CN110780336A - 一种带电粒子束二维分布监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强流带电粒子束二维分布监测装置和方法，包括：依次排列的准直板、法拉第筒阵列板和测量板以及数据处理模块；法拉第筒阵列板上设有成阵列式排布的第一通孔；测量板上设有成阵列式排布的第二通孔，测量板的每个第二通孔内对应设置测量电极，测量电极用于采集带电粒子束信号，并将其传输给数据处理模块；数据处理模块根据测量电极的带电粒子信号和测量电极的实时位置信息绘制带电粒子束的二维分布图像；测量板与法拉第筒阵列板紧密贴合，各第一通孔与各第二通孔一一对应，并同轴设置；准直板上设有与各第一通孔同轴的第三通孔。本发明可以同时监测带电粒子束的强度和二维分布图像，测试结果更全面，能够更好的反应带电粒子束情况。

Description

一种带电粒子束二维分布监测装置和方法

技术领域

本发明是关于一种带电粒子束二维分布监测装置和方法，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带电粒子加速器的重要组成部分，可以用于监测带电粒子束的流强、位置、束流轮廓、能量等信息。其中，束流轮廓包含束流的流强分布、重心位置、尺寸、形状等，是带电粒子加速器束流引出、传输和优化过程中必不可少的束流参数。目前常用的束流轮廓监测装置按照具体测量方式可分为投影式和非投影式两类。投影式束流轮廓监测装置测量的是束流在水平方向和竖直方向投影的一维流强分布，通过一定的算法得到二维束流轮廓，如残余气体电离监测装置、束流诱导荧光监测装置、单丝扫描监测装置和多丝监测装置等。非投影式束流轮廓监测装置可以直接测量得到束流的二维轮廓信息，主要包括荧光屏监测装置和法拉第筒阵列监测装置。

目前，投影式束流轮廓监测装置虽然可以通过测量直接得到束流在水平方向和竖直方向投影的真实一维流强分布，但需要通过计算得到的二维束流轮廓，其得到的二维束流轮廓严重依赖于计算算法的可靠性和适用性，且一般算法都包含了对真实情况的理想化假设，故根据计算得到的二维束流轮廓并不一定能反应带电粒子束的真实二维束流轮廓。而非投影式的束流轮廓监测装置虽然能够直接测量得到束流的二维轮廓，但荧光屏监测装置不能精确的给出束流的流强信息，法拉第筒阵列监测装置由于其体积问题，使得阵列包括的法拉第筒较少，无法真实反应带电粒子束的真实位置情况。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种带电粒子束二维分布监测装置和方法，本发明通过微型法拉第筒阵列，采用逐点扫描方式测量束流的二维轮廓，可以实现入射束流二维轮廓的直接精确测量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：本发明提供了一种带电粒子束二维分布监测装置，包括：依次排列的准直板、法拉第筒阵列板和测量板以及数据处理模块；所述准直板朝向带电粒子束入射方向，用于准直所述带电粒子束；所述法拉第筒阵列板上设有若干成阵列式排布的第一通孔；所述测量板上设有若干成阵列式排布的第二通孔，所述测量板的每个所述第二通孔内对应设置测量电极，所述测量电极用于采集带电粒子束信号，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测量电极的带电粒子信号绘制带电粒子束的二维分布图像；其中，所述测量板与所述法拉第筒阵列板紧密贴合，各所述第一通孔与各所述第二通孔一一对应，并同轴设置；所述准直板上设有与各所述第一通孔同轴的第三通孔。

进一步，各所述测量电极均单独与数据处理模块连接，所述数据处理模块包括与各所述测量电极一一对应的电信号监测器，当所述电信号监测器监测到电信号时，所述数据处理模块记录所述电信号监测器对应的所述测量电极的位置和电信号的强度，所述数据处理模块记录并显示所有监测到电信号的所述测量电极的位置和束流的流强，从而形成所述带电粒子束的二维分布图像。

进一步，所述第二通孔阵列排布方式如下：设每行相邻的两个所述第二通孔中心之间的距离为L，每一行所述第二通孔相对于其上一行所述第二通孔整体沿水平方向平移1/4L。

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，所述高压板分为高压区和第三接地区两部分，其中所述高压区覆盖全部设置有所述第四通孔的区域，用于抑制束流轰击测量板所产生的二次电子。

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五通孔的孔径；所述第五通孔的孔径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所述第二通孔的孔径，所述第二通孔的孔径大于所述第三通孔的孔径。

进一步，所述第一通孔、所述第三通孔和所述第四通孔为金属化孔。

本发明还提供了一种带电粒子束二维分布监测方法，包括如下步骤：1)将上述任一种监测装置放入真空腔中，并对所述真空腔抽真空至预定真空度；2)所述监测装置沿竖直方向扫描所述真空腔，在扫描过程中所述测量电极收集所述带电粒子的电信号，并将所述电信号传输给所述数据处理模块；3)所述数据处理模块记录监测到电信号的所述测量电极的实时位置和束流的流强；4)在扫描结束时，所述数据处理模块显示所有在扫描过程中监测到电信号的所述测量电极的位置信息和束流的流强信息，从而得到所述带电粒子束的二维分布图像。

进一步，所述扫描过程为连续扫描，即所述监测装置匀速移动，至预设时间完成扫描；或所述扫描过程为步进扫描，即所述监测装置以恒定的步长移动，移动预定次数后完成扫描。

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，提高监测装置的监测精度。2、法拉第筒本身能够精确测量带电粒子束的强度，而本发明中通过微型法拉第筒阵列能够精确的反应带电粒子束的二维分布图像，即本发明可以同时监测带电粒子束的强度和二维分布图像，测试结果更全面，能够更好的反应带电粒子束情况。3、通过引入高压板和接地板，本装置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，导致测量结果不准确，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一法拉第筒结构；

图3是本发明一实施例中法拉第筒阵列板示意图；

图4是本发明一实施例中测量板示意图；

图5是本发明一实施例中高压板示意图。

附图标记：

1-准直板；2-法拉第筒阵列板；21-第一通孔阵列区；22-第一安装孔区；23-第一接地区；24-第一高压线过孔；3-测量板；31-第二通孔阵列区；32-第二安装孔区；33-第二接地区；34-引线区；35-第二高压线过孔；4-高压板；41-高压区；42-第三接地区；5-接地板；6-绝缘板；61-第一绝缘板；62-第二绝缘板；7-前面板。

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：依次排列的准直板1、法拉第筒阵列板2和测量板3以及数据处理模块，准直板1朝向带电粒子束入射方向，用于准直通过的带电粒子束；法拉第筒阵列板2上设有若干成阵列式排布的第一通孔；测量板3上设有若干成阵列式排布的第二通孔，测量板3的每个第二通孔内对应设置测量电极，测量电极用于采集带电粒子束信号，并将其传输给数据处理模块；数据处理模块根据测量电极的带电粒子信号绘制带电粒子束的二维分布图像；其中，测量板3与法拉第筒阵列板2紧密贴合并固定连接，各第一通孔与各第二通孔同轴设置；准直板1上设有与各第一通孔同轴的第三通孔。由于法拉第筒本身能够精确测量带电粒子束的强度，在本实施例中，通过微型法拉第筒阵列能够精确的反应带电粒子束的二维分布图像，即本发明可以同时监测带电粒子束的强度和二维分布图像，测试结果更全面，能够更好的反应带电粒子束情况。

其中，如图1所示，准直板1优选为薄金属板或整板覆铜的PCB板。准直板1的主要功能是准直带电粒子束，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1上沉积能量，为了保证散热效率，准直板1必须良好接地。准直板1上的第三通孔必须为金属化孔，以防止孔内侧沉积电荷。

在本实施例中，法拉第筒阵列由法拉第筒阵列板2和测量板3组合而成，其中法拉第筒阵列板2中设有若干成阵列式排布的第一通孔，该第一通孔构成法拉第筒的筒壁，测量板3上设有若干成阵列式排布的第二通孔，测量板3的每个第二通孔内对应设置测量电极，测量电极为法拉第筒的筒底。

如图3所示，法拉第筒阵列板2表面分为第一通孔阵列区21，第一安装孔区22，第一接地区23以及第一高压线过孔24。第一通孔阵列区21中设置第一通孔，第一通孔必须为金属化孔；第一安装孔区22中亦设有若干第一安装孔，该第一安装孔不同于第一通孔，用于将第一通孔和第二通孔对准，并使法拉第筒阵列与测量板3紧密贴合。第一安装孔的个数以及具体设置的形状可以根据需要设定，但为了使法拉第筒阵列与测量板3更好的贴合，且为了保证第一通孔与第二通孔之间完全同轴，没有相对位移，并在整个测试过程中位置不发生变化，而将第一安装孔设置成多个，且成阵列排列。第一安装孔阵列设置在第一通孔阵列的两侧，为了不影响监测装置的监测窗口的范围，优选将第一安装孔阵列设置在第一通孔阵列的上下两侧。为了防止法拉第筒阵列板2表面累积电荷，设置用于接地的第一接地区23。在接地区中部还设置有第一高压线过孔24，该第一高压线过孔24用于供高压线通过。

如图4所示，测量板3表面有第二通孔阵列区31、第二安装孔区32、第二接地区33、引线区34和第二高压线过孔35。第二通孔阵列区31中设有若干成阵列式排布的第二通孔，测量板3的每个第二通孔内对应设置测量电极。第二通孔与法拉第筒阵列板2中的各第一通孔一一对应，且电极直径应稍大于法拉第筒直径，以保证进入法拉第筒的带电粒子被全部收集。第二安装孔区32中的第二安装孔阵列中的第二安装孔与法拉第筒阵列板2中的第一安装孔区22中的各第一安装孔一一对应，同轴设置，且孔径相同。为了保证每个测量电极均和相应的法拉第筒对齐，采用若干直径和第一安装孔、第二安装孔孔径相当的导线同时穿过法拉第筒阵列板2和测量板3的所有第一安装孔和第二安装孔，并将导线和第一安装孔、第二安装孔焊接在一起。为了防止测量板3表面累积电荷，设置用于接地的第二接地区33。第二接地区33靠近测量板3上下边缘的位置设置有引线区34，引线区34一端与各个测量电极相连，另一端连接数据处理模块，使测量电极与数据处理模块通讯连接。该引线区34用于将测量电极测试到的信号引出，每个测量电极的信号均单独与数据处理模块连接。数据处理模块包括与各测量电极一一对应的电信号监测器，当电信号监测器监测到电信号时，数据处理模块记录电信号监测器对应的测量电极的位置和电信号的强度(即带电粒子束的流强)，数据处理模块记录并显示所有监测到电信号的测量电极的位置，从而形成所述带电粒子束的二维分布图像。引线区34和第二安装孔区32之间还设置有个第二高压线过孔35，用于使高压线通过。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4×10个法拉第筒，如果将法拉第筒阵列设置在一个板上，板的厚度必须比较厚，且其上的通孔的深度也需要比较深，这使得在每一个通孔内设置测试电极成为一项非常费时费力的工作，故本实施例中将法拉第筒阵列板2和测量板3分开设置，使二者紧密贴合，构成微型法拉第筒阵列，从而使监测装置结构更加简洁，更易于安装。

其中，数据处理模块记录各测量电极的方法为：将第一行最左边的第一个第二通孔的中心定为原点，假设每行相邻的两个第二通孔中心之间的距离为L，一行第二通孔的中心至上一行的第二通孔中心的垂直距离为D，即第i行第j列的第二通孔的位置坐标是[(i-1)L,(j-1)D]。当原点发生移动时，相应坐标也跟着位移相应距离。例如，原点沿水平方向位移了vt，则第i行第j列的第二通孔的位置坐标是[(i-1)L+vt,(j-1)D]。为了快速判断监测的信号是第几行测量电极监测到的，优选将第二通孔阵列设置为：每一行第二通孔相对于其上一行第二通孔整体沿水平方向平移1/4L。即第一行的第一个第二通孔的坐标是(0,0)，第二行的第一个第二通孔的坐标是(1/4L,D)，第三行的第一个第二通孔的坐标是(1/2L,2D)，第四行的第一个第二通孔的坐标是(3/4L,3D)。此时第i行第j列的第二通孔的位置坐标是[(j-1)/4L+(i-1)L,(j-1)D]。电信号监测器优选为电流监测装置，为了保证监测精度，更优选为皮安计。

在本实施例中，准直板1和法拉第筒阵列板2之间还依次设置有高压板4和接地板5，高压板4和接地板5上分别设有与各第一通孔同轴的第四通孔和第五通孔。如图5所示，高压板4表面分高压区41和第三接地区42两部分。其中高压区41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准直板1产生的二次电子进入测量板3；第三接地区42分布在高压板4周围，用于隔离高压区41。接地板5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4到测量板3的漏电流。高压板4连接通过第一高压线过孔24和第二高压线过孔35的高压线。准直板1与高压板4之间、高压板4与接地板5之间以及接地板5和法拉第筒阵列板2之间均设有绝缘板6，各绝缘板6上分别设有与各第一通孔同轴的第六通孔。其中，准直板1与高压板4之间、高压板4与接地板5之间设置的绝缘板6为第一绝缘板61。接地板5和法拉第筒阵列板2之间设置的绝缘板6为第二绝缘板62。第二绝缘板62和第一绝缘板61的不同之处在于，第二绝缘板62设置有与法拉第筒阵列板2的第一安装孔阵列一一对应的第三安装孔阵列，设置第三安装孔阵列的主要目的是为了容纳法拉第筒阵列板2中第一安装孔处的焊点，以使第二绝缘板62和法拉第筒阵列板2紧贴安装。

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，对准直板1、高压板4、绝缘板6、接地板5、法拉第筒阵列板2和测量板3上的各个通孔的孔径进行了限定。如图2所示，绝缘板6上的第六通孔的孔径大于接地板5上的第五通孔的孔径；第五通孔的孔径大于高压板4上的第四通孔的孔径；第四通孔的孔径大于法拉第筒阵列板2第一通孔的孔径，第一通孔的孔径大于测量板3上的第二通孔的孔径，第二通孔的孔径大于准直板1上的第三通孔的孔径。其中，第一通孔、第三通孔和第四通孔为金属化孔，以防止孔内侧沉积电荷。

此外，本实施例优选包括前面板7，前面板7上亦设有与第三通孔一一对应且同轴设置的通孔阵列，入射带电粒子束经过前面板7到达准直板1。前面板7的主要功能是充当监测装置的固定支架，并能够起到初步准直入射带电粒子束的作用，因此,前面板7优选由导热良好的厚金属板加工而成。

本发明的另一个实施例提供了一种带电粒子束二维分布监测方法，包括如下步骤：

1)将上述任一种监测装置放入真空腔中，并对真空腔抽真空至预定真空度；

2)监测装置沿竖直方向扫描真空腔，在扫描过程中测量电极收集带电粒子的电信号，并将电信号传输给数据处理模块；

3)数据处理模块记录监测到电信号的测量电极的实时位置；

4)在扫描结束时，数据处理模块显示所有在扫描过程中监测到电信号的测量电极的位置信息和信号强度，从而得到带电粒子束的二维分布图像。

其中，扫描过程为连续扫描，即监测装置匀速移动，至预设时间完成扫描；或扫描过程为步进扫描，即监测装置以恒定的步长移动，移动预定次数后完成扫描。

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：依次排列的准直板、法拉第筒阵列板、测量板以及数据处理模块；

所述准直板朝向带电粒子束入射方向，用于准直所述带电粒子束；

所述法拉第筒阵列板上设有若干成阵列式排布的第一通孔；

所述测量板上设有若干成阵列式排布的第二通孔，所述测量板的每个所述第二通孔内对应设置测量电极，所述测量电极用于采集带电粒子束信号，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测量电极的带电粒子信号和测量电极的实时位置信息绘制带电粒子束的二维分布图像；

其中，所述测量板与所述法拉第筒阵列板紧密贴合，各所述第一通孔与各所述第二通孔一一对应，并同轴设置；所述准直板上设有与各所述第一通孔同轴的第三通孔。

2.如权利要求1所述的带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，各所述测量电极均单独与数据处理模块连接，所述数据处理模块包括与各所述测量电极一一对应的电信号监测器，当所述电信号监测器监测到电信号时，所述数据处理模块记录所述电信号监测器对应的所述测量电极的位置和电信号的强度，所述数据处理模块记录并显示所有监测到电信号的所述测量电极的位置和信号的强度，从而形成所述带电粒子束的二维分布图像。

3.如权利要求2所述的带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述第二通孔阵列排布方式如下：设每行相邻的两个所述第二通孔中心之间的距离为L，每一行所述第二通孔相对于其上一行所述第二通孔整体沿水平方向平移1/4L。

4.如权利要求1-3任一项所述的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所述的带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述高压板分为高压区和第三接地区两部分，其中所述高压区覆盖全部设置有所述第四通孔的区域，用于抑制束流轰击测量板所产生的二次电子。

6.如权利要求4所述的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。

7.如权利要求6所述的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五通孔的孔径；所述第五通孔的孔径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所述第二通孔的孔径，所述第二通孔的孔径大于所述第三通孔的孔径。

8.如权利要求4所述的带电粒子束二维分布监测装置，其特征在于，所述第一通孔、所述第三通孔和所述第四通孔为金属化孔。

9.一种带电粒子束二维分布监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将权利要求1-8任一项监测装置放入真空腔中，并对所述真空腔抽真空至预定真空度；

2)所述监测装置沿竖直方向扫描所述真空腔，在扫描过程中所述测量电极收集所述带电粒子的电信号，并将所述电信号传输给所述数据处理模块；

3)所述数据处理模块记录监测到电信号的所述测量电极的实时位置和电信号的强度；

4)在扫描结束时，所述数据处理模块显示所有在扫描过程中监测到电信号的所述测量电极的位置信息和束流的流强，从而得到所述带电粒子束的二维分布图像。

10.如权利要求9所述的带电粒子束二维分布监测方法，其特征在于，所述扫描过程为连续扫描，即所述监测装置匀速移动，至预设时间完成扫描；或所述扫描过程为步进扫描，即所述监测装置以恒定的步长移动，移动预定次数后完成扫描。

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