CN110780335B - 一种强流带电粒子束二维分布监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种强流带电粒子束二维分布监测装置，包括：依次排列的第一冷却板、准直板和测量板以及数据处理模块，第一冷却板朝向带电粒子束入射方向，对带电粒子束进行冷却；准直板用于准直通过第一冷却板的带电粒子束；测量板上设有若干成阵列式排布的第一通孔，第一通孔远离准直板的端面上设有收集器，收集器监测带电粒子束信号，并将其传输给数据处理模块；数据处理模块根据所述收集器采集的带电粒子信号计算带电粒子束的二维分布矩阵。本发明通过设置在测量板上的微型法拉第筒阵列输出的电信号值计算出带电粒子束的二维分布状况，提高了测试结果的准确性。

Description

一种强流带电粒子束二维分布监测装置
技术领域
本发明是关于一种强流带电粒子束二维分布监测装置，属于带电粒子束监测领域。
背景技术
带电粒子束监测装置是加速器中不可或缺的关键设备。目前，对带电粒子束进行监测的装置主要：包括法拉第筒、荧光靶、薄膜监测器、法拉第筒阵列监测器和束流剖面监测器等。其中，法拉第筒通过收集全部的入射粒子，产生电信号，可以给出束流的总流强信息；荧光靶在入射束流轰击下会产生大量的荧光，通过监测发出的荧光，可以给出束流的位置和分布信息。薄膜监测器通常为材料辐照实验常用的束流均匀度监测器，能够粗糙地给出束流的轮廓和均匀度信息。法拉第筒阵列监测器和束流轮廓监测器可以给出入射束流横截面的束流轮廓信息。但上述带电粒子束监测装置都是针对低能带电粒子束设置的，不能用于能量很高的强流带电粒子束。法拉第筒、荧光靶等监测装置虽然可以通过水冷实现对强流带电粒子束的监测，但仍然存在无法给出精确的束流分布信息。对于法拉第筒阵列监测器虽然能够监测强流带电粒子束分布情况，但由于其自身体积限制了法拉第筒的排布数量，故仍然无法完整、全面的反应带电粒子束的分布信息。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种强流带电粒子束二维分布监测装置，通过设置在测量板上的微型法拉第筒输出的电信号值计算出带电粒子束的二维分布状况，提高了测试结果的准确性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：本发明提供了一种强流带电粒子束二维分布监测装置，包括：依次排列的第一冷却板、准直板和测量板以及数据处理模块，所述第一冷却板朝向带电粒子束入射方向，对所述带电粒子束进行冷却；所述准直板用于准直通过所述第一冷却板的所述带电粒子束；所述测量板上设有若干成阵列式排布的第一通孔，所述第一通孔远离所述准直板的端面上设有收集器，所述第一通孔和所述收集器形成微型法拉第筒，所述收集器监测带电粒子束信号，并将其传输给所述数据处理模块；所述数据处理模块根据所述收集器采集的带电粒子信号计算带电粒子束的二维分布矩阵；其中，所述第一冷却板和所述准直板上分别设有与各所述第一通孔同轴的第二通孔和第三通孔。
进一步，将每一行所述微型法拉第筒分成一组，并将该组的每一个所述收集器串联，得到一个电信号；收集所有行对应的所述电信号，其用于反映所述带电粒子束在纵向的一维电流分布；将每一列所述微型法拉第筒分成一组，并将该组的每一个所述收集器串联，得到一个电信号；收集所有列对应的所述电信号，其用于反映所述带电粒子束在横向的一维电流分布。
进一步，所述计算带电粒子束的二维分布矩阵的方法包括：用
Figure BDA0002246077970000021
和
Figure BDA0002246077970000022
分别表示第i行和第j列测得的电信号，Fx(t)和Fy(t)分别表示任意t时刻测量的入射带电粒子束横向和纵向的电信号分布，任意时刻t时，入射束流的总信号强度Itoal(t)和二维分布矩阵Fxy(t)分别通过如下公式(2)、(3)计算：
Figure BDA0002246077970000023
Figure BDA0002246077970000024
Figure BDA0002246077970000025
进一步，所述准直板和所述测量板之间还依次设置高压板和接地板，所述高压板和所述接地板上分别设有与各所述第一通孔同轴的第四通孔和第五通孔。
进一步，所述准直板与所述高压板之间、所述高压板与所述接地板之间以及所述接地板和所述测量板之间均设有绝缘板，各所述绝缘板上分别设有与各所述第一通孔同轴的第六通孔。
进一步，所述第六通孔的孔径大于所述第二通孔的孔径；所述第二通孔的孔径与所述第五通孔的孔径相等，并大于所述第四通孔的孔径；所述第四通孔的孔径大于所述第一通孔的孔径，所述第一通孔的孔径大于第三通孔的孔径。
进一步，所述第三通孔和所述第四通孔为金属化孔。
进一步，所述测量板背离所述带电粒子束入射的方向设有第二冷却板，所述第二冷却板和所述测量板之间设有绝缘耐热膜。
进一步，所述绝缘耐热膜为玻璃纤维布。
进一步，所述收集器包括铜螺钉。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用设置在测量板上的微型法拉第筒阵列，能够在单位面积上设置更多法拉第筒，能够根据入射带电粒子束流水平、纵向一维电流分布精确获得总入射流强和带电粒子二维分布矩阵。2、通过在带电粒子束入射方向和出射方向均设有冷却结构，可以有效的降低由高能强流带电离子束带来的热量，保证了装置的稳定性。3、通过引入高压板和接地板，能有效的抑制入射带电粒子束轰击收集器发射出的二次电子逃逸，避免了收集器将二次电子重新收集，导致测试结果不准确，同时也避免了二次电子逃逸到环境中，保证了装置的安全性。
附图说明
图1是本发明一实施例中强流带电粒子束二维分布监测装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例中强流带电粒子束二维分布监测装置沿与水平面平行的横剖面横剖得到的剖视图；
图3是本发明一实施例中收集器引线方式示意图。
附图标记：
1、第一冷却板；2、准直板；3、测量板；4、收集器；5、高压板；6、接地板；7、绝缘板；8、第二冷却板；9、绝缘耐热膜。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语第一、第二仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例公开了一种强流带电粒子束二维分布监测装置，如图1所示，包括：依次排列的第一冷却板1、准直板2和测量板3以及数据处理模块，第一冷却板1朝向带电粒子束入射方向，对带电粒子束进行冷却；准直板2用于准直通过第一冷却板1的带电粒子束；测量板3上设有若干成阵列式排布的第一通孔，第一通孔远离准直板2的端面上设有收集器4，第一通孔和收集器4形成微型法拉第筒，收集器4监测经过准直板2的带电粒子束，并将带电粒子束的电信号传输给数据处理模块；数据处理模块根据收集器4采集的带电粒子束的电信号计算带电粒子束的二维分布矩阵；其中，第一冷却板1和准直板2上分别设有与各第一通孔同轴的第二通孔和第三通孔。本实施例采用微型法拉第筒阵列，能够在单位面积上设置更多法拉第筒，能够更好的反应带电粒子束的分布信息，并且能够根据入射带电粒子束流水平、纵向一维电流分布精确获得总入射流强和带电粒子二维分布矩阵。
如图1、2所示，测量板3上微型法拉第筒阵列中微型法拉第筒的数量可以设置的非常大，至少可以设置高达10×10个以上的法拉第筒，而现有技术中的法拉第筒阵列通常只有4-5个法拉第筒，而且通常都是采用一维排列的排列方式。这是因为现有技术中的法拉第筒采用附有橡皮膜的石墨收集体，其体积较大，基于空间和成本考虑，能够排布的法拉第筒的数量有限。而本实施例中，收集器4包括铜螺钉，其体积能够根据需要设定，加工简单，安装方便，大大降低了法拉第筒的安装空间，使得单位面积上安装的法拉第筒的数量大幅提升，由于监测的法拉第筒数量上升，装置监测的精确度也得到了有效的提高。
第一冷却板1的冷却方式可以是水冷、冷却液冷却或与低温固体连接等常规冷却方式，其中优选最简单的水冷方式进行冷却，但也可以采用其他冷却液如液氮等进行冷却。为了快速散热，第一冷却板1由耐热且导热良好的厚金属板加工而成，比如铜、钨、不锈钢等。为了进一步降低第一冷却板1的温度，第一冷却板1周围焊接有冷却水管，冷却水管焊接于真空腔的真空法兰上，并与真空腔外的冷却水循环系统连接。
准直板2优选为薄金属板或整板覆铜的PCB板。准直板2的主要功能是准直通过冷却板的带电粒子束，挡住边缘杂散束流，仅使中间方向性好的带电粒子束通过。入射带电粒子束会在准直板2上沉积能量，为了保证散热效率，准直板2必须良好接地。准直板2上的第三通孔必须为金属化孔，以防止孔内侧沉积电荷。
由于测量板3中的第一通孔和铜螺钉构成了微型法拉第筒，测量板3的厚度必须足够厚，以保证通孔的长径比足够大，其长径比越大，二次电子越不容易逃逸，测量越准确。
为了将收集器4监测到的一维微型法拉第筒的电信号转换为二维的带电粒子分布阵列，需要对各微型法拉第筒的收集器4采集到的数据进行分组收集。首先，将每一行微型法拉第筒分成一组，并将该组的每一个收集器4串联，得到一个电信号；收集所有行对应的电信号，其用于反映带电粒子束在纵向的一维电流分布；将每一列微型法拉第筒分成一组，并将该组的每一个收集器4串联，得到一个电信号；收集所有列对应的电信号，其用于反映带电粒子束在横向的一维电流分布。这里需要说明的是，微型法拉第筒排成的阵列可以是方形的、矩形的以及其他任意形状，但为了更好的反应带电粒子束的分布状况，优选将微型法拉第筒排列成方形矩阵，此处的方形矩阵可以是普通的方形矩阵，如10×10的矩阵，也可以是两个矩阵嵌套组成的矩阵，如一个5×5的矩阵为另一个5×5的矩阵向45°方向移动得到，该矩阵与原矩阵嵌套就可以组成一个新的矩阵。对于第一种情况，每个收集器4采集到的数据在横向和竖向分别被采集和计算了一次。对于第二种情况，如图3所示，即两个矩阵相互嵌套的情况，对其中一个矩阵的行进行分组，对另一个矩阵的列进行分组，从而每个收集器4收集的数据只使用一次。采用此种方式对收集器4的数据进行收集使得装置布线更加简洁，防止不同组的导线导通，并且在计算带电粒子束二维分布矩阵时更加准确。
各组收集器4测试得到的带电粒子束电信号通过导线与数据处理模块相连，此处收集器4与数据处理模块也可以通过无线传输的方式进行数据传输。收集器4监测到的电信号，优选为电流信号，故数据处理模块可以包括多路皮安计，引线通过同轴电缆与多路皮安计相连。数据处理模块还包括对多路皮安计测得的数据进行读取和处理的处理器。
处理器采用以下方法计算带电粒子束的二维分布矩阵：用
Figure BDA0002246077970000051
和
Figure BDA0002246077970000052
分别表示横向第i行和纵向第j列测得的电信号值，Fx(t)和Fy(t)分别表示任意t时刻测量的入射带电粒子束横向和纵向的电信号分布，任意时刻t时，入射束流的总信号强度Itoal(t)和二维分布矩阵Fxy(t)分别通过如下公式(2)、(3)计算：
Figure BDA0002246077970000053
Figure BDA0002246077970000054
Figure BDA0002246077970000055
在本实施例中，准直板2和测量板3之间还依次设置高压板5和接地板6，高压板5和接地板6上分别设有与各第一通孔同轴的第四通孔和第五通孔。高压板5表面分高压区和接地区两部分。其中高压区覆盖第四通孔分布区域，连接负高压，用于抑制束流轰击测量板3所产生的二次电子，还可以防止入射束流轰击第一冷却板1和准直板2产生的二次电子进入测量板3；接地区分布在高压板5周围，用于隔离高压区。接地板6为全板覆铜的PCB板，所有覆铜区域与地相连，用于防止高压板5到测量板3的漏电流。准直板2与高压板5之间、高压板5与接地板6之间以及接地板6和测量板3之间均设有绝缘板7，各绝缘板7上分别设有与各第一通孔同轴的第六通孔。
在本实施例中为了使尽可能多的带电粒子束信息达到测量板3，同时避免其他干扰信息达到测量板3，对第一冷却板1、准直板2、高压板5、绝缘板7、接地板6上的各个通孔的孔径进行了限定。如图2所示，绝缘板7上的第六通孔的孔径最大，其孔径大于第一冷却板1上的第二通孔的孔径；第二通孔的孔径与接地板6上的第五通孔的孔径相等，并大于高压板5上的第四通孔的孔径；第四通孔的孔径大于测量板3上的第一通孔的孔径，第一通孔的孔径大于准直板2上的第三通孔的孔径。其中，准直板2上的第三通孔和高压板5上的第四通孔为金属化孔，这是为了防止通孔内侧沉积电荷。
因为入射的带电粒子束最终被阻止在了测量板3的第一通孔内，带电粒子束的能量也会沉积在第一通孔内，从而容易导致测量板3过热损毁。为了加速散热，在测量板3背离带电粒子束入射的方向还设有第二冷却板8。第二冷却板8和第一冷却板1的结构类似，也可以采用水冷，冷却液冷却等冷却方式，第二冷却板8也是由耐热且导热良好的厚金属板加工而成，同时也焊接有冷却水管。为了使测量板3的收集器4将热量传递给第二冷却板8的同时，收集器4不与第二冷却板8导通，在测量板3和第二冷却板8之间还设有绝缘耐热膜9。此绝缘耐热膜9优选为玻璃纤维布，因为采用玻璃纤维布质地柔软，其与第二冷却板8配合可以有效防止收集器4中的铜螺钉脱落。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各个步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，包括：依次排列的第一冷却板、准直板和测量板以及数据处理模块，
所述第一冷却板朝向带电粒子束入射方向，对所述带电粒子束进行冷却；
所述准直板用于准直通过所述第一冷却板的所述带电粒子束；
所述测量板上设有若干成阵列式排布的第一通孔，所述第一通孔远离所述准直板的端面上设有收集器，所述第一通孔和所述收集器形成微型法拉第筒，所述收集器监测带电粒子束信号，并将其传输给所述数据处理模块；
所述数据处理模块根据所述收集器采集的带电粒子信号计算带电粒子束的二维分布矩阵；
其中，所述第一冷却板和所述准直板上分别设有与各所述第一通孔同轴的第二通孔和第三通孔。
2.如权利要求1所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，将每一行所述微型法拉第筒分成一组，并将该组的每一个所述收集器串联，得到一个电信号；收集所有行对应的所述电信号，其用于反映所述带电粒子束在纵向的一维电信号分布；将每一列所述微型法拉第筒分成一组，并将该组的每一个所述收集器串联，得到一个电信号；收集所有列对应的所述电信号，其用于反映所述带电粒子束在横向的一维电信号分布。
3.如权利要求2所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述计算带电粒子束的二维分布矩阵的方法包括：用
Figure FDA0002246077960000011
和
Figure FDA0002246077960000012
分别表示第i行和第j列测得的电信号值，Fx(t)和Fy(t)分别表示任意t时刻测量的入射带电粒子束横向和纵向的电信号分布，任意时刻t时，入射束流的总信号强度Itoal(t)和二维分布矩阵Fxy(t)分别通过如下公式(2)、(3)计算：
Figure FDA0002246077960000013
Figure FDA0002246077960000014
Figure FDA0002246077960000015
4.如权利要求1-3任一项所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述准直板和所述测量板之间还依次设置高压板和接地板，所述高压板和所述接地板上分别设有与各所述第一通孔同轴的第四通孔和第五通孔。
5.如权利要求4所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述准直板与所述高压板之间、所述高压板与所述接地板之间以及所述接地板和所述测量板之间均设有绝缘板，各所述绝缘板上分别设有与各所述第一通孔同轴的第六通孔。
6.如权利要求5所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述第六通孔的孔径大于所述第二通孔的孔径；所述第二通孔的孔径与所述第五通孔的孔径相等，并大于所述第四通孔的孔径；所述第四通孔的孔径大于所述第一通孔的孔径，所述第一通孔的孔径大于第三通孔的孔径。
7.如权利要求4所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述第三通孔和所述第四通孔为金属化孔。
8.如权利要求1-3任一项所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述测量板背离所述带电粒子束入射的方向设有第二冷却板，所述第二冷却板和所述测量板之间设有绝缘耐热膜。
9.如权利要求8所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述绝缘耐热膜为玻璃纤维布。
10.如权利要求1-3任一项所述的强流带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述收集器包括铜螺钉。
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