CN110286403B - 一种交错电荷收集二维束流轮廓探测器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交错电荷收集二维束流轮廓探测器及方法，其包括支架、安装孔、穿线孔、二维阳极板、铜支撑柱、二次电子抑制丝网板和接地丝网板；所述支架中部设置有若干所述安装孔，所述支架两侧设置有若干所述穿线孔，所述二维阳极板通过若干所述安装孔固定设置在所述支架上；在所述二维阳极板上由靠近所述二维阳极板一侧起依次设置有所述二次电子抑制丝网板、接地丝网板，所述二次电子抑制丝网板和接地丝网板通过铜支撑柱和螺母与所述二维阳极板固定连接。本发明能有效的防止由于二次电子逃逸导致的测量结果偏大，能在带电粒子束的束流轮廓测量中广泛应用。

Description

一种交错电荷收集二维束流轮廓探测器及方法

技术领域

本发明涉及一种带电粒子束二维束流轮廓诊断装置及方法，特别是关于一种在带电粒子束的束流轮廓测量中应用的交错电荷收集二维束流轮廓探测器及方法。

背景技术

束流轮廓包含带电粒子束流的流强分布、重心位置、束斑大小等信息，是带电粒子加速器传输、优化，以及粒子与物质相互作用实验，特别是粒子束辐照实验中最重要的束流参数之一。

通常的束流轮廓探测器有荧光靶或荧光屏探测器、法拉第筒阵列探测器、单丝/多丝扫描探测器和MCP探测器等。其中：

荧光靶或荧光屏探测器用CCD相机探测束流碰撞荧光靶或荧光屏诱发的荧光得到束流轮廓信息，但是荧光靶或荧光屏探测器：无法测量弱束流；不能给出流强信息；易受杂散离子、电子、光子影响(尤其是采用Wien filter，而不是采用二极铁对粒子束进行分析的时候)。

法拉第筒阵列探测器通过皮安计直接测量多个不同位置处的束流流强得到束流轮廓信息。但是法拉第筒阵列探测器受结构限制，空间周期一般是几个毫米；电子学系统一般采用多路选择电路和单通道皮安计相配合的方式实现多通道的信号读出。多路选择电路会引入额外的噪声，受较大的输入电容的影响，每各通道信号都随测量时间呈现指数衰减的趋势，稳定时间一般在几十秒，大大增加了得到束流轮廓所需的测量时间。其空间分辨差。

单丝/多丝扫描探测器通过旋转、扫描探测丝，直接测量不同位置丝上的电流值，或用光子探测器探测带电粒子与丝相互作用发出的光子，得到束流轮廓信息。但是，单丝/多丝扫描探测器：丝太细，容易断；旋转扫描装置复杂；需要多次测量，总测量时间较长。

MCP探测器可直接探测微弱束流的束流轮廓。但是MCP探测器易损坏，只能探测极弱的束流(pA级及以下)。强流入射情况下极易损坏。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种交错电荷收集二维束流轮廓探测器及方法，该装置可以同时直接测量得到束流在水平方向(X方向)和竖直方向(Y方向)上的一维投影(即一维电流分布)，并可通过算法计算得到束流的二维分布(即二维束流轮廓)，能有效的防止由于二次电子逃逸导致的测量结果偏大。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种交错电荷收集二维束流轮廓探测器，其包括支架、安装孔、穿线孔、二维阳极板、铜支撑柱、二次电子抑制丝网板和接地丝网板；所述支架中部设置有若干所述安装孔，所述支架两侧设置有若干所述穿线孔，所述二维阳极板通过若干所述安装孔固定设置在所述支架上；在所述二维阳极板上由靠近所述二维阳极板一侧起依次设置有所述二次电子抑制丝网板、接地丝网板，所述二次电子抑制丝网板和接地丝网板通过铜支撑柱和螺母与所述二维阳极板固定连接。

进一步，所述二维阳极板包括绝缘基板、电荷收集电极和信号引出导线；所述绝缘基板中部设置有所述电荷收集电极，所述信号引出导线位于所述绝缘基板的背面；所述信号引出导线一端与所述电荷收集电极连接，另一端通过若干所述穿线孔穿过所述支架与多路皮安计连接；所述电荷收集电极的分布区域为所述二维阳极板的灵敏区域，所述电荷收集电极由X方向电荷收集电极阵列和Y方向电荷收集电极阵列构成，所述X方向电荷收集电极阵列和Y方向电荷收集电极阵列分别由所述信号引出导线独立引出，所述X方向电荷收集电极阵列用于给出入射束流的X方向轮廓，所述Y方向电荷收集电极阵列用于给出入射束流的Y方向轮廓。

进一步，所述X方向电荷收集电极阵列中的X方向电荷收集电极包括若干X方向电荷收集像素块，所述若干X方向电荷收集像素块经X方向像素块连接导线串联在一起；所述Y方向电荷收集电极阵列中的Y方向电荷收集电极包括若干Y方向电荷收集像素块，所述若干Y方向电荷收集像素块经Y方向像素块连接导线串联在一起，所述Y方向像素块连接导线印制在所述绝缘基板背面。

进一步，所述绝缘基板的四个顶角处分别设置有二次电子抑制丝网板固定孔和接地丝网板固定孔；与所述接地丝网板固定孔相比，所述二次电子抑制丝网板固定孔靠近所述电荷收集电极，所述二次电子抑制丝网板固定孔用于安装所述二次电子抑制丝网板，所述接地丝网板固定孔用于安装所述接地丝网板。

进一步，所述二次电子抑制丝网板包括第一丝网固定框、第一金属丝绕线槽阵列和第一金属丝网；所述第一丝网固定框中间镂空，镂空区域大于所述电荷收集电极的分布区域；在所述第一丝网固定框上沿水平和竖直方向均设置有所述第一金属丝绕线槽阵列，在所述镂空区域金属丝分别沿水平和竖直方向通过所述第一金属丝绕线槽阵列绕制形成所述第一金属丝网。

进一步，位于所述第一丝网固定框的四个顶角处均设置有第一固定孔，通过所述第一固定孔将所述第一丝网固定框与所述二维阳极板固定。

进一步，所述接地丝网板包括第二丝网固定框、第二金属丝绕线槽阵列、第二金属丝网和第二固定孔；所述第二丝网固定框中间镂空，镂空区域与所述二次电子抑制丝网板上所述第一丝网固定框的镂空区域大小相同；在所述第二丝网固定框上沿水平和竖直方向均设置有所述第二金属丝绕线槽阵列，在所述镂空区域金属丝分别沿水平和竖直方向通过所述第二金属丝绕线槽阵列绕制形成所述第二金属丝网。

进一步，位于所述第二丝网固定框的四个顶角处均设置有第二固定孔，通过所述第二固定孔将所述第二丝网固定框与所述二次电子抑制丝网板和二维阳极板固定。

一种基于上述探测器的交错电荷收集二维束流轮廓探测方法，其包括以下步骤：1)将二次电子抑制丝网板连接至负高压，用于抑制入射束流轰击阳极电极发射出的二次电子；2)接地丝网板整体接地，用于限制二次电子抑制丝网板的电场；3)由入射束流轰击二维阳极板的某一区域，沉积到电荷收集电极上的电荷被直接导出；沉积到绝缘基板上的电荷会在电荷沉积位置和临近电荷收集电极之间产生电场，该电场会将后续入射的带电粒子偏转至临近电荷收集电极上，沉积携带的电荷并被导出；沉积在绝缘基板上的电荷会通过绝缘基板的弱导电性将电荷泄放到临近的电荷收集电极上；4)经信号引出导线从二维阳极板的不同电荷收集电极上导出的电荷被多路皮安计探测，同时给出入射束流X方向和Y方向的电流分布，进而得到入射束流的总流强和二维轮廓。

进一步，所述步骤4)中，入射束流的总流强和二维轮廓的获得方法为：假设

和

分别表示X方向第i道和Y方向第j道测得的电流值，F^x(t)和F^y(t)分别表示任意t时刻测量的入射束流X方向和Y方向的电流分布，则电流分布为：

在任意时刻t时，由电流分布得到入射束流的总流强I_toal(t)和二维轮廓F^xy(t)：

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明使用于所有低能量(几百keV)、弱流强(0.1pA～几百nA)的带电粒子束(特别适用于EBIS引出的低能、弱离子束)，采用交叉像素块的方法设计了二维阳极板，结合高精度皮安计系统可以直接测量入射束流的X、Y两个方向一维电流分布和总入射流强，并计算得到二维束流轮廓。2、本发明引入二次电子丝网板和接地丝网板，能有效的抑制入射束流轰击阳极电极发射出的二次电子逃逸。二次电子在二次电子丝网板电场的作用下被偏转回阳极，能有效的防止由于二次电子逃逸导致的测量结果偏大。

本发明在低能、弱束流(如EBIS平台引出的束流)的探测方面具有突出的优势，能在带电粒子束的束流轮廓测量中广泛应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的二维阳极板结构示意图；

图3是图2中A处局部放大示意图；

图4是本发明的二次电子丝网板结构示意图；

图5是本发明的接地丝网板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种交错电荷收集二维束流轮廓探测器，其包括支架1、安装孔2、穿线孔3、二维阳极板4、铜支撑柱、二次电子抑制丝网板6、接地丝网板7和螺母8。支架1中部设置有若干安装孔2，支架1两侧设置有若干穿线孔3，二维阳极板4通过若干安装孔2固定设置在支架1上；位于二维阳极板4的四个顶角处分别设置有铜支撑柱5，在二维阳极板4上由靠近二维阳极板4一侧起依次设置有二次电子抑制丝网板6、接地丝网板7，二次电子抑制丝网板6和接地丝网板7通过铜支撑柱5和螺母8与二维阳极板4固定连接。其中：

如图2所示，二维阳极板4包括绝缘基板41、电荷收集电极42和信号引出导线(图中未示)。绝缘基板41中部设置有电荷收集电极42，信号引出导线位于绝缘基板41的背面，信号引出导线一端与电荷收集电极42连接，另一端通过若干穿线孔3穿过支架1与多路皮安计连接，以实现入射束流X、Y两个方向一维电流分布和总入射流强的直接精确测量。电荷收集电极42的分布区域为二维阳极板4的灵敏区域，电荷收集电极42由X方向电荷收集电极阵列和Y方向电荷收集电极阵列构成，X方向电荷收集电极阵列和Y方向电荷收集电极阵列分别由信号引出导线独立引出(如图3所示)。X方向电荷收集电极阵列用于给出入射束流的X方向轮廓，Y方向电荷收集电极阵列用于给出入射束流的Y方向轮廓。需要指出，当入射离子的电荷沉积在电荷收集电极之间的绝缘基板41(或绝缘缝隙)上时，入射离子所携带的电荷依然会被临近的电荷收集电极全收集。主要原因有以下两个方面：绝缘基板41的电阻率不是无穷大(例如，FR4基板的电阻率通常为10⁸MΩ·cm)，这将导致沉积在绝缘缝隙中的电荷会泄放到临近的电荷收集电极上；沉积在绝缘缝隙中的电荷会以自组织的形式在电荷沉积位置和临近的电荷收集电极(电荷收集电极通过皮安计系统接地)之间建立电场，该电场会将后续入射的带电粒子偏转至临近的电荷收集电极上。

上述实施例中，X方向电荷收集电极阵列中的X方向电荷收集电极包括若干X方向电荷收集像素块43，若干X方向电荷收集像素块43经X方向像素块连接导线44串联在一起；Y方向电荷收集电极阵列中的Y方向电荷收集电极包括若干Y方向电荷收集像素块45，若干Y方向电荷收集像素块45经Y方向像素块连接导线(图中未示)串联在一起，Y方向像素块连接导线印制在绝缘基板41背面，将同一行所有的Y方向电荷收集像素块45串联在一起。

上述实施例中，绝缘基板41的四个顶角处分别设置有二次电子抑制丝网板固定孔46和接地丝网板固定孔47；与接地丝网板固定孔47相比，二次电子抑制丝网板固定孔46靠近电荷收集电极42，二次电子抑制丝网板固定孔46用于安装二次电子抑制丝网板6，接地丝网板固定孔47用于安装接地丝网板7。

上述各实施例中，如图4所示，二次电子抑制丝网板6包括第一丝网固定框61、第一金属丝绕线槽阵列62、第一金属丝网63和第一固定孔64。第一丝网固定框61中间镂空，镂空区域稍大于电荷收集电极42的分布区域。在第一丝网固定框61上沿水平和竖直方向均设置有第一金属丝绕线槽阵列62，在镂空区域金属丝分别沿水平和竖直方向通过第一金属丝绕线槽阵列62绕制形成第一金属丝网63，通过第一金属丝绕线槽阵列62可限制每段金属丝的位置。工作时，将二次电子抑制丝网板6连接至负高压(包括金属丝)。由于入射束流轰击阳极金属电极发射出的二次电子，被二次电子抑制丝网板6的电场偏转回阳极，从而防止测量的入射束流的总流强偏大。其中，位于第一丝网固定框61的四个顶角处均设置有第一固定孔64，通过第一固定孔64将第一丝网固定框61与二维阳极板4固定。

上述各实施例中，如图5所示，接地丝网板7包括第二丝网固定框71、第二金属丝绕线槽阵列72、第二金属丝网73和第二固定孔74。第二丝网固定框71中间镂空，镂空区域与二次电子抑制丝网板6上第一丝网固定框61的镂空区域大小相同。在第二丝网固定框71上沿水平和竖直方向均设置有第二金属丝绕线槽阵列72，在镂空区域金属丝分别沿水平和竖直方向通过第二金属丝绕线槽阵列72绕制形成第二金属丝网73，通过第二金属丝绕线槽阵列72可限制每段金属丝的位置。即，金属丝绕制方法、位置和金属丝阵列周期都与二次电子抑制丝网板6相同。工作时，将接地丝网板7接地(包括金属丝)，用于限制二次电子抑制丝网板6的电场。其中，位于第二丝网固定框71的四个顶角处均设置有第二固定孔74，通过第二固定孔74将第二丝网固定框71与二次电子抑制丝网板6和二维阳极板4固定。

上述各实施例中，二次电子抑制丝网板6和接地丝网板7中金属丝的直径需同时满足高的入射束流穿透率和高的拉断力两个要求，通常选择直径为几十μm的镀金钨丝。

基于上述探测器，本发明还提供一种交错电荷收集二维束流轮廓探测方法，其包括以下步骤：

1)将二次电子抑制丝网板6连接至负高压，用于抑制入射束流轰击阳极电极发射出的二次电子；

其中，所加负高压值由入射束流的能量决定，通常为-200～-500V；

2)接地丝网板7整体接地，用于限制二次电子抑制丝网板6的电场；

3)由入射束流轰击二维阳极板4的某一区域，沉积到电荷收集电极42上的电荷被直接导出；沉积到绝缘基板41上的电荷会在电荷沉积位置和临近电荷收集电极42之间产生电场，该电场会将后续入射的带电粒子偏转至临近电荷收集电极42上，沉积携带的电荷并被导出；沉积在绝缘基板41上的电荷会通过绝缘基板41的弱导电性将电荷泄放到临近的电荷收集电极42上；

4)经信号引出导线从二维阳极板4的不同电荷收集电极42上导出的电荷被多路皮安计探测，同时给出入射束流X方向和Y方向的电流分布；

假设

和

分别表示X方向第i道和Y方向第j道测得的电流值，F^x(t)和F^y(t)分别表示任意t时刻测量的入射束流X方向和Y方向的电流分布，则电流分布为：

在任意时刻t时，由电流分布得到入射束流的总流强I_toal(t)和二维轮廓F^xy(t)：

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，例如电极的形状、丝网的固定方式和组装后的几何结构，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种交错电荷收集二维束流轮廓探测器，其特征在于：该探测器包括支架、安装孔、穿线孔、二维阳极板、铜支撑柱、二次电子抑制丝网板和接地丝网板；所述支架中部设置有若干所述安装孔，所述支架两侧设置有若干所述穿线孔，所述二维阳极板通过若干所述安装孔固定设置在所述支架上；在所述二维阳极板上由靠近所述二维阳极板一侧起依次设置有所述二次电子抑制丝网板、接地丝网板，所述二次电子抑制丝网板和接地丝网板通过铜支撑柱和螺母与所述二维阳极板固定连接；

所述二维阳极板包括绝缘基板、电荷收集电极和信号引出导线；所述绝缘基板中部设置有所述电荷收集电极，所述信号引出导线位于所述绝缘基板的背面；所述信号引出导线一端与所述电荷收集电极连接，另一端通过若干所述穿线孔穿过所述支架与多路皮安计连接；所述电荷收集电极的分布区域为所述二维阳极板的灵敏区域，所述电荷收集电极由X方向电荷收集电极阵列和Y方向电荷收集电极阵列构成，所述X方向电荷收集电极阵列和Y方向电荷收集电极阵列分别由所述信号引出导线独立引出，所述X方向电荷收集电极阵列用于给出入射束流的X方向轮廓，所述Y方向电荷收集电极阵列用于给出入射束流的Y方向轮廓，

所述X方向电荷收集电极阵列中的X方向电荷收集电极包括若干X方向电荷收集像素块，所述若干X方向电荷收集像素块经X方向像素块连接导线串联在一起；所述Y方向电荷收集电极阵列中的Y方向电荷收集电极包括若干Y方向电荷收集像素块，所述若干Y方向电荷收集像素块经Y方向像素块连接导线串联在一起，所述Y方向像素块连接导线印制在所述绝缘基板背面。

2.如权利要求1所述探测器，其特征在于：所述绝缘基板的四个顶角处分别设置有二次电子抑制丝网板固定孔和接地丝网板固定孔；与所述接地丝网板固定孔相比，所述二次电子抑制丝网板固定孔靠近所述电荷收集电极，所述二次电子抑制丝网板固定孔用于安装所述二次电子抑制丝网板，所述接地丝网板固定孔用于安装所述接地丝网板。

3.如权利要求1或2所述探测器，其特征在于：所述二次电子抑制丝网板包括第一丝网固定框、第一金属丝绕线槽阵列和第一金属丝网；所述第一丝网固定框中间镂空，镂空区域大于所述电荷收集电极的分布区域；在所述第一丝网固定框上沿水平和竖直方向均设置有所述第一金属丝绕线槽阵列，在所述镂空区域金属丝分别沿水平和竖直方向通过所述第一金属丝绕线槽阵列绕制形成所述第一金属丝网。

4.如权利要求3所述探测器，其特征在于：位于所述第一丝网固定框的四个顶角处均设置有第一固定孔，通过所述第一固定孔将所述第一丝网固定框与所述二维阳极板固定。

5.如权利要求3所述探测器，其特征在于：所述接地丝网板包括第二丝网固定框、第二金属丝绕线槽阵列、第二金属丝网和第二固定孔；所述第二丝网固定框中间镂空，镂空区域与所述二次电子抑制丝网板上所述第一丝网固定框的镂空区域大小相同；在所述第二丝网固定框上沿水平和竖直方向均设置有所述第二金属丝绕线槽阵列，在所述镂空区域金属丝分别沿水平和竖直方向通过所述第二金属丝绕线槽阵列绕制形成所述第二金属丝网。

6.如权利要求5所述探测器，其特征在于：位于所述第二丝网固定框的四个顶角处均设置有第二固定孔，通过所述第二固定孔将所述第二丝网固定框与所述二次电子抑制丝网板和二维阳极板固定。

7.一种基于如权利要求1至6任一项所述探测器的交错电荷收集二维束流轮廓探测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将二次电子抑制丝网板连接至负高压，用于抑制入射束流轰击阳极电极发射出的二次电子；

2)接地丝网板整体接地，用于限制二次电子抑制丝网板的电场；

3)由入射束流轰击二维阳极板的某一区域，沉积到电荷收集电极上的电荷被直接导出；沉积到绝缘基板上的电荷会在电荷沉积位置和临近电荷收集电极之间产生电场，该电场会将后续入射的带电粒子偏转至临近电荷收集电极上，沉积携带的电荷并被导出；沉积在绝缘基板上的电荷会通过绝缘基板的弱导电性将电荷泄放到临近的电荷收集电极上；

4)经信号引出导线从二维阳极板的不同电荷收集电极上导出的电荷被多路皮安计探测，同时给出入射束流X方向和Y方向的电流分布，进而得到入射束流的总流强和二维轮廓。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，入射束流的总流强和二维轮廓的获得方法为：

假设

和

分别表示X方向第i道和Y方向第j道测得的电流值，F^x(t)和F^y(t)分别表示任意t时刻测量的入射束流X方向和Y方向的电流分布，则电流分布为：

在任意时刻t时，由电流分布得到入射束流的总流强I_toal(t)和二维轮廓F^xy(t)：

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