CN110988976B - 一种mv级宽动态范围的电压峰值测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，解决现有脉冲电压测量方法不适用数MV电压测量的问题。该方法包括以下步骤：步骤一、建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量的对照表；步骤二、建立脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系表；步骤三、将氢离子挑出作为待测粒子；步骤四、预估待测脉冲功率装置电压峰值的上限；步骤五、氢离子能量衰减；步骤六、形成潜径迹；步骤七、将潜径迹化学蚀刻处理；步骤八、利用显微测量设备对放大后潜径迹进行判读；步骤九、获取氢离子径迹直径；步骤十、获取氢离子峰值能量Ei1；步骤十一、计算氢离子峰值能量Eimax1；步骤十二、反算出脉冲功率装置的电压峰值。

Description

一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法
技术领域
本发明属于高功率强流脉冲电子束与物质相互作用领域，涉及一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，具体涉及一种在产生高功率强流电子束的脉冲功率装置上，能够进行MV级高电压测量的方法。
背景技术
脉冲功率装置能够产生高功率强流脉冲电子束，该高功率强流脉冲电子束与高原子序数物质相互作用是实验室产生强脉冲辐射环境的重要技术手段。特别的，对于产生强脉冲伽马射线环境的脉冲功率装置，为了提高装置输出的辐射场强度，电压脉冲峰值通常为数MV到数十MV。而脉冲功率装置的电压测量一直是衡量脉冲装置输出指标的重要电学参数，关乎脉冲功率装置建设的成败，而MV级电压的测量更是该领域亟需突破的重点和难点。当前常用的脉冲电压测量方式包括电阻分压器、电容分压器、阻容分压器等，上述测量方式在数MV电压测量时，由于其绝缘耐压、空间电荷效应的影响难以克服，因此不适用数MV电压的测量。
目前尚无基于离子径迹法反推电压峰值的方法，可借鉴的有徐秀清等所著的“基于CR-39固体探测器的粒子识别”，文中根据获得的α粒子和质子的径迹直径、灰度值、径迹深度，对相同能量的α粒子和质子、不同能量的α粒子、不同能量的质子进行了识别。但是，该方法无法直接应用于脉冲功率系统的MV级峰值电压测量，主要问题在于：①脉冲功率装置在产生高功率强流电子束时，伴随产生的带电离子种类较为复杂，包括电子、氢离子、碳离子、氧离子等，进行带电离子的种类分辨和能量分辨极为困难；②产生高功率强流电子束的MV级脉冲功率装置，伴随产生的带电离子注量高，极易导致固体径迹探测器饱和；③用于计算和标定的离子能量均为单能离子，然而由于脉冲功率装置输出的电压波通常不是理想方波，因此装置伴随产生的离子能量并非单能，根据离子的能量峰值并不能直接推定电压波的峰值；④脉冲功率装置在产生高功率强流脉冲电子束以及电子束源与物质相互作用时，会产生大量污染物，容易溅射到固体径迹探测器上，导致其污染甚至碎裂。
发明内容
本发明的目的是解决现有脉冲电压测量方法不适用数MV电压测量的问题，提供一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，包括以下步骤：
步骤一、建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量的对照表；
步骤二、建立脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系表；
步骤三、将经过脉冲电场加速后的带电离子通过第一铝膜，将氢离子挑出作为待测粒子，所述第一铝膜的厚度为nTh1，其中Th1为除氢离子外的其他离子在铝膜中的最大射程，n≥1；
步骤四、预估待测脉冲功率装置电压峰值的上限，若预估的脉冲功率装置电压峰值小于5MV，执行步骤六；若预估的脉冲功率装置电压峰值大于5MV，则执行步骤五；
步骤五、将步骤三的待测粒子通过第二铝膜，第二铝膜作为氢离子能量衰减器，将待测粒子能量衰减到固体径迹探测元件能量响应的敏感区域后，执行步骤六，所述第二铝膜的厚度为Th2；
步骤六、将待测粒子轰击探测元件，待测粒子会沿其射程轨迹造成辐射损伤，形成潜径迹；
步骤七、将步骤六形成的潜径迹通过化学蚀刻处理，使得该潜径迹被放大，并进行超声波清洗、烘干；
步骤八、利用显微测量设备对放大后潜径迹进行判读，若探测元件出现径迹饱和，则返回步骤五，并增加步骤五中第二铝膜的厚度，直到探测元件不再饱和；若探测元件不再饱和，将形成的潜径迹进行步骤九的处理；
步骤九、统计径迹长短轴尺寸，其中，径迹长短轴尺寸之比小于1.1的径迹认定为氢离子垂直辐照形成的径迹，将其中最小径迹面积对应的直径作为氢离子径迹直径；
步骤十、将步骤九获取的氢离子径迹直径与步骤一建立的对照表进行比对，得到氢离子径迹直径对应的氢离子峰值能量，记为Ei1；
步骤十一、计算氢离子峰值能量Eimax1，Eimax1＝Ei1+Ei0，其中，Th3对应于氢离子能量为Ei0时在铝膜中的射程，Th3＝nTh1+Th2，n≥1；
步骤十二、根据步骤十一获取的氢离子峰值能量Eimax1和步骤二得到的脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系表，可反算出脉冲功率装置的电压峰值。
进一步地，步骤一具体包括以下步骤：
1.1)将不同能量的单能氢离子源经过准直后辐照探测元件，探测元件为探测能量阈值较宽或LET值较低的固体径迹探测元件；
1.2)对辐照后的探测元件进行化学蚀刻，并进行超声波清洗、烘干，得到氢离子径迹直径；
1.3)利用显微测量设备对氢离子径迹直径进行测量，建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量的对照表。
进一步地，步骤1.2)中，对辐照后的探测元件进行化学蚀刻具体为：将探测元件在90℃、6.25mol/L的NaOH中浸泡4个小时。
进一步地，步骤七中，对潜径迹经化学蚀刻处理具体为：将探测元件在90℃、6.25mol/L的NaOH中浸泡4个小时。
进一步地，步骤十一中，n＝1.5。
和现有技术相比，本发明技术方案的有益效果如下：
1.本发明MV级宽动态范围的电压峰值测量方法具有很宽的电压峰值测量范围，能够实现数MV以上的电压峰值测量。
2.与其他电压测量方法相比，本发明MV级宽动态范围的电压峰值测量方法对射线、电子的干扰不敏感。
3.本发明MV级宽动态范围的电压峰值测量方法可避免复杂带电离子成分对氢离子径迹的干扰。
4.本发明MV级宽动态范围的电压峰值测量方法能够挑选待测离子种类，防止探测元件饱和，同时具有屏蔽污染物的作用。
5.本发明MV级宽动态范围的电压峰值测量方法考虑了脉冲波形形态对脉冲电压峰值测量的影响，能够直接推定电压波的峰值。
附图说明
图1为本发明建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量对照表的流程图；
图2为本发明MV级宽动态范围的电压峰值测量方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步说明本发明的技术方案。
为了在强脉冲辐射环境中实现MV级脉冲功率装置的电压峰值测量，本发明提供一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，该方法是一种基于离子径迹法的电压峰值测量方法，具有测量原理简单，对空间电荷场和射线不敏感等特点，因此具备在强束流和复杂辐射环境中开展电压测量的独特优势。
基于离子径迹法的电压峰值测量方法主要原理为：经过高压电脉冲加速后的离子，其峰值能量与电脉冲电压峰值具有对应关系。加速后的带电离子轰击到探测元件后，会沿其射程轨迹周围造成辐射损伤，受损严重的狭窄区域(称为潜径迹)，经一定条件的化学蚀刻处理，会因受损伤区域比未受损伤区域容易被腐蚀而使潜径迹放大，达到普通光学显微镜可观测的微米级程度。种类相同的带电离子，在探测器元件上形成的径迹直径(化学蚀刻后)与离子能量具有对应关系，利用已知能量的单能离子源辐照探测元件，建立起径迹直径和离子能量的对照表。进行电压峰值测量时，经过脉冲电场加速的离子辐照探测元件后，利用显微测量设备对其上的径迹(化学蚀刻后)进行判读，统计满足垂直入射条件的径迹尺寸(主要是长短轴尺寸)，比对前述已建立的径迹直径与离子能量对照表，既可以得到离子的峰值能量，进而得到电脉冲的电压峰值。
如图2所示，基于以上原理，本发明提供一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量的对照表，该过程如图1所示；
1.1)将不同能量的单能氢离子源经过准直后辐照探测元件，探测元件为探测能量阈值较宽或LET值较低的固体径迹探测元件；
1.2)对辐照后的探测元件进行化学蚀刻(一组蚀刻条件：6.25mol/L，NaOH，90℃，4个小时)，并进行超声波清洗、烘干，得到氢离子径迹直径；
1.3)利用显微测量设备对氢离子径迹直径进行测量，建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量的对照表；
步骤二、建立脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系表；
该对应关系表用于获得氢离子峰值能量后，反算脉冲功率装置电压峰值，其实现方法为：根据脉冲功率装置的结构建立对应的粒子模拟程序，计算经过预估电压波(电压峰值为Umax)加速后的氢离子峰值能量，氢离子峰值能量记为E0max，比较E0max和eUmax，e为电子电量，得到脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系；
步骤三、将经过脉冲电场加速后的带电离子通过第一铝膜，将氢离子挑出作为待测粒子；选择第一铝膜作为氢离子选通器，用于将脉冲功率装置伴随产生的氢离子挑出作为待测粒子，而将其他种类的离子屏蔽；
首先，预估待测脉冲功率装置电压峰值为Umax；
其次，利用离子输运模拟软件SRIM(开源软件)，计算离子能量为eUmax时，氢离子、碳离子、氧离子等在铝膜中的射程；
最后，将除氢离子外的其他离子在铝膜中的最大射程记为厚度Th1，铝膜厚度大于Th1时，即可将氢离子筛选出来作为待测离子，通常选择该层铝膜厚度为1.5Th1，表1所示为不同离子在铝膜中的射程；
步骤四、预估待测脉冲功率装置电压峰值的上限，若预估的脉冲功率装置电压峰值小于5MV，执行步骤六；若预估的脉冲功率装置电压峰值大于5MV，则执行步骤五；
步骤五、将步骤三的待测粒子通过第二铝膜，第二铝膜作为氢离子能量衰减器，将待测氢离子能量衰减到固体径迹探测元件能量响应的敏感区域后，执行步骤六，此时，第二铝膜的厚度为Th2；
具体实现方法：利用离子输运模拟软件SRIM(开源软件)，得到不同能量氢离子(峰值能量为eUmax)在铝膜中的射程，据此对该层铝膜的厚度进行选定，厚度记为Th2，此时铝膜总厚度为1.5Th1+Th2(对应于氢离子能量为E2时在铝膜中的射程)，选定依据是峰值能量eUmax与E2之差为130keV～5MeV；
步骤六、将待测粒子轰击探测元件，待测粒子会沿其射程轨迹造成辐射损伤，该辐射损伤形成潜径迹，辐照完成后，执行步骤七；
该步骤中，将固体径迹探测元件置于脉冲功率装置的离子辐照区(离子是装置运行中伴随产生)，进行辐照；挑选探测能量阈值较宽或LET值较低的固体径迹探测元件，该探测元件可拓宽电压峰值测量的动态范围，对于氢离子，通常商用元件的探测能量阈值参考范围为130keV～5MeV，通过筛选该类探测元件，能量探测的动态范围将能够进一步拓展；
步骤七、将步骤六形成的潜径迹经化学蚀刻处理(一组蚀刻条件：6.25mol/L，NaOH，90℃，4个小时)，使得该潜径迹被放大，并进行超声波清洗、烘干；
步骤八、利用显微测量设备对放大后潜径迹进行判读，若探测元件出现径迹饱和，则返回步骤五，并增加步骤五中铝膜的厚度，直到探测元件不再饱和；若探测元件不再饱和，将形成的潜径迹进行步骤九的处理；
步骤九、统计径迹长短轴尺寸，其中，径迹长短轴尺寸之比小于1.1的径迹可认定为氢离子垂直辐照形成的径迹，将其中最小径迹面积对应的直径作为氢离子径迹直径；
步骤十、将步骤九获取的氢离子径迹直径与步骤一建立的对照表进行比对，得到氢离子径迹直径对应的氢离子峰值能量，记为Ei1；
步骤十一、计算氢离子峰值能量Eimax1，Eimax1＝Ei1+Ei0，其中，Th3对应于氢离子能量为Ei0时在铝膜中的射程，Th3＝nTh1+Th2，n≥1；
步骤十二、根据步骤十一获取的氢离子峰值能量Eimax1和步骤二得到的脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系表进行比对，可反算出脉冲功率装置的电压峰值。
表1不同离子在铝膜中的射程(SRIM计算结果)
Figure GDA0003087908850000061
Figure GDA0003087908850000071

Claims (5)

1.一种MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量的对照表；
步骤二、建立脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系表；
步骤三、将经过脉冲电场加速后的带电离子通过第一铝膜，将氢离子挑出作为待测粒子，所述第一铝膜的厚度为nTh1，其中Th1为除氢离子外的其他离子在铝膜中的最大射程，n≥1；
步骤四、预估待测脉冲功率装置电压峰值的上限，若预估的脉冲功率装置电压峰值小于5MV，执行步骤六；若预估的脉冲功率装置电压峰值大于5MV，则执行步骤五；
步骤五、将步骤三的待测粒子通过第二铝膜，第二铝膜作为氢离子能量衰减器，将待测粒子能量衰减到固体径迹探测元件能量响应的敏感区域后，执行步骤六，所述第二铝膜的厚度为Th2；
步骤六、将待测粒子轰击探测元件，待测粒子会沿其射程轨迹造成辐射损伤，形成潜径迹；
步骤七、将步骤六形成的潜径迹通过化学蚀刻处理，使得该潜径迹被放大，并进行超声波清洗、烘干；
步骤八、利用显微测量设备对放大后潜径迹进行判读，若探测元件出现径迹饱和，则返回步骤五，并增加步骤五中第二铝膜的厚度，直到探测元件不再饱和；若探测元件不再饱和，将形成的潜径迹进行步骤九的处理；
步骤九、统计径迹长短轴尺寸，其中，径迹长短轴尺寸之比小于1.1的径迹认定为氢离子垂直辐照形成的径迹，将其中最小径迹面积对应的直径作为氢离子径迹直径；
步骤十、将步骤九获取的氢离子径迹直径与步骤一建立的对照表进行比对，得到氢离子径迹直径对应的氢离子峰值能量，记为Ei1；
步骤十一、计算氢离子峰值能量Eimax1，Eimax1＝Ei1+Ei0，其中，Th3对应于氢离子能量为Ei0时在铝膜中的射程，Th3＝nTh1+Th2，n≥1；
步骤十二、根据步骤十一获取的氢离子峰值能量Eimax1和步骤二得到的脉冲功率装置电压峰值与氢离子峰值能量的对应关系表，可反算出脉冲功率装置的电压峰值。
2.根据权利要求1所述的MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，其特征在于：步骤一具体包括以下步骤：
1.1)将不同能量的单能氢离子源经过准直后辐照探测元件，探测元件为探测能量阈值较宽或LET值较低的固体径迹探测元件；
1.2)对辐照后的探测元件进行化学蚀刻，并进行超声波清洗、烘干，得到氢离子径迹直径；
1.3)利用显微测量设备对氢离子径迹直径进行测量，建立氢离子径迹直径和氢离子峰值能量的对照表。
3.根据权利要求2所述的MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，其特征在于：步骤1.2)中，对辐照后的探测元件进行化学蚀刻具体为：将探测元件在90℃、6.25mol/L的NaOH中浸泡4个小时。
4.根据权利要求1或2或3所述的MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，其特征在于：步骤七中，对潜径迹经化学蚀刻处理具体为：将探测元件在90℃、6.25mol/L的NaOH中浸泡4个小时。
5.根据权利要求4所述的MV级宽动态范围的电压峰值测量方法，其特征在于：步骤十一中，n＝1.5。
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