CN111077561B - 一种残留气体带电粒子束流监测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种残留气体带电粒子束流监测装置及其方法，其包括超高真空腔，超高真空腔外部设置有磁铁，超高真空腔与支架连接，支架与引线法兰连接；电场器件和高精度二维位置灵敏探测器设置在支架上；探测器底部设置有像素芯片绑定板，电荷搜集型像素探测器位于像素芯片绑定板中心位置处，与像素芯片绑定板上的芯片外围电路连接，且像素芯片绑定板上的芯片外围电路通过对外接口与外部数据获取系统连接；位于像素芯片绑定板上部依次固定设置有阳极电子调节电极、MCP、MCP供电电极和二次电子抑制电极。本发明能够在超高真空环境中实时非拦截式地对带电粒子束流的密度分布、方向、强度和时间结构进行测量，能广泛应用于各质子加速器和重离子加速器中。

Description

一种残留气体带电粒子束流监测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种带电粒子束的束流测量领域，特别是关于一种残留气体带电粒子束流监测装置及其方法。

背景技术

粒子加速器是人类认识物质微观结构的一种重要的基础科研设施。加速器实验和应用中，高效稳定的束流配送是实验成功的首要因素，而束流调节中的束流监测技术是提高调束效率和束流质量的一个关键部分。束流监测技术主要有两种，即拦截式束流探测和非拦截式束流探测。

拦截式束流探测技术包括荧光屏探测器、法拉第筒阵列探测器、单丝或多丝扫描探测器和MCP探测器等。其中荧光屏探测器用电荷耦合器件相机探测束流碰撞荧光屏诱发的荧光得到束流轮廓信息，但是荧光屏探测器无法测量弱束流，不能给出流强信息，且易受杂散离子、电子、光子影响。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，空间分辨差；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。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/多丝扫描探测器的丝太细，易断，旋转扫描装置复杂，且需要多次测量，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)。

以上拦截式束流轮廓探测技术均不适用于束流强度极高的束流探测，因为束流的强烈轰击将很快损坏这些探测器件，另外这种设备也无法在实验开展的同时对束流进行实时观测。非拦截式束流探测技术主要有电子束扫描方法和残余气体束流轮廓监测(RGIPM)方法。其中，电子束扫描方法需要流强极高的高品质电子束对加速器束流进行扫描，加之电子束与束流反应过程复杂，这种方法技术复杂、研究成本昂贵。相比来说，RGIPM是一种结构简单且应用场景广泛的非拦截式束流监测装置。

RGIPM中二维位置灵敏探测器的发展是提高束流轮廓及其时间结构测量精度的关键，而MCP探测器由于其高真空兼容性和结构紧凑性，一直被广泛应用于 RGIPM设备中。MCP探测器的阳极结构和性能决定了探测器的位置分辨和时间分辨， MCP探测器的发展也主要在于其阳极和读出电路的发展。

两种被普遍采用的阳极是阻性阳极和延迟线阳极。其中阻性阳极根据电荷量在不同阳极输出端的分配方式确定电子云重心位置，主要有包括电阻膜阳极和楔条形阳极。由于阳极结构的不均匀性、不同阳极组件间存在寄生电容导致其相互串扰、以及读出电路与阳极分离的形式，这些阳极读出电路的输出信号往往具有较高的噪声，从而探测器位置分辨较低，在百微米量级。在RGIPM中广泛应用的一种阳极是分立型阳极条带阵列。这种阳极的读出电路仍然是与电荷收集条带分离的，但每个条带均连接相应的一路电子学。与阻性阳极相比，这种阳极极大地降低了阳极条带对地的和条带之间的寄生电容，大幅度提高了阳极响应速度，从而探测器允许更高的计数率。但受限于阳极条带的尺寸，其位置分辨仍然为百微米量级。随着现代重离子科学的发展以及重离子束流在癌症治疗中的应用，这些采用经典阳极的MCP探测器已经无法满足科研和医疗领域对重离子束流监控精度的要求。

近年来很多RGIPM装置中的MCP探测器采用了CCD相机技术，即增强型CCD 相机探测器。探测器采用荧光屏作为阳极，MCP产生的二次电子打在荧光屏上产生荧光，后置的光学系统将荧光传输到CCD相机中进行成像。根据光学系统和CCD 相机性能的不同，增强型CCD相机探测器可达到100μm甚至几十μm的较好的位置分辨率；但其图像采集频率约100Hz，时间分辨很差，约为10ms。为了解决增强型CCD相机探测器时间分辨差的问题，一般需要配置其他探测器类型做时间测量，导致RGIPM结构复杂、成本升高、且操作更加繁琐。另外，CCD相机不具有抗辐射的性质，无法应用于辐射环境较强的场景中。与CCD相机相似的、具有抗辐射性能的一种探测技术是电荷注入器件(CID)相机，但其在很多其他性能上却并没有相对于CCD相机的优势，如其量子效率低、相应范围窄、信噪比低、且暗电流较大等。总之，基于CCD或CID相机技术的MCP探测器虽然可以达到较高的位置分辨率，却无法同时具备较好的时间分辨。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种残留气体带电粒子束流监测装置及其方法，其可以实时非拦截式地监测束流密度、方向和强度。本发明简单易用，测量效率高，且普适性强。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种残留气体带电粒子束流监测装置，其包括超高真空腔、磁铁、支架、引线法兰、电场器件和高精度二维位置灵敏探测器；所述超高真空腔外部设置有所述磁铁，且所述超高真空腔一端与所述支架一端连接，所述支架另一端与所述引线法兰连接；所述电场器件和高精度二维位置灵敏探测器设置在所述支架上；所述探测器底部设置有像素芯片绑定板；所述探测器包括电荷搜集型像素探测器、阳极电子调节电极、MCP、 MCP供电电极和二次电子抑制电极；所述电荷搜集型像素探测器位于所述像素芯片绑定板中心位置处，与所述像素芯片绑定板上的芯片外围电路连接，且所述像素芯片绑定板上的芯片外围电路通过对外接口与外部数据获取系统连接；位于所述像素芯片绑定板上部依次固定设置有所述阳极电子调节电极、MCP、MCP供电电极和二次电子抑制电极。

进一步，所述超高真空腔内设置有真空泵和真空监测装置；所述超高真空腔包括平行于束流的真空管道和垂直于束流的真空管道，两个管道之间采用超高真空焊接连接，所述垂直于束流的真空管道两端穿过所述磁铁，与所述磁铁之间通过连接件固定；且所述垂直于束流的真空管道一端与所述支架一端连接。

进一步，在所述垂直于束流的真空管道另一端分别与分子泵管道一端和真空规管道一端连接，并在所述分子泵管道另一端通过法兰安装分子泵，在所述真空规管道另一端通过法兰安装真空规。

进一步，所述磁铁为永磁体或电磁二级铁，或对称分布的两个亥姆霍兹线圈。

进一步，所述电场器件包括阴极板、阴极二次电子抑制丝网、相间均匀分布的电极阵列以及连接相邻电极且阻值正比于电极间距的电阻；所述阴极板底部设置有相间均匀分布的电极阵列，所述阴极二次电子抑制丝网设置在所述阴极板的内侧面。

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，所述探测器探测单个粒子的方法为：入射粒子打到MCP的表面，MCP对粒子进行电荷增益，并输出电子云；电子云被电荷搜集型像素探测器收集，假设q(i,j)表示第i行第j列像素收集到的电荷量，x_ij和y_ij分别是该像素的横坐标和纵坐标，则根据q(i,j)的分布和以下方法得到入射粒子的位置(x,y)；

(1)重心法：入射粒子位置为

(2)拟合法：根据q(i,j)的分布，用解析函数f(x,y；{p})对其进行拟合，入射粒子的位置由拟合参数{p}确定；

(3)人工智能法：根据已知入射粒子的位置及其形成的电子云分布，对实验测量数据进行训练，并由训练参数根据未知粒子相应的电子云分布确定其位置。

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，所述探测器的分辨函数确定方法如下：1)在探测器探测面安装具有预先设定镂空图案的探测器掩膜，用具有能量的平行粒子束垂直于探测器表面进行照射，用探测器采集粒子经过掩膜后形成的二维位置谱；2)根据镂空图案的形状，对测量得到的二维谱进行退卷积计算，得到探测器的分辨函数

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，所述探测器的探测效率确定方法如下：用粒子源对探测器表面进行辐照，并确定粒子打到探测器表面时其能量与实际测量束流期间探测器测量的粒子能量相当，通过预先设定时间的测量，比较探测器计数与到达探测器表面的粒子总计数之比，即探测器探测效率η。

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，测量束流密度分布的方法为：经过预先设定时间的累积计数后，单个粒子的位置叠加在一起，形成二维位置谱；二维位置谱上某位置的计数，对应束流密度沿通过该位置且垂直于所述探测器表面的直线的积分，从而该二维位置谱的分布反应了束流密度在垂直于所述探测器表面方向上的投影；假设c(x,y)表示二维谱(x,y)处的计数，根据位置谱确定束流密度分布的方法如下：

1)以

为卷积核，对c(x,y)的分布进行退卷积，得到二维位置分布，进而根据权利要求8所述方法得到的探测器探测效率η对此二维谱进行修正，得到新的二维位置谱d(x,y)；

2)模拟束流粒子与真空残余气体分子相互作用产生的二次电子初态，进而假设这些二次电子均是从同一点发射的，计算这些二次电子在测量电场和磁场下的运动轨迹，以及它们到达探测器表面时的分布，从而确定电磁场对测量精度的影响，即电磁场仪器函数电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})；

3)在已知的稳定束流条件b′(x,y)下，调节电场强度和磁场强度，观察探测器测量得到的二维谱用

退卷积和探测效率η修正后的结果d′(x,y)，由于 d′(x,y)≈b′(x,y)*ψ(x,y；{q})×η，根据不同电场和磁场强度下测量得到的 d′(x,y)，调节{q}，得到更精确的电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})；

4)以更精确的电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})为卷积核，对d(x,y)的分布进行退卷积，得到二维位置分布e(x,y),即为二维束流密度分布。

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，根据所述测量束流密度分布的方法得到束流的二维位置分布e(x,y)后，测量束流方向的方法采用以下方法中的一种：

1)逐步求解法：首先逐行或逐列求出e(x,y)的中心，此时用重心法、拟合法或机器学习方法；然后用多项式函数拟合上述逐行或逐列的中心分布，得到束流方向；

2)单步求解法：直接用相关二维分布函数拟合e(x,y)，束流方向从拟合函数中直接得到；或者根据已知入射束流的方向及其形成的二维谱，对实验测量数据进行训练，并由训练参数根据未知束流相应的二维谱确定束流的方向。

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，根据所述测量束流密度分布的方法得到不同角度θ的二维束流密度分布e_θ(x,y)后，束流的三维密度分布ε(x,y,z)由下述方法获得：根据图像重建和图像还原理论，由一系列不同角度的二维束流密度分布e_θ(x,y)计算得到束流三维密度分布ε(x,y,z)；或者根据已知入射束流的方向及其形成的二维谱，对实验测量数据进行训练，并由训练参数，根据未知束流相应一系列不同角度的二维密度分布e_θ(x,y)，确定束流的三维密度分布ε(x,y,z)。

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，测量束流三维方向的方法如下：

方法一：根据权利要求10所述测量束流方向的方法测得不同角度的二维束流方向，每个方向上的束流方向分别确定一个垂直于相应探测器表面的曲面，任意两个不同方向上的曲面相交为一条三维曲线，即束流的三维方向；

方法二：根据权利要求11测得束流三维密度分布ε(x,y,z)后，束流的三维方向由下述方法中的一种获得：

1)逐步求解法：假设ε(x,y,z)中x方向为真空腔束流管道的母线方向，首先在不同的x取值处确定垂直于x方向的不同切片上ε(x,y,z)的分布及其中心，此时采用重心法、拟合法或机器学习方法；然后用多项式函数拟合上述切片的中心分布，即得到束流方向；

2)单步求解法：直接用相关三维分布函数拟合ε(x,y,z)，束流方向从拟合函数中直接得到；或者根据已知入射束流的方向及其形成的三维密度分布，对实验测量数据进行训练，并由训练参数，根据未知束流相应的三维分布，确定束流的方向。

本发明还提供一种基于上述监测装置的监测方法，测量束流时间结构的方法采用以下三种方法中的一种：

1)为电场和磁场设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，并保持探测器工作状态不变，得到不同时间段的束流密度分布、方向和流强，从而测量束流的时间结构；

2)为探测器设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，并保持电场和磁场状态不变，得到不同时间段的束流密度分布、方向和流强，从而测量束流的时间结构；

3)为电场、磁场或探测器设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，得到不同时间段的束流密度分布、方向和流强，从而测量束流的时间结构。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于MCP和电荷收集型像素芯片技术实现高精度全功能束流密度监测，与气体探测器相比，本发明适用于超高真空环境；与拦截式束流监测装置相比，本发明可以实时非拦截式地监测束流密度、方向和强度；与电子扫描技术相比，本发明简单易用，测量效率高，且普适性更强。2、本发明包含MCP-像素芯片探测器。与经典的延迟线阳极、阻性阳极、和条带阵列阳极相比，探测器位置分辨提高了1～2个数量级。与MCP-CCD相机或MCP-CID相机探测器相比，不需要光学系统，从而结构更简单；同时具有极好的μm量级的位置分辨和较好的百ns量级的时间分辨；可以将像素芯片设计成抗辐射的结构，适用于大型加速器中的强辐射环境。

综上，本发明在高能、强束流(如HIRFL和HIAF加速器中的束流)的探测方面具有突出的优势，能在带电粒子束的束流测量中广泛应用。

附图说明

图1是采用了亥姆霍兹线圈的本发明的整体结构示意图；

图2是采用了电磁二级铁的本发明的整体结构示意图；

图3是采用了永磁体的本发明的整体结构示意图；

图4是本发明涉及的引线法兰、支架、电场场笼和探测器组装图；

图5是本发明中电场场笼与探测器的组装图；

图6是本发明中探测器的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图3所示，本发明提供一种残留气体带电粒子束流监测装置，基于 MCP和电荷收集型像素芯片技术实现高精度全功能束流密度监测。本发明的装置包括超高真空腔1、磁铁2、支架3、引线法兰4、电场器件5和高精度二维位置灵敏探测器6。超高真空腔1外部设置有磁铁2，且超高真空腔1一端与支架3 一端连接，支架3另一端与引线法兰4连接；电场器件5和高精度二维位置灵敏探测器6设置在支架3上。其中，高精度二维位置灵敏探测器6以下简称探测器6。

超高真空腔1内设置有真空泵和真空监测装置。其中，超高真空腔1包括平行于束流的真空管道7和垂直于束流的真空管道8；，两个管道之间采用超高真空焊接连接，垂直于束流的真空管道8两端穿过磁铁2，与磁铁2之间通过连接件固定；且垂直于束流的真空管8道一端与支架3一端连接。根据实际使用需求，在垂直于束流的真空管道8另一端可分别与分子泵管道9一端和真空规管道10一端连接，并在分子泵管道9另一端通过法兰安装分子泵11，在真空规管道10另一端通过法兰安装真空规12；还可设置独立于或固定于相应管道的有关支架。各管道及其连接的部件与各法兰的连接均符合超高真空设计标准。

磁铁2可以为永磁体(如图3所示)或电磁二级铁(如图2所示)，或对称分布的两个亥姆霍兹线圈(如图1所示)。磁铁2能够提供足够强度的均匀磁场，该磁铁2具有紧凑的几何外形(例如方形或圆环型)，能够方便地与超高真空腔1集成。

引线法兰4为多针信号线引线法兰和高压引线法兰。引线法兰4能够满足真空内部电场器件5和探测器6的高压引线需求，能够满足探测器6的多路信号引线需求。

如图4所示，支架3可与引线法兰4固定为一体或独立于后者安装。支架 3能够精确定位电场器件5和探测器6，并满足超高真空环境对其材料和表面等的要求。

电场器件5和探测器6可固定为一体或采取独立结构，它们均通过固定件固定在支架3上；电场器件5与探测器6表面共同构成均匀电场，电场区域能够完全覆盖探测器6灵敏面。其中：

如图5所示，电场器件5包括阴极板13、阴极二次电子抑制丝网、相间均匀分布的电极阵列14以及连接相邻电极且阻值正比于电极间距的电阻；阴极板13 底部设置有相间均匀分布的电极阵列14，阴极二次电子抑制丝网设置在阴极板13 的内侧面。其中，各电极和阴极二次电子抑制丝网均可设置镀层，以减少粒子打到其表面的二次电子产额。

如图6所示，探测器6底部设置有像素芯片绑定板15；探测器6包括电荷搜集型像素探测器16、阳极电子调节电极17、微通道板(MCP)18、MCP供电电极19和二次电子抑制电极20；MCP18设置为一组或一片。电荷搜集型像素探测器16位于像素芯片绑定板15中心位置处，与像素芯片绑定板15上的芯片外围电路连接；且像素芯片绑定板15上的芯片外围电路通过对外接口与外部数据获取系统连接，进而提供电荷搜集型像素探测器16及芯片外围电路与外部数据获取系统的连接。位于像素芯片绑定板15上部依次固定设置有阳极电子调节电极17、 MCP18、MCP供电电极19和二次电子抑制电极20。使用时，MCP供电电极19和二次电子抑制电极20统一供电，二次电子调节电极独立供电，电荷搜集型像素探测器16及芯片外围电路独立供电。

基于上述监测装置，本发明还提供一种残留气体带电粒子束流监测方法，其包括以下步骤：

1)将超高真空腔1安装在束流管道上，将磁铁2与超高真空腔1进行组装，并根据具体使用需求安装真空规、分子泵、各种法兰及其相应支架 3；

2)将电场器件5中的各部件组装在一起，形成电场场笼；组装探测器6，并将电场场笼和探测器6组装在一起；

3)将支架3安装在引线法兰4上，将步骤2)中的组合体安装在此支架3上，并用相关电缆完成电场场笼和探测器6与引线法兰4的连接；

4)将引线法兰4安装在超高真空腔1上，并保证在理想状态下，束流能够准确穿过电场场笼中心；

5)将高压电源和外部数据获取系统(例如探测器6数据获取系统)通过相关电缆连接到引线法兰4上，将有关电源通过有关电缆连接到磁铁2上，保证在正确参数下磁铁2、电场场笼和探测器6能够正常工作；

6)打开相关真空系统，待真空满足束流要求后，调节磁铁2、电场场笼和探测器6的供电参数，以及探测器6数据获取系统参数，使所有部件正常工作；

在不同束流状态下，可以实时非拦截式地观测束流的二维密度分布、方向和流强；

7)依次调整探测器6的方位角，并保证电场和磁场方向垂直于探测器6表面，可实时非拦截式地观测束流在不同角度上的二维密度分布和方向，进而计算束流的三维密度分布、方向和流强。

8)为装置电场、磁场或探测器6设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，可得到不同时间段的束流密度分布、方向和流强，从而测量束流的时间结构。

基于上述各步骤，本发明的残留气体带电粒子束流监测方法还包括探测单个粒子的方法、探测器6的分辨函数确定方法、探测器6的探测效率确定方法、测量束流密度分布的方法、测量束流方向的方法、束流的三维密度分布测量方法、测量束流三维方向的方法以及测量束流时间结构的方法：

探测器6探测单个粒子的方法为：入射粒子打到MCP18的表面，MCP18对粒子进行电荷增益，并输出直径1mm左右的的电子云；电子云被电荷搜集型像素探测器16收集，假设q(i,j)表示第i行第j列像素收集到的电荷量，x_ij和y_ij分别是该像素的横坐标和纵坐标，则根据q(i,j)的分布和以下方法可得到入射粒子的位置(x,y)。

(1)重心法。入射粒子位置为

(2)拟合法。根据q(i,j)的分布，用合适的解析函数f(x,y；{p})，如二维高斯函数，对其进行拟合，入射粒子的位置由拟合参数{p}确定；

(3)人工智能法。根据已知入射粒子的位置及其形成的电子云分布，对实验测量数据进行训练，并由训练参数根据未知粒子相应的电子云分布确定其位置。

探测器6的分辨函数确定方法如下：

1)在探测器6探测面安装具有预先设定镂空图案的探测器6掩膜，用具有一定能量的平行粒子束垂直于探测器6表面进行照射，用探测器6采集粒子经过掩膜后形成的二维位置谱；

2)根据镂空图案的形状，对测量得到的二维谱进行退卷积计算，得到探测器6的分辨函数

探测器6的探测效率确定方法如下：

用粒子源(例如²⁴¹Am等放射源)对探测器6表面进行辐照，并确定粒子打到探测器6表面时其能量与实际测量束流期间探测器6测量的粒子能量相当，通过预先设定时间的测量，比较探测器6计数与到达探测器6表面的粒子总计数之比，即探测器6探测效率η。

上述探测器6的探测效率主要取决于MCP18和像素芯片(即电荷搜集型像素探测器16)的探测效率，MCP18对相关粒子的探测效率由丰富的文献数据可查，或根据MCP18参数由计算机模拟计算得到，像素芯片对电荷的收集测量效率可进行单独刻度，探测器6探测效率即MCP18探测效率与像素芯片对电荷的收集测量效率之积η。

测量束流密度分布的方法为：经过预先设定时间的累积计数后，单个粒子的位置叠加在一起，形成二维位置谱；二维位置谱上某位置的计数，对应束流密度沿通过该位置且垂直于探测器6表面的直线的积分，从而该二维位置谱的分布反应了束流密度在垂直于探测器6表面方向上的投影；假设c(x,y)表示二维谱(x,y)处的计数，根据位置谱确定束流密度分布的方法如下：

1)以

为卷积核，对c(x,y)的分布进行退卷积，得到二维位置分布，进而根据探测器6探测效率η对此二维谱进行修正，得到新的二维位置谱d(x,y),它是束流与真空残余气体分子反应产生的二次电子在测量电场和磁场下飞行到探测器6上形成的实际位置谱，即排除了探测器6分辨函数和探测效率对测量精度产生的影响；

2)模拟束流粒子与真空残余气体分子相互作用产生的二次电子初态，进而假设这些二次电子均是从同一点发射的，计算这些二次电子在测量电场和磁场下的运动轨迹，以及它们到达探测器6表面时的分布，从而确定电磁场对测量精度的影响，即电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})，其中{q}表示ψ的参数；

3)在已知的稳定束流条件b′(x,y)下，调节电场强度和磁场强度，观察探测器 6测量得到的二维谱用

退卷积和探测效率η修正后的结果d′(x,y)，由于 d′(x,y)≈b′(x,y)*ψ(x,y；{q})×η，可根据不同电场和磁场强度下测量得到的 d′(x,y)，调节{q}，从而得到更精确的电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})；

4)以更精确的电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})为卷积核，对d(x,y)的分布进行退卷积，得到二维位置分布e(x,y),即为排除了探测器6分辨率、探测效率和电磁场影响的二维束流密度分布。

根据测量束流密度分布的方法得到束流的二维位置分布e(x,y)后，测量束流方向的方法采用以下方法中的一种：

1)逐步求解法。首先逐行或逐列求出e(x,y)的中心，此时可以用重心法、拟合法或机器学习方法；然后用多项式函数拟合上述逐行或逐列的中心分布，即得到束流方向。

2)单步求解法。直接用相关二维分布函数拟合e(x,y)，束流方向可以从拟合函数中直接得到；或者根据已知入射束流的方向及其形成的二维谱，对实验测量数据进行训练，并由训练参数根据未知束流相应的二维谱确定束流的方向。

根据测量束流密度分布的方法得到不同角度θ的二维束流密度分布e_θ(x,y)后，束流的三维密度分布ε(x,y,z)可由下述方法获得：

根据图像重建和图像还原理论，由一系列不同角度的二维束流密度分布 e_θ(x,y)计算得到束流三维密度分布ε(x,y,z)；或者根据已知入射束流的方向及其形成的二维谱，对实验测量数据进行训练，并由训练参数，根据未知束流相应一系列不同角度的二维密度分布e_θ(x,y)，确定束流的三维密度分布ε(x,y,z)。

测量束流三维方向的方法如下：

方法一：根据测量束流方向的方法测得不同角度的二维束流方向，每个方向上的束流方向(曲线)分别可以确定一个垂直于相应探测器6表面的曲面，任意两个不同方向上的曲面相交为一条三维曲线，即束流的三维方向；

方法二：测得束流三维密度分布ε(x,y,z)后，束流的三维方向可由下述方法中的一种获得：

1)逐步求解法：假设ε(x,y,z)中x方向为真空腔束流管道的母线方向，首先在不同的x取值处确定垂直于x方向的不同切片上ε(x,y,z)的分布及其中心，此时可以用重心法、拟合法或机器学习方法；然后用多项式函数拟合上述切片的中心分布，即得到束流方向。

2)单步求解法：直接用相关三维分布函数拟合ε(x,y,z)，束流方向可以从拟合函数中直接得到；或者根据已知入射束流的方向及其形成的三维密度分布，对实验测量数据进行训练，并由训练参数，根据未知束流相应的三维分布，确定束流的方向。

测量束流时间结构的方法可以采用以下三种方法中的一种：

1)为电场和磁场设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，并保持探测器6工作状态不变，可得到不同时间段的束流密度分布、方向和流强，从而测量束流的时间结构。

2)为探测器6设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，并保持电场和磁场状态不变，可得到不同时间段的束流密度分布、方向和流强，从而测量束流的时间结构。

3)为电场、磁场或探测器6设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，可得到不同时间段的束流密度分布、方向和流强，从而测量束流的时间结构。

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，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 (7)

1.一种残留气体带电粒子束流监测装置，其特征在于：包括超高真空腔、磁铁、支架、引线法兰、电场器件和高精度二维位置灵敏探测器；所述超高真空腔外部设置有所述磁铁，且所述超高真空腔一端与所述支架一端连接，所述支架另一端与所述引线法兰连接；所述电场器件和高精度二维位置灵敏探测器设置在所述支架上；

所述探测器底部设置有像素芯片绑定板；所述探测器包括电荷搜集型像素探测器、阳极电子调节电极、MCP、MCP供电电极和二次电子抑制电极；所述电荷搜集型像素探测器位于所述像素芯片绑定板中心位置处，与所述像素芯片绑定板上的芯片外围电路连接，且所述像素芯片绑定板上的芯片外围电路通过对外接口与外部数据获取系统连接；位于所述像素芯片绑定板上部依次固定设置有所述阳极电子调节电极、MCP、MCP供电电极和二次电子抑制电极；

所述超高真空腔内设置有真空泵和真空监测装置；所述超高真空腔包括平行于束流的真空管道和垂直于束流的真空管道，两个管道之间采用超高真空焊接连接，所述垂直于束流的真空管道两端穿过所述磁铁，与所述磁铁之间通过连接件固定；且所述垂直于束流的真空管道一端与所述支架一端连接；

所述电场器件包括阴极板、阴极二次电子抑制丝网、相间均匀分布的电极阵列以及连接相邻电极且阻值正比于电极间距的电阻；所述阴极板底部设置有相间均匀分布的所述电极阵列，所述阴极二次电子抑制丝网设置在所述阴极板的内侧面。

2.如权利要求1所述监测装置，其特征在于：在所述垂直于束流的真空管道另一端分别与分子泵管道一端和真空规管道一端连接，并在所述分子泵管道另一端通过法兰安装分子泵，在所述真空规管道另一端通过法兰安装真空规。

3.如权利要求1所述监测装置，其特征在于：所述磁铁为永磁体或电磁二级铁，或对称分布的两个亥姆霍兹线圈。

4.一种基于如权利要求1至3任一项所述监测装置的监测方法，其特征在于，所述监测方法用于测量束流的三维密度分布ε(x,y,z)，所述束流的三维密度分布ε(x,y,z)由下述方法获得：

根据图像重建和图像还原理论，根据测量束流密度分布的方法得到不同角度θ的束流二维密度分布e_θ(x,y)后，计算得到束流三维密度分布ε(x,y,z)；

测量束流二维密度分布的方法为：经过预先设定时间的累积计数后，将单个粒子的位置叠加在一起，形成二维谱；二维谱上某位置的计数，对应束流密度沿通过该位置且垂直于所述探测器表面的直线的积分，从而该二维谱的分布反应了束流二维密度在垂直于所述探测器表面方向上的投影；假设c(x,y)表示二维谱(x,y)处的计数，根据二维谱确定束流二维密度分布的方法如下：

1)以

为卷积核，对c(x,y)的分布进行退卷积，得到二维谱，进而采用探测器的探测效率确定方法得到的探测器探测效率η对此二维谱(x,y)进行修正，得到新的二维谱d(x,y)；

2)模拟束流粒子与真空残余气体分子相互作用产生的二次电子初态，进而假设这些二次电子均是从同一点发射的，计算这些二次电子在测量电场和磁场下的运动轨迹，以及它们到达探测器表面时的分布，从而确定电磁场对测量精度的影响，即电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})，其中{q}表示ψ的参数；

3)在已知的稳定束流条件b′(x,y)下，调节电场强度和磁场强度，观察探测器测量得到的二维谱用探测器的分辨函数

退卷积和探测效率η修正后的结果d′(x,y)，由于d′(x,y)≈b′(x,y)*ψ(x,y；{q})×η，根据不同电场和磁场强度下测量得到的d′(x,y)，调节参数{q}，得到更精确的电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})；

4)以更精确的电磁场仪器函数ψ(x,y；{q})为卷积核，对新的二维谱d(x,y)的分布进行退卷积，得到束流二维密度分布；

所述探测器的分辨函数

确定方法如下：

1)在探测器探测面安装具有预先设定镂空图案的探测器掩膜，用具有一定能量的平行粒子束垂直于探测器表面进行照射，用探测器采集粒子经过掩膜后形成的二维谱；

2)根据镂空图案的形状，对测量得到的二维谱进行退卷积计算，得到探测器的分辨函数

5.如权利要求4所述监测方法，其特征在于：所述探测器的探测效率η确定方法如下：

用粒子源对探测器表面进行辐照，并确定粒子打到探测器表面时其能量与实际测量束流期间探测器测量的粒子能量相当，通过预先设定时间的测量，比较探测器计数与到达探测器表面的粒子总计数之比，为探测器探测效率η。

6.一种基于如权利要求1至3任一项所述监测装置的监测方法，其特征在于，所述监测方法用于测量束流三维方向，所述测量束流三维方向的方法如下：

方法一：测量不同角度的束流二维方向，在每个方向上的束流二维方向分别确定一个垂直于相应探测器表面的曲面，任意两个不同方向上的曲面相交为一条三维曲线，即束流的三维方向；

所述测量束流二维方向的方法采用以下方法中的一种：

1)逐步求解法：首先逐行或逐列根据权利要求4求出的束流二维密度分布的中心，此时用重心法、拟合法或机器学习方法；然后用多项式函数拟合上述逐行或逐列的中心分布，得到束流二维方向；

2)单步求解法：直接用二维分布函数拟合由权利要求4所述监测方法求出的束流二维密度分布，束流二维方向从拟合函数中直接得到；或者根据已知入射束流的二维方向及其形成的二维谱，对实验测量数据进行训练，并由训练参数根据未知束流相应的二维谱确定束流的二维方向；

方法二：根据权利要求4所述监测方法测得束流的三维密度分布ε(x,y,z)后，束流的三维方向由下述方法中的一种获得：

1)逐步求解法：假设束流的三维密度分布ε(x,y,z)中x方向为真空腔束流管道的母线方向，首先在不同的x取值处确定垂直于x方向的不同切片上束流的三维密度分布ε(x,y,z)的分布及其中心，此时采用重心法、拟合法或机器学习方法；然后用多项式函数拟合上述切片的中心分布，即得到束流的三维方向；

2)单步求解法：直接用三维分布函数拟合束流的三维密度分布ε(x,y,z)，束流的三维方向从拟合函数中直接得到；或者根据已知入射束流的三维方向及其形成的三维密度分布，对实验测量数据进行训练，并由训练参数，根据未知束流相应的三维分布，确定束流的三维方向。

7.一种基于如权利要求1至3任一项所述监测装置的监测方法，其特征在于：所述监测方法用于测量束流时间结构，所述测量束流时间结构的方法采用以下三种方法中的一种：

1)为电场和磁场设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，并保持探测器工作状态不变，得到不同时间段的束流的三维密度分布、束流三维方向和流强，从而测量束流的时间结构；

其中，所述束流的三维密度分布采用如权利要求4-5任一项所述监测方法得到，所述束流三维方向采用如权利要求6所述监测方法得到；

2)为探测器设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，并保持电场和磁场状态不变，得到不同时间段的束流的三维密度分布、束流三维方向和流强，从而测量束流的时间结构；

其中，所述束流的三维密度分布采用如权利要求4-5任一项所述监测方法得到，所述束流三维方向采用如权利要求6所述监测方法得到；

3)为电场、磁场或探测器设置与加速器时钟同步的时间信号，控制其工作状态，得到不同时间段的束流的三维密度分布、束流三维方向和流强，从而测量束流的时间结构；其中，所述束流的三维密度分布采用如权利要求4-5任一项所述监测方法得到，所述束流三维方向采用如权利要求6所述监测方法得到。

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