CN109669108B - 长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，包括：外壳、电荷收集体、SMA接口、连接器、第一绝缘隔离件和金属板，外壳和电荷收集体为一端开口的空心结构，电荷收集体插设在外壳内，两者开口方向相同、中轴线重合，其中，外壳的内底面中部开设有第一凹槽，第一绝缘隔离件套设在第一凹槽内；凸起部的下侧面上开设有第三凹槽，连接器插设在第三凹槽内部，连接器的上端与电荷收集体连接，连接器的下端与SMA接口的输入端连接；外壳的开口端覆盖有金属板，以使得外壳内形成一闭合空腔。电荷收集体的收集端为开口的中空式结构，有效降低了测量装置的重量，还能够有效的降低二次电子发射系数，保证波形真实性。

Description

长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置

技术领域

本发明涉及长间隙放电技术领域，具体而言，涉及一种长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置。

背景技术

目前，长间隙放电过程中会产生极高的局部场强，空间中的初始电子或者由场致发射产生的电子在电场的加速作用下获得极高的能量，此时电子在气体中由于碰撞所受到的阻力远远小于电场力，电子会被一直加速，这些高能电子引起气隙的预电离，对放电的发展、形态、速度等具有重要影响，探测这些高能电子对研究长间隙放电机理具有重要的意义。

中国发明专利，公开号CN 106646578 A，公开了一种高能质子束流密度分布测试装置，法拉第杯和移动平台等装置整体放置于真空中，虽然受外部干扰影响较小，但装置整体复杂，体积较大，难以用于长间隙放电中高能电子束流的测量。中国发明专利，公开号CN101615578 A公开了一种用于检测等离子体

没注入剂量的法拉第杯，此法拉第杯为倒喇叭式中空结构，消除了高能束流产生的二次电子发射的影响，但由于此装置结构限制，倒喇叭开口型设计无法用于放电过程中的高能电子束流采集。中国发明专利，公开号CN102280345 A公开了一种一端开口、一端封口的法拉第杯，在离子收集杯外增加了金属屏蔽罩结构，可以屏蔽掉真空腔体内部散射的离子造成的干扰，因此可以准确有效的收集目标，但是并未考虑法拉第杯的波阻抗匹配问题，离子产生的电压信号由于开口、封口和法拉第杯主体阻抗的不匹配会产生较大的折反射，引起波形畸变。中国发明专利，公开号CN103760590 A公布了一种纳秒脉冲气体放电下逃逸电子束流测量装置，但此装置体积较小，适用于小型的放电腔室的高能逃逸电子束流测量，此装置收集体为实体设计，在收集体端面处高能电子轰击收集体产生较大的二次电子发射影响测量波形，另外，在设计信号引出线和绝缘套管时，未考虑小区域的阻抗匹配，在引出线引出信号时会发生行波的折反射。J.D.Thomas et.al.设计了一种限口型法拉第杯用来收集质子流，此法拉第杯采用柱形结构，并在法拉第杯内部内置斜面，此斜面用来消除质子在收集体上产生的二次电子的影响，但此装置局限于能量较低的带电粒子束收集，基本不适用能量在几百千甚至兆电子伏特的粒子束流检测。

上述技术方案并未解决在长间隙放电实验中的高能电子束流的收集和检测时，如何实现米级长间隙放电下，不同气压、不同气体、不同放电间距下的高能电子的收集和测量，并且上述技术方案中的收集器比较笨重，无法解决高能电子在收集体表面产生的二次电子的影响，同时上述技术方案并未解决在信号引出时由于阻抗不匹配造成的波形震荡的影响的问题，并且上述技术方案的带宽和测量精度较低，无法够准确的全面的测量到长间隙放电中的高能电子束流。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，旨在解决上述技术问题。

一个方面，本发明提出了一种长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，包括：外壳、电荷收集体、SMA接口、连接器、第一绝缘隔离件和金属板，所述外壳和电荷收集体为一端开口的空心结构，所述电荷收集体插设在所述外壳内，所述外壳和电荷收集体的开口方向相同、中轴线重合，其中，所述外壳的内底面中部开设有第一凹槽，所述第一绝缘隔离件套设在所述第一凹槽内；所述第一绝缘隔离件的上侧面中部开设有第二凹槽，所述电荷收集体的下底面上设置有凸起部，所述凸起部插设在所述第二凹槽内；所述凸起部的下侧面上开设有第三凹槽，所述连接器插设在所述第三凹槽内部，所述连接器的上端与所述电荷收集体连接，所述连接器的下端与所述SMA接口的输入端连接；所述第一凹槽的底面上开设有第一通孔、第二凹槽的底面上开设有第二通孔，所述第一通孔和第二通孔相对设置，所述SMA接口穿过所述第一通孔和第二通孔与所述连接器连接；所述外壳的开口端覆盖有所述金属板，以使得所述外壳内形成一闭合空腔。

进一步地，所述SMA接口的输入端插设在所述第三凹槽内与所述连接器的下端连接，所述SMA接口的输入端的外侧壁上套设有第二绝缘隔离件，所述第二绝缘隔离件用于使所述SMA接口与所述电荷收集体之间绝缘。

进一步地，所述SMA接口的输出端穿过所述第一通孔和第二通孔露出所述外壳的下底面，所述SMA接口的输出端的外侧壁与所述第一通孔的内壁紧密接触。

进一步地，所述SMA接口的输出端的外侧壁上设置有密封圈，所述密封圈还与所述外壳的下底面接触，以使得所述外壳内形成一密闭空间。

进一步地，所述外壳开口端的端部设置有边缘板，所述边缘板与所述金属板连接。

进一步地，所述边缘板上开设有连接孔，所述金属板通过所述连接孔与所述边缘板连接。

进一步地，所述边缘板与所述外壳的底面相对平行设置。

进一步地，，所述第一绝缘隔离件和第二绝缘隔离件由聚四氟乙烯材料制成。

进一步地，所述第一通孔和第二通孔的中轴线与所述外壳和电荷收集体的中轴线重合；所述SMA接口的中轴线与所述电荷收集体的中轴线重合。

进一步地，所述外壳和电荷收集体呈喇叭状开口。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过设置外壳、电荷收集体、SMA接口、连接器、第一绝缘隔离件和金属板，其中，外壳和电荷收集体位于同一中轴线上，以形成同轴式结构，保证波阻抗；电荷收集体收集穿过电源阳极板的高能电子，通过测量高能电子在电荷收集体上形成的电压测量高能逃逸电子信号；电荷收集体通过连接器与SMA接口相连，SMA接口通过同轴电缆与外界示波器相连以传输信号。电荷收集体的收集端为开口的中空式结构，有效降低了测量装置的重量，还能够有效的降低二次电子发射系数，保证波形真实性。SMA接口插设在电荷收集体内并与连接器尾端相连，消除了电荷收集体与连接器尾端之间的阻抗不匹配。同时，通过设置SMA接口，可有效增加测量装置的带宽，提高信号的真实性和准确性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的高能电子检测装置结构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参阅图1所示，本实施例提供了一种长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，包括：外壳1、电荷收集体2、SMA接口3、连接器4、第一绝缘隔离件5和金属板8，所述外壳1和电荷收集体2为一端开口的空心结构，所述电荷收集体2插设在所述外壳1内，所述外壳1和电荷收集体2的开口方向相同、中轴线重合，即，电荷收集体2的下底面与所述外壳1的内底面连接。所述外壳1的内底面中部开设有第一凹槽9，第一凹槽9与第一绝缘隔离件5相对设置，第一绝缘隔离件5套设在所述第一凹槽9内，优选地，第一绝缘隔离件5和第一凹槽9紧密接触；所述第一绝缘隔离件5的上侧面中部开设有第二凹槽10，电荷收集体2的下底面上设置有凸起部11，所述凸起部11插设在所述第二凹槽10内，可以理解的是，凸起部11可以为一凸台，凸台可以单独设置，并与电荷收集体2的下底面连接，优选地，凸台(即凸起部11)与电荷收集体2一体制成，电荷收集体2通过第一绝缘隔离件5与外壳1连接，以使得外壳1和电荷收集体2之间绝缘连接；所述凸起部11的下侧面上开设有第三凹槽12，连接器4插设在所述第三凹槽12内部，所述连接器4的上端与所述电荷收集体2连接，所述连接器4的下端与所述SMA接口3的输入端连接；所述第一凹槽9的底面上开设有第一通孔13、第二凹槽10的底面上开设有第二通孔14，所述第一通孔13和第二通孔14相对设置，所述SMA接口3穿过所述第一通孔13和第二通孔14与所述连接器4连接；所述外壳1的开口端覆盖有所述金属板8，以使得所述外壳1内形成一闭合空腔。

可以看出，通过设置外壳、电荷收集体、SMA接口、连接器、第一绝缘隔离件和金属板，其中，外壳和电荷收集体位于同一中轴线上，以形成同轴式结构，保证波阻抗一致；电荷收集体收集穿过电源阳极板的高能电子，通过测量高能电子在电荷收集体上形成的电压测量高能逃逸电子信号；电荷收集体通过连接器与SMA接口相连，SMA接口通过同轴电缆与外界示波器相连以传输信号。电荷收集体的收集端为开口的中空式结构，有效降低了测量装置的重量，还能够有效的降低二次电子发射系数，保证波形真实性。SMA接口插设在电荷收集体内并与连接器尾端相连，消除了电荷收集体与连接器尾端之间的阻抗不匹配。同时，通过设置SMA接口，可有效增加测量装置的带宽，提高信号的真实性和准确性。

具体而言，SMA接口3的输入端插设在所述第三凹槽12内与所述连接器4的下端连接，SMA接口3的输入端的外侧壁上套设有第二绝缘隔离件6，第二绝缘隔离件6用于使SMA接口3与所述电荷收集体2之间绝缘。

具体而言，上述高能电子检测装置用于收集并检测逃逸电子束流，其中，外壳1、电荷收集体2由金属制成，优选地，外壳1接地，外壳1和电荷收集体2同轴设置，且二者之间设有第一绝缘隔离件5，连接器4设置在电荷收集体2下部，优选地，连接器4通过第二绝缘隔离件6与电荷收集体2和SMA接口3连接，SMA接口3一端深入电荷收集体2的内部，另外一端为信号输出端，并通过同轴电缆连接示波器。

具体而言，上述SMA接口3优选为一同轴SMA接口，第二绝缘隔离件6敷设在连接器4和SMA接口3的外侧壁上，以使得连接器4和SMA接口3通过第二绝缘隔离件6与电荷收集体2连接，优选地，仅在SMA接口3插入第三凹槽12内的输入端的侧壁上设置第二绝缘隔离件6，其另一端的输出端可以不设置第二绝缘隔离件6。

具体而言，外壳1包括第一侧壁17和第一底面18，第一侧壁17设置在第一底面18上侧面的边缘位置，第一侧壁17和第一底面18呈喇叭状开口设置，第一底面18上侧面的中部开设有第一凹槽9，第一绝缘隔离件5插设在第一凹槽9内，第一绝缘隔离件5的中部开设有第二凹槽10，凸起部11插设在第二凹槽10内。外壳1、电荷收集体2、第一绝缘隔离件5、第一凹槽9、第二凹槽10和凸起部11的中轴线重合。

具体而言，第一绝缘隔离件5和凸起部11均为一方形结构，相对的，第一绝缘隔离件5上侧面开设的第二凹槽10同样为一与凸起部11相对的方形凹槽，两者相对设置，以使得凸起部11插设其中。

具体而言，外壳1开口端的端部设置有边缘板16，边缘板16与所述金属板8连接，以使得外壳1的内部形成以空腔，即，边缘板16设置在第一侧壁17的远离第一底面18的端部，边缘板16与第一侧壁17通过焊接或者螺栓连接为一体，优选的，边缘板16与第一侧壁17通过螺栓连接为一体。具体的，边缘板16上开设有连接孔7，所述金属板8通过所述连接孔7与所述边缘板16连接。边缘板16与外壳1的底面相对平行设置，即，边缘板16与第一底面18相对平行设置。连接孔7开设在边缘板16的中部，金属板8的边缘位置开设有与连接孔相对设置的另一连接孔，连接孔7与另一连接孔通过螺栓或者螺钉连接，即，连接孔7与另一连接孔为螺纹孔，是的螺栓通过将两者连接为一体，或者，连接孔7与另一连接孔为光孔，通过螺母和螺钉将边缘板16与金属板8连接为一体。

在具体实施时，还可以在外壳1(即边缘板16)与金属板8之间设置一密封圈，以增强外壳1内部空间的密封性。

具体而言，电荷收集体2包括第二侧壁19和第二底面20，第二侧壁19设置在第二底面20上侧面的边缘位置，第二侧壁19和第二底面20呈喇叭状开口设置，第二底面20下侧设置有凸起部11，第二底面20和凸起部11中轴线重合。凸起部11的已选与第二底面20连接，另一端的端面上开设有第三凹槽12，连接器4插设在第三凹槽12的内部，在连接器4插设在第三凹槽12的内部后，再将SMA接口3的输入端插入第三凹槽12内，并与连接器4连接。优选地，第三凹槽12包括第一子凹槽和第二子凹槽，第二子凹槽设置在第一子凹槽的内底面上，第一子凹槽用于插设SMA接口3的输入端，第二子凹槽用于插设连接器4，可以理解的是，在插设连接器4时，连接器4穿过第一子凹槽插设入第二子凹槽内。具体的，第一子凹槽与第二子凹槽的中轴线重合，且与外壳1和电荷收集体2的中轴线重合。第一子凹槽的内径大于第二子凹槽的内径，再具体实施时，第一子凹槽的内径根据SMA接口3的输入端的外径设置，第二子凹槽的内径根据连接器4的外径进行设置。

具体而言，第二绝缘隔离件6的外侧壁敷设在第三凹槽12的内壁上，且第二绝缘隔离件6的内侧壁与SMA接口3的输入端和连接器4的外侧面接触。具体的，第二绝缘隔离件6的外侧壁分别与第一子凹槽和第二子凹槽的内壁接触，第二绝缘隔离件6的外径分别根据第一子凹槽和第二子凹槽的内径进行相对应的设置，以使得第二绝缘隔离件6能够与第一子凹槽和第二子凹槽紧密接触，并能够有效地将SMA接口3的输入端和连接器4套设其中。

可以理解的是，为解决电荷收集体2产生快脉冲信号通过连接器4时发生折反射从而形成波形畸变的问题，将电荷收集体2的输出端(即凸起部11)设置为内开口结构，SMA接口3深入电荷收集体2的输出端内部与连接器4连接，从而有效地解决了信号输出时由于阻抗不匹配造成的波形失真问题。

具体而言，第二侧壁19、第二底面20和凸起部11可以由金属材料制成，可以是分体制作并连接为一体，还可以是一体制造成型。

可以理解的是，电荷收集体2的电荷收集端为中空的喇叭式开口状结构，中空结构可有效降低电荷收集体2的质量。另外，由于放电产生的高能电子轨迹为小角度发散式传播，对比实心的收集体结构，中空的喇叭式结构可有效减小二次电子发射系数，保证测量得到高能电子波形的真实性。电荷收集体2下端的凸起部11端通过绝缘部件5固定在外壳1上。为保证电荷收集体2与外壳1之间组成的同轴结构波阻抗不变，电荷收集体2的下端设置为收缩的柱形结构(即凸起部11)，从而降低高能电子在电荷收集体2上产生的信号的折反射，保证波形不失真。

上述高能电子检测装置在工作时，电荷收集体2产生的电压信号通过连接器4与SMA接口3输入端相连，连接器4上端直接连接到电荷收集体2并与电荷收集体2紧密接触。连接器4尾端与SMA接口内部直接相连将高能电子产生的电压信号传输至SMA接口3。

具体而言，SMA接口3的输出端穿过所述第一通孔13和第二通孔14露出所述外壳1的下底面，所述SMA接口3的输出端的外侧壁与所述第一通孔13的内壁紧密接触。即，第一通孔13和第二通孔14分别设置在第一绝缘隔离件5和第一底面18上，具体的，第一通孔13设置在第一凹槽9的内底面中部，第二通孔14设置在第二凹槽10内底面中部，第一通孔13和第二通孔14为一光孔，两者相对设置，以使得SMA接口3通过，同时，SMA接口3的输出端一侧的端部穿过第一通孔13和第二通孔14之后露出第一底面18下侧，以便于SMA接口3的输出端与示波器连接。第一通孔13和第二通孔14的大小只需能够使SMA接口3通过即可，优选的，SMA接口3分别与第一通孔13和第二通孔14紧密接触，以保证外壳1内部的密封性。

具体而言，SMA接口3的输出端的外侧壁上设置有密封圈15，所述密封圈15还与所述外壳1的下底面接触，以使得所述外壳1内形成一密闭空间。密封圈15设置在第一底面18下侧，并套设在SMA接口3上，密封圈15与第一底面18下侧面紧密接触。

具体而言，第一通孔13和第二通孔14的中轴线与所述外壳1和电荷收集体2的中轴线重合，SMA接口3的中轴线与电荷收集体2的中轴线重合，第一通孔13和第二通孔14的中轴线与SMA接口3的中轴线与电荷收集体2的中轴线。

具体而言，金属板8的侧边缘与边缘板16连接，优选的，金属板8的中部与电荷收集体22的端部不接触。金属板8由金属材料制成，金属板8优选为铝箔制成的板式结构，可通过改变铝箔厚度改变通过铝箔的高能电子能量从而得到高能电子的能量分布。

具体而言，上述第一绝缘隔离件5和第二绝缘隔离件6由聚四氟乙烯材料制成。

具体而言，上述电荷收集体2与外壳1为同轴式结构，保证波阻抗为50Ω。电荷收集体2通过连接器4与SMA接口3相连，SMA接口3通过同轴电缆与外界示波器相连。电荷收集体2收集穿过电源阳极板的高能电子，通过测量高能电子在电荷收集体上形成的电压测量高能逃逸电子信号。SMA接口3插入电荷收集体2的内部并与连接器4尾端相连，消除了电荷收集体2与连接器4尾端之间的阻抗不匹配。具体的，SMA接口3的带宽可达25.6GHz，可有效增加测量装置的带宽，提高信号的真实性和准确性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，包括：外壳(1)、电荷收集体(2)、SMA接口(3)、连接器(4)、第一绝缘隔离件(5)和金属板(8)，所述外壳(1)和电荷收集体(2)为一端开口的空心结构，所述电荷收集体(2)插设在所述外壳(1)内，所述外壳(1)和电荷收集体(2)的开口方向相同、中轴线重合，其中，

所述外壳(1)的内底面中部开设有第一凹槽(9)，所述第一绝缘隔离件(5)套设在所述第一凹槽(9)内；所述第一绝缘隔离件(5)的上侧面中部开设有第二凹槽(10)，所述电荷收集体(2)的下底面上设置有凸起部(11)，所述凸起部(11)插设在所述第二凹槽(10)内；

所述凸起部(11)的下侧面上开设有第三凹槽(12)，所述连接器(4)插设在所述第三凹槽(12)内部，所述连接器(4)的上端与所述电荷收集体(2)连接，所述连接器(4)的下端与所述SMA接口(3)的输入端连接；

所述第一凹槽(9)的底面上开设有第一通孔(13)、第二凹槽(10)的底面上开设有第二通孔(14)，所述第一通孔(13)和第二通孔(14)相对设置，所述SMA接口(3)穿过所述第一通孔(13)和第二通孔(14)与所述连接器(4)连接；

所述外壳(1)的开口端覆盖有所述金属板(8)，以使得所述外壳(1)内形成一闭合空腔。

2.根据权利要求1所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述SMA接口(3)的输入端插设在所述第三凹槽(12)内与所述连接器(4)的下端连接，所述SMA接口(3)的输入端的外侧壁上套设有第二绝缘隔离件(6)，所述第二绝缘隔离件(6)用于使所述SMA接口(3)与所述电荷收集体(2)之间绝缘。

3.根据权利要求1所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述SMA接口(3)的输出端穿过所述第一通孔(13)和第二通孔(14)露出所述外壳(1)的下底面，所述SMA接口(3)的输出端的外侧壁与所述第一通孔(13)的内壁紧密接触。

4.根据权利要求3所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述SMA接口(3)的输出端的外侧壁上设置有密封圈(15)，所述密封圈(15)还与所述外壳(1)的下底面接触，以使得所述外壳(1)内形成一密闭空间。

5.根据权利要求1所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述外壳(1)开口端的端部设置有边缘板(16)，所述边缘板(16)与所述金属板(8)连接。

6.根据权利要求5所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述边缘板(16)上开设有连接孔(7)，所述金属板(8)通过所述连接孔(7)与所述边缘板(16)连接。

7.根据权利要求5所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述边缘板(16)与所述外壳(1)的底面相对平行设置。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述第一绝缘隔离件(5)和第二绝缘隔离件(6)由聚四氟乙烯材料制成。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的长间隙脉冲放电过程中的高能电子检测装置，其特征在于，所述外壳(1)和电荷收集体(2)呈喇叭状开口。

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