CN111722263B - 一种用于大功率电子束束斑测量的法拉第杯设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大功率电子束束斑测量的法拉第杯装置。该装置包括：接收罩(1)，水套(2)，陶瓷筒(3)，法拉第杯芯(4)，绝缘块(5)，通水外壳(6)。各个组件连接如摘要附图所示，所述法拉第杯芯(4)与水套(2)同轴，中间通过绝缘材料陶瓷筒(3)连接，并且三者固定在绝缘块(5)上，其特征在于可以法拉第杯芯(4)可以通过固定伸出的圆柱检测电流。所述通水外壳(6)与水套(2)封闭成通水结构。所述接收罩(1)作为法拉第杯入口处，其特征在于可以方便的进行拆卸、安装。本发明提供了一种法拉第水冷结构，能够使工作区域快速降温，避免了因为温升而引起的损坏，同时提供了一种从尾部引出电流的输出装置及一种可快速更换接收罩和调节测试分辨率的输入装置。

Description

一种用于大功率电子束束斑测量的法拉第杯设计
技术领域
本发明涉及法拉第杯装置，特别地，一种法拉第杯水冷装置，一种法拉第杯从尾部引出电流的输出装置，一种可快速更换接收罩和调节测试分辨率的输入装置。
背景技术
法拉第杯是一种金属制造成的杯状、用来测量带电入射粒子强度的一种真空探测器，通过测得电流来判定入射电子或者离子的数量，是一种束流测量装置。
法拉第杯在正常工作中，束流能量基本转化为热量沉积在法拉第杯中。当法拉第杯长时间工作时，内部各部分的能量沉积不同，单位时间内升高的温度不同，同时各部分热膨胀系数也不同，这就有可能由于形变量不同造成内部部件损坏的现象，同时使法拉第杯芯与外壁材料间的绝缘电阻发生变化，测量不准确。
现有测量装置是通过模拟仿真的形式选择合适的法拉第杯的工作时间，计算法拉第杯在工作时各部分的能量沉积，最后倒算到温度升高时的形变量。这种方法只能通过控制时间来计算，结果难以直接有效的获得，而且也是假设温度升高完全由束流能量决定，受到外部环境影响较大。
现如今大部分法拉第杯一般为一体化结构，对外部屏蔽效果不好，容易受到外部环境的影响。现在有通过增加金属屏蔽罩的形式来屏蔽掉真空腔体内部散射粒子的干扰，但是忽视了与其余结构的配合使用，不易于安装，最终效果不好。
在输入口处，有限制电子入射量的孔洞，一方面，可以通过改变孔洞直径捕获电子的数量来改变法拉第杯的测量分辨率；另一方面，由于孔洞内部收集部分电子，其余高能电子都打到了孔洞之外的区域上，由于电子的侵蚀作用，这个输入部件很容易损坏。目前有可以快速更换部件的装置，但是由于结构复杂，不易加工，而且测量输入电子数量是固定的，因此无法改变测量的分辨率，实际应用中作用有限。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于大功率电子束束斑测量的法拉第杯设计，包括一种带水冷的法拉第杯装置，一种从尾部引出电流的法拉第杯装置，一种可快速更换接收罩和调节测试分辨率的输入装置
本发明所采用的技术方案是：其中包括接收罩，水套，陶瓷筒，法拉第杯芯，绝缘块，通水外壳，其中所述法拉第杯芯外面套在陶瓷筒中，所述陶瓷筒套在所述带有水冷通道的水套中，所述水套与通水外壳配合构成水冷通道，其中所述法拉第杯芯，陶瓷筒及水套固定在绝缘块上，所述法拉第杯芯穿过绝缘块伸出一个小铜柱作为输出端子，所述接收罩作为输入口装配在法拉第杯芯输入口处。
优选的，所述法拉第杯芯，水套以及通水外壳材料为无氧铜，所述绝缘块材料为陶瓷，所述接收罩材料为钼。
进一步的，所述水套与通水外壳构成水冷结构，封闭成水冷路径。
进一步的，所述法拉第杯芯将热量传导至陶瓷筒，再经过水冷结构的水冷路径进行散热。
进一步的，所述法拉第杯的输入口与输出口结构上同轴。
进一步的，所述绝缘块与陶瓷筒构成减少外部环境影响的屏蔽结构，其中输出端贯穿绝缘块伸出一个小铜柱作为检测部件。
进一步的，所述一种可快速更换，调节测试分辨率的输入装置是由接收罩来发挥作用的，其中接收罩为帽状结构。
进一步的，所述快速更换的接收罩与通水外壳进行装配。
进一步的，接收罩帽状结构顶部有个输入孔，通过更换不同的孔径大小的接收罩来确定测量不同的电子束。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1，本发明通过陶瓷传导工作产生的热量，利用专门水冷通道快速散热，可以减少因为温升引起的法拉第杯损坏和测量误差。
2，本发明通过一端输入，同轴的另一端输出，中间由绝缘材料隔绝的方式，不仅达到了因为外部环境引的误差，同时易于装配。
3，本发明考虑了输入处最容易损坏并且针对于目前法拉第杯测量分辨率不容易调节的特点，提供了一种可快速更换并且易于装配的接收罩装置。
附图说明
图1为本发明法拉第杯整体结构装配示意图；
图2为本发明水套结构示意图；
图3为本发明通水外壳结构平面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1所示，法拉第杯的整体结构图包括接收罩(1)，水套(2)，陶瓷筒(3)，法拉第杯芯(4)，绝缘块(5)，通水外壳(6)，其中陶瓷筒(3)是圆柱形中空的，法拉第杯芯(4)安装于陶瓷筒(3)中空处，此时法拉第杯芯(4)产生的热量可以传导到陶瓷筒(3)上，同时，陶瓷筒(3)安装于水套(2)的中空处，水套(2)与通水外壳(6)构成一个水冷通道，这时，陶瓷筒(3)传导来的热量传导到水套(2)上，最终由水通道将热量带走。
如图2、图3所示，水套外部凹槽有四部分，称为下凹槽(15)，上凹槽(13)，竖窄凹槽(14)，竖宽凹槽(16)，水套(2)下凹槽(15)可以配合通水外壳(6)流入口(11)，实现水流流入，水流通过水套的竖窄凹槽(14)流向水套(2)上凹槽(13)，水套的竖窄凹槽(14)数目根据实际需求设计，但必须分布于水套的整圈，水套上凹槽(13)流出水流到竖宽凹槽(16)，并通过通水外壳流出口(10)流出，水套的竖宽凹槽(16)与通水外壳流出口(10)需要配合对齐，而且其宽度需要小于或者等于通水外壳流出口(10)的直径。
另外，水套上面的薄圆柱体(8)比通水外壳(6)圆柱腔外径小，比通水外壳(6)圆柱腔内径大，实现水通道的封闭，这样就能实现水流通过水冷结构将法拉第杯产生的热量尽可能的带走。
如图1所示，法拉第杯芯(4)套在陶瓷筒(2)里面，而陶瓷筒(2)一端，即法拉第杯芯(4)的输出端固定在绝缘块(5)上，其中，法拉第杯芯(4)穿过绝缘块(5)伸出一个小铜柱(7)作为输出端子引出测量电流，这时，通过绝缘陶瓷筒(2)和绝缘块(5)的配合能够将法拉第杯芯(4)封闭起来，这样就能屏蔽外部环境的影响，这样就可以仅仅从尾部的小铜柱(7)引出电流，同时，由于输入输出在同一条直线上，在工程上便于装配。
如图1所示，所述法拉第杯接收罩(1)结构为帽子形状最上部设计为圆锥状，有利于收集电子，获得较高的电子俘获率，中部圆柱状，配合底部绝缘块(5)将法拉第杯芯(4)固定住，同时下部可以与通水外壳(6)装配的大圆柱体，其作用在于将接收罩(1)固定在通水外壳(6)上，这样接收罩仅仅与外壳装配，可以非常方便的拆卸安装，不需要更改其它结构。
同时，在接收罩上方有一个可以限制电子输入量的小孔，在实际应用中，通过改变孔径的大小可以改变电子束束斑测量的分辨率，一方面，我们可以根据实际的工程需要设计仅仅设计不同的孔径大小的接收罩即可，另一方面，接收罩(1)的易于装配的优点将会为我们的工程实际应用带来极大的方便。

Claims (3)

1.一种用于大功率电子束束斑测量的法拉第杯装置，包括水冷结构、从尾部引出电流的检测结构、可快速更换的接收罩和调节测试分辨率的输入结构；所述装置进一步包括：接收罩(1)，水套(2)，陶瓷筒(3)，法拉第杯芯(4)，绝缘块(5)，通水外壳(6)，其特征在于，所述法拉第杯芯(4)与陶瓷筒(3)同轴配合，所述法拉第杯芯(4)与水套(2)同轴配合，所述水套(2)与通水外壳(6)配合构成水冷结构，所述法拉第杯芯(4)与陶瓷筒(3)固定在绝缘块(5)上构成从尾部引出电流的检测结构，所述法拉第杯芯(4)贯穿绝缘块(5)伸出一段小铜柱(7)作为检测部件，所述接收罩(1)结构为帽子形状最上部设计为圆锥状，帽状顶部有一个输入孔，输入孔可以通过更换不同孔径的接收罩来调节测试分辨率，所述接收罩(1)装配在法拉第杯芯(4)输入口处，套在通水外壳(6)上；所述水套(2)与通水外壳(6)构成封闭的通水路径，水流通过通水外壳(6)流入口(11)流入水套(2)的竖窄凹槽(14)和上凹槽(13)，所述水套(2)上凹槽(13)流出水流到竖宽凹槽(16)，并通过流出口(10)流出，所述水套(2)的竖宽凹槽(16)与通水外壳(6)流出口(10)需要配合对齐。
2.根据权利要求1所述的一种用于大功率电子束束斑测量的法拉第杯装置，其特征在于，从尾部引出电流的检测结构的输入端与输出端结构上同轴。
3.根据权利要求2所述的一种用于大功率电子束束斑测量的法拉第杯装置，其特征在于，所述输出端通过固定在绝缘块(5)屏蔽外部影响，其余部分装配在陶瓷筒(3)内部来屏蔽外部影响。
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