。同轴传输产生二次电子倍增常用规格f*d表达(f为通过的频率；d为内外层导体间隙)，这是相当严格的条件。如果f*d因子小于0.7GHZmm(50Ω)，则产生二次电子倍增的概率就很大。

因此在分析同轴传输二次电子倍增时，除了要考虑通过的功率大小和f*d这两个约束条件，还应注意以下方面：

(1)真空度大于约0.1Pa时，导线的内外层间必定存在电子移动。可以采用通过在空气缝隙加介质或改装连接器尺寸防止倍增发生；

(2)次级倍增是电场引发的。外加场强与气压的关系，决定电子能量高低。若要保证功率正常传输，则电子能量应低于电子逃逸能量阀值。

为了确保空间RF设备无损坏或无降级使用，则要求射频器件承受功率有足够的余量。传统二次电子倍增检测试验的粗略方法是将被测设备放入模拟低压环境，试验后测试性能，检查设备是否损坏或有放电痕迹，若性能下降，而外观看不出变化，摇晃器件发现内部是否有异物声，若无异常现象，检查导体与绝缘体交界附近应有融化物或放电痕迹。若被测设备无损坏，测试性能没降低也不能简单的说做实验过程没发生弱二次电子倍增，因为弱二次电子倍增发生的低气压环境一旦不在，设备的射频性能可在环境恢复过程中及时恢复。所以二次电子倍增的检测方法显得格外重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空馈口电子倍增电流检测装置，有机的结合了模拟信号和数字信号的优点，其中新型电子倍增检测探针与检测电路既可以用于RF器件的打火检测，又可以用于一般电子倍增器件的电子倍增电流检测，防止电子倍增现象对器件的损坏。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

真空馈口电子倍增电流检测装置，该装置中：电子倍增探针探测RF器件中产生的电子倍增电子；电子倍增探针通过检测电路直接提取RF器件腔体中电子倍增电子产生的ECUR电流，然后通过数字采集卡，将ECUR电流信号转化为数字信号在PC机中实时显示，实现电子倍增电流没有对器件产生损坏的情况下，断开RF开关。

具体地，该装置包括电子倍增探针、检测电路、数据采集卡以及PC机；此外还包括电子倍增探针与检测电路之间的同轴传输线、检测电路与数据采集卡之间的同轴传输线以及数据采集卡与PC机之间的USB数据传输线。

具体地，所述电子倍增探针用于捕捉RF器件真空腔体中由于电子倍增现象产生的电子，当电子倍增探针捕获电子时，会在电子倍增探针内芯中产生ECUR电流；所述检测电路用于提取电子倍增探针内芯中ECUR电流；所述同轴传输线、数据采集卡、USB数据传输线以及显示PC机组成数据采集模块；所述数据采集模块利用同轴传输线将外置电容的电势差无损耗的传输至数据采集卡，数据采集卡将模拟信号转化为数字信号，并且通过USB传输线将数字信号传输到PC机，然后经过数字信号处理将腔体内部产生的ECUR电流实时的显示在PC机界面中。

具体地，所述电子倍增探针是由RF器件外壁、聚氟乙烯支撑、电子倍增探针内芯、电子倍增探针外导体、连接法兰以及BNC连接头组成；电子倍增探针内芯与电子倍增探针外导体安装在RF器件外壁上，电子倍增探针内芯位于电子倍增探针外导体内，电子倍增探针内芯下端穿过RF器件外壁并伸入RF器件腔体内部，电子倍增探针内芯与RF器件外壁之间设有聚氟乙烯支撑；电子倍增探针外导体上设有连接法兰，BNC连接头与电子倍增探针内芯连接。

具体地，所述RF器件外壁作为电子倍增探针的固定装置以及电子倍增电子发生器件；RF器件在高压情况下，产生逃逸电子，在一定的射频场的作用下，会撞击RF器件外壁产生电子倍增电子；所述聚氟乙烯支撑用于隔离腔体内部真空与电子倍增探针中的常压状态；电子倍增探针内芯距RF器件外导体内壁具有1mm的距离。电子倍增探针中电子倍增探针内芯、电子倍增探针外导体通过外置直流电源将电子倍增探针内芯、电子倍增探针外导体的压差偏置到24V。

具体地，在电子倍增探针内芯、电子倍增探针外导体中预加偏置电压用于捕捉RF器件腔体内部中由于电子倍增现象产生的电子，当电子倍增探针捕获电子时，会在内导体中产生ECUR电流。

具体地，所述检测电路由电子倍增探针阳极连接点、限流电阻、外置直流电源、高阻电阻、肖特基二极管、电容以及地组成；外置直流电源的正极通过限流电阻连接电子倍增探针阳极连接点；外置直流电源的负极与地之间并联设有高阻电阻、肖特基二极管、电容。

所述电子倍增阳极连接点用于将电子倍增探针的ECUR电流引入检测电路；所述限流电阻用于限制电子倍增ECUR电流过大损坏直流电源以及其他电子器件；所述外置直流电源用于为检测电路提供稳定的电源输出；所述高阻电阻保护电路，而且在无ECUR电流时，起到损耗电容能量的作用使检测电路快速恢复到初始状态。

所述肖特基二极管用于实现电路的开关作用，当无ECUR电流时，肖特基二极管处于导通状态，因此电容中无势能，此时电路输出电压为0；当有ECUR电流时，肖特基二极管处于截止状态；此时电容处于充电状态，产生势能；当ECUR电流消失时，肖特基二极管仍处于截止状态，此时电容处于放电状态，势能减少，直至为0；所述电容用于存储ECUR电流信息，通过测量电容的电势能即能得出ECUR电流的大小。

具体地，在数据采集模块中，所述同轴传输线将检测电路的输出值无损耗的传输到数据采集卡；所述数据采集卡用于将检测电路的模拟输出电压值转换到数字信号，并将数字信号存入数据采集卡中的缓存器中；所述USB数据传输线用于将数据采集卡中缓存器中的数字信号传输到PC机中的接收器；所述PC机用于显示数据信号的实时信息。

本发明的有益效果：本发明提供的真空馈口ECUR电流检测装置采用电子倍增探针作为探测RF器件中产生的电子倍增电子，电子倍增探针配合检测电路可以直接提取腔体中电子倍增电子产生的ECUR电流，然后通过数字采集卡，将模拟信号ECUR电流信号转化为数字信号在PC机中实时显示和传入PFGA中作为系统的联锁信号，实现电子倍增电流没有对器件产生损坏的情况下，断开RF开关，从而保护整个RF系统；该装置不仅是用于超导回旋加速器谐振腔的输入耦合腔体(RF器件)中，对于航空航天中的射频器件同样适用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的真空馈口电子倍增电流检测装置组成图；

图2为本发明的电子倍增探测器结构图；

图3为本发明的电子倍增探测器细节图；

图4为本发明的检测电路结构图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

真空馈口电子倍增电流(ECUR)检测装置，采用电子倍增探针作为探测RF器件中产生的电子倍增电子；电子倍增探针配合检测电路可以直接提取腔体中电子倍增电子产生的ECUR电流，然后通过数字采集卡，将模拟信号(ECUR电流信号)转化为数字信号在PC机中实时显示和传入PFGA中作为系统的联锁信号，实现电子倍增电流没有对器件产生损坏的情况下，断开RF开关，从而保护整个RF系统。

如图1所示，真空馈口电子倍增电流检测装置包括电子倍增探针2、检测电路3、数据采集卡4以及PC机5；此外还包括电子倍增探针2与检测电路3之间的同轴传输线6、检测电路3与数据采集卡4之间的同轴传输线7以及数据采集卡4与PC机5之间的USB数据传输线8；

所述电子倍增探针2主要是用于捕捉RF器件1真空腔体中由于电子倍增现象产生的电子，当电子倍增探针捕获电子时，会在电子倍增探针内芯23(内导体)中产生ECUR电流；

所述检测电路3主要用于提取电子倍增探针内芯23(内导体)中ECUR电流；在无ECUR电流时，电子倍增探针电子倍增探针内芯23、电子倍增探针外导体27(内、外导体)的压差即为外置直流电源压差，它不仅可以用于捕获电子的势能，而且还可以保护自身因捕获电子的撞击产生次级电子倍增，影响测量结果；当ECUR电流存在时，肖特基二极管关闭，此时，外置电容处于充电状态，外置电容产生电势差；当ECUR电流消失时，外置电容快速放电，此时肖特基二极管恢复导通状态，电子倍增探针内外导体的压差即为外置直流电源压差，ECUR检测装置恢复初始状态；

所述同轴传输线7、数据采集卡4、USB数据传输线8以及显示PC机5组成数据采集模块；

所述数据采集模块主要利用同轴传输线6将外置电容的电势差无损耗的传输至数据采集卡，数据采集卡将模拟信号转化为数字信号，并且通过USB传输线8将数字信号传输到PC机5，然后经过数字信号处理将腔体内部产生的ECUR电流实时的显示在PC机5界面中。

图2为本发明的电子倍增探针结构图；所述电子倍增探针2是由RF器件外壁25、聚氟乙烯(PTFE)支撑24、电子倍增探针内芯23、电子倍增探针外导体27、连接法兰22以及BNC连接头21组成；

电子倍增探针内芯23与电子倍增探针外导体27安装在RF器件外壁25上，电子倍增探针内芯23位于电子倍增探针外导体27内，电子倍增探针内芯23下端穿过RF器件外壁25并伸入RF器件腔体内部26，电子倍增探针内芯23与RF器件外壁25之间设有聚氟乙烯支撑24；电子倍增探针外导体27上设有连接法兰22，BNC连接头21与电子倍增探针内芯23连接；

所述RF器件外壁25作为电子倍增探针的固定装置以及电子倍增电子发生器件；RF器件在高压情况下，产生逃逸电子，在一定的射频场的作用下，会撞击RF器件外壁产生电子倍增电子。因此,电子倍增探针位置的选取以及探针的尺寸的大小会依据数值分析的结果设定。所述聚氟乙烯支撑24主要用于隔离腔体内部真空与电子倍增探针中的常压状态，防止腔体中真空的泄露。所述电子倍增探针内芯23主要作为接受电子阳极，电子倍增探针内芯需要具有良好的导电性能，同时具有较低的二次电子倍增系数。因此，在本设计中采用石墨作为电子倍增探针内芯的材料。所述电子倍增探针外导体27主要作为接受电子的阴极，即相当于地的作用。由于电子倍增探针处于电磁射频场中，电磁射频场对电子倍增产生影响，因此，为了减少电磁射频场对测量结果的影响，根据电磁屏蔽设计理论，孔的屏蔽效能跟孔深成正比，对孔的直径成反比，所以在设计时孔洞的直径要小于工作波长的十分之一。同时电子倍增探针内芯23距RF器件外导体内壁25具有约1mm的距离。电子倍增探针中电子倍增探针内芯23、电子倍增探针外导体27通过外置直流电源33将电子倍增探针内芯23、电子倍增探针外导体27的压差偏置到24V。所述连接法兰22作为连接腔体外壁25与电子倍增探针2的连接装置。所述BNC连接头21作为连接电子倍增探针与检测电路的连接件。

图3为本发明的电子倍增探针细节图；在电子倍增探针内芯23、电子倍增探针外导体27中预加偏置电压，主要是用于捕捉RF器件腔体内部26(真空)中由于电子倍增现象产生的电子，当电子倍增探针捕获电子时，会在内导体中产生ECUR电流。

图4为本发明的检测电路结构图；所述检测电路3由电子倍增探针阳极连接点31、限流电阻32、外置直流电源33、高阻电阻34、肖特基二极管35、电容36以及地37组成；

外置直流电源33的正极通过限流电阻32连接电子倍增探针阳极连接点31；外置直流电源33的负极与地37之间并联设有高阻电阻34、肖特基二极管35、电容36；

所述电子倍增阳极连接点31主要用于将电子倍增探针的ECUR电流引入检测电路。所述限流电阻32主要用于限制电子倍增ECUR电流过大损坏直流电源以及其他电子器件。所述外置直流电源33主要用于为检测电路提供稳定的电源输出。所述的高阻电阻34不仅起到保护电路的作用，而且在无ECUR电流时，起到损耗电容36能量的作用使检测电路3快速恢复到初始状态。所述肖特基二极管35主要用于实现电路的开关作用，当无ECUR电流时，肖特基二极管35处于导通状态，因此电容36中无势能，此时电路输出电压为0。当有ECUR电流时，肖特基二极管35处于截止状态。此时电容36处于充电状态，产生势能。当ECUR电流消失时，肖特基二极管35仍处于截止状态，此时电容36处于放电状态，势能减少，直至为0。所述电容36主要用于存储ECUR电流信息，通过测量电容36的电势能即能得出ECUR电流的大小。

在数据采集模块中，所述同轴传输线7主要将检测电路的输出值无损耗的传输到数据采集卡4。所述数据采集卡4主要用于将检测电路的模拟输出电压值转换到数字信号，并将数字信号存入数据采集卡4中的缓存器中。所述USB数据传输线7主要用于将数据采集卡4中缓存器中的数字信号传输到PC机中的接收器。所述PC机5主要用于显示数据信号的实时信息。

该装置不仅是用于超导回旋加速器谐振腔的RF器件(输入耦合腔体)中，对于航空航天中的射频器件同样适用。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.真空馈口电子倍增电流检测装置，其特征在于，该装置中：电子倍增探针探测RF器件中产生的电子倍增电子；电子倍增探针通过检测电路直接提取RF器件腔体中电子倍增电子产生的ECUR电流，然后通过数字采集卡，将ECUR电流信号转化为数字信号在PC机中实时显示，实现电子倍增电流没有对器件产生损坏的情况下，断开RF开关；

该装置包括电子倍增探针(2)、检测电路(3)、数据采集卡(4)以及PC机(5)；此外还包括电子倍增探针(2)与检测电路(3)之间的同轴传输线(6)、检测电路(3)与数据采集卡(4)之间的同轴传输线(7)以及数据采集卡(4)与PC机(5)之间的USB数据传输线(8)；

所述检测电路(3)由电子倍增探针阳极连接点(31)、限流电阻(32)、外置直流电源(33)、高阻电阻(34)、肖特基二极管(35)、电容(36)以及地(37)组成；

外置直流电源(33)的正极通过限流电阻(32)连接电子倍增探针阳极连接点(31)；外置直流电源(33)的负极与地(37)之间并联设有高阻电阻(34)、肖特基二极管(35)、电容(36)；

所述肖特基二极管(35)用于实现电路的开关作用，当无ECUR电流时，肖特基二极管(35)处于导通状态，因此电容(36)中无势能，此时电路输出电压为0；当有ECUR电流时，肖特基二极管(35)处于截止状态；此时电容(36)处于充电状态，产生势能；当ECUR电流消失时，肖特基二极管(35)仍处于截止状态，此时电容(36)处于放电状态，势能减少，直至为0；所述电容(36)用于存储ECUR电流信息，通过测量电容(36)的电势能即能得出ECUR电流的大小。

2.根据权利要求1所述的真空馈口电子倍增电流检测装置，其特征在于，所述电子倍增探针(2)用于捕捉RF器件(1)真空腔体中由于电子倍增现象产生的电子，当电子倍增探针捕获电子时，会在电子倍增探针内芯(23)中产生ECUR电流；

所述检测电路(3)用于提取电子倍增探针内芯(23)中ECUR电流；

所述同轴传输线(7)、数据采集卡(4)、USB数据传输线(8)以及显示PC机(5)组成数据采集模块；所述数据采集模块利用同轴传输线(6)将外置电容的电势差无损耗的传输至数据采集卡，数据采集卡将模拟信号转化为数字信号，并且通过USB传输线(8)将数字信号传输到PC机(5)，然后经过数字信号处理将腔体内部产生的ECUR电流实时的显示在PC机(5)界面中。

3.根据权利要求2所述的真空馈口电子倍增电流检测装置，其特征在于，所述电子倍增探针(2)是由RF器件外壁(25)、聚氟乙烯支撑(24)、电子倍增探针内芯(23)、电子倍增探针外导体(27)、连接法兰(22)以及BNC连接头(21)组成；

电子倍增探针内芯(23)与电子倍增探针外导体(27)安装在RF器件外壁(25)上，电子倍增探针内芯(23)位于电子倍增探针外导体(27)内，电子倍增探针内芯(23)下端穿过RF器件外壁(25)并伸入RF器件腔体内部(26)，电子倍增探针内芯(23)与RF器件外壁(25)之间设有聚氟乙烯支撑(24)；电子倍增探针外导体(27)上设有连接法兰(22)，BNC连接头(21)与电子倍增探针内芯(23)连接。

4.根据权利要求3所述的真空馈口电子倍增电流检测装置，其特征在于，所述RF器件外壁(25)作为电子倍增探针的固定装置以及电子倍增电子发生器件；RF器件在高压情况下，产生逃逸电子，在一定的射频场的作用下，会撞击RF器件外壁产生电子倍增电子；所述聚氟乙烯支撑(24)用于隔离腔体内部真空与电子倍增探针中的常压状态；电子倍增探针内芯(23)距RF器件外导体内壁具有1mm的距离；电子倍增探针中电子倍增探针内芯(23)、电子倍增探针外导体(27)通过外置直流电源(33)将电子倍增探针内芯(23)、电子倍增探针外导体(27)的压差偏置到24V。

5.根据权利要求4所述的真空馈口电子倍增电流检测装置，其特征在于，在电子倍增探针内芯(23)、电子倍增探针外导体(27)中预加偏置电压用于捕捉RF器件腔体内部(26)中由于电子倍增现象产生的电子，当电子倍增探针捕获电子时，会在内导体中产生ECUR电流。

6.根据权利要求1所述的真空馈口电子倍增电流检测装置，其特征在于，所述电子倍增阳极连接点(31)用于将电子倍增探针的ECUR电流引入检测电路；所述限流电阻(32)用于限制电子倍增ECUR电流过大损坏直流电源以及其他电子器件；所述外置直流电源(33)用于为检测电路提供稳定的电源输出；所述高阻电阻(34)保护电路，而且在无ECUR电流时，起到损耗电容(36)能量的作用使检测电路(3)快速恢复到初始状态。

7.根据权利要求1所述的真空馈口电子倍增电流检测装置，其特征在于，在数据采集模块中，所述同轴传输线(7)将检测电路的输出值无损耗的传输到数据采集卡(4)；所述数据采集卡(4)用于将检测电路的模拟输出电压值转换到数字信号，并将数字信号存入数据采集卡(4)中的缓存器中；所述USB数据传输线(7)用于将数据采集卡(4)中缓存器中的数字信号传输到PC机中的接收器；所述PC机(5)用于显示数据信号的实时信息。

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