CN111948700B - 一种夹层式离子束能谱分析器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种夹层式离子束能谱分析器，包括若干个绝缘体和金属膜片，所述绝缘体与金属膜片的形状与大小相同且平行设置，所述绝缘体与金属膜片交替紧邻排布形成夹层式结构，且夹层式结构最外两侧为绝缘体膜片；所述夹层式结构的绝缘体膜片侧设有入射端；每个金属膜片均连接有电流探测器；所述夹层式离子束能谱分析器的入射端射入从等离子体损失的各能量段带电粒子，该粒子经过某个金属膜片时，能量小于阈值的粒子将滞留在金属膜片中，通过金属膜片与地之间组成的电路输出电流，并输入其对应的电流探测器，各个电流探测器测量其对应的电流值。本发明结构简单，绝缘体和金属膜片易于制备，更换方便，与现有技术的电磁及光谱测量相比成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及离子束能谱分析器技术领域，具体涉及一种夹层式离子束能谱分析器。
背景技术
在工业和物理实验中，对离子源引出束中的离子能谱，放射源产生的带电粒子能谱，以及磁约束聚变等离子体中离子能谱的测量，主要利用不同能量的带电粒子在电场和磁场中偏转轨道半径不同的原理在静电分析器和磁分析器中进行测量。H或者D粒子还可以运用不同能量的引出粒子的特征光谱(Ha或者Da)的多普勒效应(Doppler Effect)进行测量。
静电分析器和磁分析器具有复杂、精密的空间结构，并且对放置在真空室中的电路和电磁铁线圈等系统的放气率要求很高，探测器更换不方便，且需要复杂的标定，造价很高。对于高能量的带电粒子，静电分析器不适于进行分析，而磁分析器需要大面积的强偏转磁场，制造工艺复杂且成本很高。利用引出束中H或者D粒子的特征光谱的多普勒效应进行测量的光谱仪造价昂贵，且需要精心护理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有关于高能量离子束的电磁测量及光谱测量器具有复杂、精密的空间结构，需要复杂的标定，制造工艺复杂且成本高的问题。本发明目的在于提供一种夹层式离子束能谱分析器，利用不同能量的带电粒子在交替排布的绝缘体膜片和金属膜片中的沉积而对粒子的能谱进行测量的部件，该部件结构简单，绝缘体膜片和金属膜片易于制备，更换方便，与现有技术的电磁测量及光谱测量相比成本较低。
本发明通过下述技术方案实现：
一种夹层式离子束能谱分析器，所述夹层式离子束能谱分析器包括若干个绝缘体膜片和金属膜片，所述绝缘体膜片与金属膜片的形状与大小尺寸相同且平行设置，所述绝缘体膜片与金属膜片交替紧邻排布形成夹层式结构，且所述夹层式结构的最外两侧为绝缘体膜片；所述夹层式结构的绝缘体膜片侧设有入射端；每个所述金属膜片均连接有电流探测器；所述电流探测器接地；
所述夹层式离子束能谱分析器的入射端射入从等离子体损失后的各能量段带电粒子，所述各种带电粒子依次穿过所述绝缘体膜片与金属膜片，在经过第i个金属膜片时，能量小于Ei的带电粒子将滞留在该金属膜片中，通过金属膜片与地之间组成的电路输出电流Ii，各个电流探测器测量其对应的电流值，通过电流与带电粒子所携带的电荷(q)的关系式Ii∝niq即可得到能量段为Ei的离子密度(ni)，对计算出的每一个能量段的离子密度的排布进行拟合，得到高能量粒子的分布函数f(E)。
工作原理是：基于现有关于高能量离子束的电磁测量及光谱测量器具有复杂、精密的空间结构，需要复杂的标定，制造工艺复杂且成本高的问题。本发明采用上述方案通过利用高能量带电粒子对特定厚度的绝缘体膜片(如，云母、二氧化硅和Mylar等)和金属膜片(如，金、钨和铝等高原子序数金属)的穿透效率特性而设计的。将绝缘体膜片和金属膜片交替排布，形成夹层式结构，从等离子体损失后入射到夹层式离子束能谱分析器上的离子，其带电粒子的分布函数为f(E)；带电粒子通过该夹层式离子束能谱分析器中的第i片(i＝1，2...)金属膜片上时某能量段(Ei)的粒子将沉积在金属膜片层中，而通过与该金属膜片连接的电流探测器可以测得其电流(Ii)，通过电流与带电粒子所携带的电荷(q)的关系式Ii∝niq即可得到能量段为Ei的离子密度(ni)。
其中，f(E)为离子分布函数，Ei为在沉积在第i片金属膜片上的测量粒子的能量范围，Ii为沉积在第i片金属膜片上的离子而产生的电流，q为单个带电粒子所带的电荷数，ni为能量为Ei能量段粒子的密度。对电流强度与粒子密度的关系式Ii∝niq可以得出ni＝Ii/q。通过对计算出的每一个能量段的粒子密度的排布进行拟合，可以得到高能量粒子的分布函数f(E)。
金属膜片两边的绝缘体膜片的作用是为了防止粒子轰击金属膜片上后产生溅射对分析器造成损伤和发射电子造成测量偏差。
本发明利用不同能量的带电粒子在交替排布的绝缘体膜片和金属膜片中的沉积而对粒子的能谱进行测量的部件，该部件结构简单，绝缘体膜片和金属膜片易于制备，更换方便，与现有技术的电磁测量及光谱测量相比成本较低。
作为进一步地优选方案，所述夹层式离子束能谱分析器包括若干个绝缘体膜片和金属膜片，比如可以采用4个绝缘体膜片与3个金属膜片，从左至右依次记作第一绝缘体膜片、第一金属膜片、第二绝缘体膜片、第二金属膜片、第三绝缘体膜片、第三金属膜片、第四绝缘体膜片，第一金属膜片连接第一电流探测器，第二金属膜片连接第二电流探测器，第三金属膜片连接第三电流探测器。
还比如，还可以采用5个绝缘体膜片与4个金属膜片等等，只要满足绝缘体膜片和金属膜片交替排布，且绝缘体和金属膜片的数量可以覆盖离子束的能量范围即可。
作为进一步地优选方案，所述夹层式离子束能谱分析器的入射端射入等离子体损失后的各能量段带电粒子，所述各能量段带电粒子的注入方向应与所述金属膜板垂直。
作为进一步地优选方案，所述绝缘体膜片采用云母绝缘体膜片或者二氧化硅绝缘体膜片或者Mylar绝缘体膜片。
作为进一步地优选方案，所述金属膜片采用高原子序数金属膜片，所述高原子序数金属膜片采用金膜片或者钨膜片或者铝膜片等均可实现，但是由于金膜片或者钨膜片价格昂贵，更易采用铝膜片。
作为进一步地优选方案，所述绝缘体膜片与金属膜片的形状可以采用多种形状，比如：
(1)所述绝缘体膜片与金属膜片的形状均为方体形时，所述高原子序数金属膜片采用铝膜片，所述绝缘体膜片采用Mylar绝缘体膜片；所述绝缘体膜片的厚度为20nm；所述金属膜片的厚度为50nm，金属膜片的边长为1cm。
(2)所述绝缘体膜片与金属膜片的形状均亦可为圆形。
作为进一步地优选方案，所述带电粒子包括等离子体中的离子或者离子源引出束的带电离子或者其它带电粒子。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明利用不同能量的带电粒子在交替排布的绝缘体膜片和金属膜片中的沉积而对粒子的能谱进行测量的部件，该部件结构简单，绝缘体膜片和金属膜片易于制备，更换方便，与现有技术的电磁测量及光谱测量相比成本较低。
2、本发明中的金属膜片两边的绝缘体膜片的作用是为了对相邻的金属膜片进行隔离，防止粒子轰击金属膜片上后产生溅射对分析器造成损伤和发射电子造成测量偏差。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种夹层式离子束能谱分析器立体结构示意图。
图2为本发明一种夹层式离子束能谱分析器主视结构示意图。
图3为本发明高能量粒子的分布函数f(E)示意图。
图4为本发明D+粒子在Al金属膜片中的穿透深度与其能量的对应关系图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-第一金属膜片，2-第二金属膜片，3-第三金属膜片，4-第一绝缘体膜片，5-第二绝缘体膜片，6-第三绝缘体膜片，7-第一电流探测器，8-第二电流探测器，9-第三电流探测器，10-第一电流，11-第二电流，12-第三电流，13-第四绝缘体膜片。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“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保护范围的限制。
实施例1
如图1至图3所示，本发明一种夹层式离子束能谱分析器，所述夹层式离子束能谱分析器包括若干个绝缘体膜片和金属膜片，所述绝缘体膜片与金属膜片的形状与大小尺寸相同且平行设置，所述绝缘体膜片与金属膜片交替紧邻排布形成夹层式结构，且所述夹层式结构最外两侧为绝缘体膜片；所述夹层式结构的绝缘体膜片侧设有入射端；每个所述金属膜片均连接有电流探测器；所述电流探测器接地；
所述夹层式离子束能谱分析器的入射端射入从等离子体损失后的各能量段带电粒子，所述各种带电粒子依次穿过所述绝缘体膜片与金属膜片，在经过第i个金属膜片时，能量小于Ei的带电粒子将滞留在该金属膜片中，通过金属膜片与地之间组成的电路输出电流Ii，各个电流探测器测量其对应的电流值，通过电流与带电粒子所携带的电荷(q)的关系式Ii∝niq即可得到能量段为Ei的离子密度(ni)，对计算出的每一个能量段的离子密度的排布进行拟合，得到高能量粒子的分布函数f(E)。
本发明主要用于分析从离子源引出的高能量(100keV)离子束的束离子的能谱，磁约束聚变等离子体中的离子能谱。离子源引出的高能量离子束的能谱是表征离子源性能的重要指标。对磁约束聚变等离子体中的离子能谱进行分析，可以对聚变等离子体的聚变功率和自加热效率等重要参数进行评估。
本实施例实施时，如图1、图2所示，所述夹层式结构采用4个绝缘体膜片与3个金属膜片，所述夹层式离子束能谱分析器的夹层式结构从左至有依次为第一绝缘体膜片4、第一金属膜片1、第二绝缘体膜片5、第二金属膜片2、第三绝缘体膜片6、第三金属膜片3、第四绝缘体膜片13，第一金属膜片1连接第一电流探测器7，第一电流探测器7测得的电流记作第一电流10；第二金属膜片2连接第二电流探测器8，第二电流探测器8测得的电流记作第二电流11；第三金属膜片3连接第三电流探测器9，第三电流探测器9测得的电流记作第三电流12。
作为进一步地优选方案，所述夹层式离子束能谱分析器的入射端射入等离子体损失后的各能量段带电粒子，所述各能量段带电粒子的注入方向应与所述金属膜板垂直。
作为进一步地优选方案，所述绝缘体膜片采用云母绝缘体膜片或者二氧化硅绝缘体膜片或者Mylar绝缘体膜片。
作为进一步地优选方案，所述金属膜片采用高原子序数金属膜片，所述高原子序数金属膜片采用金膜片或者钨膜片或者铝膜片等均可实现，但是由于金膜片或者钨膜片价格昂贵，更易采用铝膜片。
作为进一步地优选方案，所述绝缘体膜片与金属膜片的形状可以采用多种形状，比如：方形体或者圆形体等都可实现。
作为进一步地优选方案，所述带电粒子包括磁约束聚变等离子体中的离子或者离子源引出束中的带电粒子。
实施时：
1、将金属膜片(第一金属膜片1、第二金属膜片2，第三金属膜片3)放入真空室内，在100℃高温真空下烘烤24小时，去除其中的水分；将各个金属膜片(第一金属膜片1、第二金属膜片2，第三金属膜片3)与绝缘体膜片(第一绝缘体膜片4、第二绝缘体膜片5、第三绝缘体膜片6、第四绝缘体膜片13)压制而成；
2、在金属膜片(第一金属膜片1、第二金属膜片2，第三金属膜片3)的下方均连接对应的电流探测器(第一电流探测器7、第一电流探测器8、第一电流探测器9)；
3、带电粒子沿垂直金属膜板方向注入，使带电粒子垂直入射到金属膜片上；
4、纪录第一电流探测器7、第一电流探测器8、第一电流探测器9的度数Ii-1，Ii和Ii+1；
5、根据电流Ii-1，Ii和Ii+1即可得到能量范围为为Ei-1，Ei和Ei+1等粒子的密度ni-1，ni和ni+1等。
6、最终对多个ni的数据进行拟合可以得到带电粒子的能谱分布。
工作原理是：本发明通过利用高能量带电粒子对特定的绝缘体膜片(如，云母，二氧化硅)和金属膜片(如，金、钨等高原子序数金属)的穿透效率特性而设计的。将绝缘体膜片和金属膜片交替排布，形成夹层式结构，从等离子体损失后入射到夹层式离子束能谱分析器上的D+或者(H+)粒子，其带电粒子的分布函数为f(E)；带电粒子通过该夹层式离子束能谱分析器中的第i片(i＝1，2...)金属膜片上时某些能量段(Ei)的粒子将沉积在金属膜片层中，而通过与该金属膜片连接的电流探测器可以测得其电流(Ii)，通过电流与带电粒子所携带的电荷(q)的关系式Ii∝niq即可得到能量段为Ei的离子密度(ni)。
其中，f(E)为离子分布函数，Ei为在沉积在第i片金属膜片上的测量粒子的能量范围，Ii为沉积在第i片金属膜片上的离子而产生的电流，q为单个带电粒子所带的电荷数，ni为能量为Ei能量段粒子的密度。对电流强度与粒子密度的关系式Ii∝niq可以得出ni＝Ii/q。通过对计算出的每一个能量段的粒子密度的排布进行拟合，可以得到高能量粒子的分布函数f(E)。
如图3所示，图3粒子的分布函数(a)，沉积在金属膜片中的粒子的能量段和数量(分别由b矩形的宽和高表示)，沉积在绝缘体中的粒子的能量段和数量(分别由c矩形的宽和高表示)。
金属膜片两边的绝缘体膜片的作用是为了对相邻的金属膜片进行隔离，并防止粒子轰击金属膜片上后产生溅射对分析器造成损伤和发射电子造成测量偏差。
本发明利用不同能量的带电粒子在交替排布的绝缘体膜片和金属膜片中的沉积而对粒子的能谱进行测量的部件，该部件结构简单，绝缘体膜片和金属膜片易于制备，更换方便，与现有技术的电磁测量及光谱测量相比成本较低。
实施例2
如图1至图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中实施时：设计金属膜片选用较容易制备的正方形铝(Al)膜片，其边长为1cm，厚度为50nm。假设D+粒子的能量在0-45keV范围内，不同能量的D+粒子在金属膜片中的穿透深度见图4所示。绝缘体膜片采用与铝(Al)膜片同样尺寸，且厚度为20nm的Mylar绝缘体膜片，Mylar材料对D+几乎无阻挡作用。
本实施例实施时：测量0-45keV的D+粒子需要11片铝(Al)膜片，以及12片Mylar绝缘体膜片。因此，第1到第11片铝(Al)膜片分别可以停滞能量范围在0-3，3-6.2，6.2-9.7，9.7-13.4，13.4-17.4，17.4-21.8，21.8-26.5，26.5-31.6，31.6-36.9，36.9-42.5和42.5-48.1keV小能量范围的高能量D+粒子。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种夹层式离子束能谱分析器，其特征在于，所述夹层式离子束能谱分析器包括若干个绝缘体膜片和金属膜片，所述绝缘体膜片与金属膜片的形状与大小尺寸相同且平行设置，所述绝缘体膜片与金属膜片交替紧邻排布形成夹层式结构，且所述夹层式结构最外两侧为绝缘体膜片；所述夹层式结构的绝缘体膜片侧设有入射端；每个所述金属膜片均连接有电流探测器；所述电流探测器接地；
所述夹层式离子束能谱分析器的入射端射入等离子体损失后的各能量段带电粒子，所述各能量段带电粒子依次穿过所述绝缘体膜片与金属膜片，在经过第i个金属膜片时，能量小于Ei的带电粒子将滞留在该金属膜片中，通过金属膜片与地之间组成的电路输出电流Ii，并输入其对应的电流探测器，各个电流探测器测量其对应的电流值，通过电流与带电粒子所携带的电荷q的关系式Ii∝niq即可得到能量段为Ei的离子密度ni，对计算出的每一个能量段的离子密度的排布进行拟合，得到高能量粒子的分布函数f(E)；
所述夹层式离子束能谱分析器的入射端射入等离子体损失后的各种带电粒子，所述各种带电粒子的注入方向应与所述金属膜片垂直；
所述绝缘体膜片采用云母绝缘体膜片或者二氧化硅绝缘体膜片或者Mylar绝缘体膜片；
所述金属膜片采用高原子序数金属膜片，所述高原子序数金属膜片采用金膜片或者钨膜片或者铝膜片。
2.根据权利要求1所述的一种夹层式离子束能谱分析器，其特征在于，所述夹层式离子束能谱分析器的夹层式结构包括第一绝缘体膜片(4)、第一金属膜片(1)、第二绝缘体膜片(5)、第二金属膜片(2)、第三绝缘体膜片(6)、第三金属膜片(3)、第四绝缘体膜片(13)，第一金属膜片(1)连接第一电流探测器(7)，第二金属膜片(2)连接第二电流探测器(8)，第三金属膜片(3)连接第三电流探测器(9)。
3.根据权利要求1所述的一种夹层式离子束能谱分析器，其特征在于，所述绝缘体膜片与金属膜片的形状均为方体形，且所述高原子序数金属膜片采用铝膜片，所述绝缘体膜片采用Mylar绝缘体膜片；所述绝缘体膜片的厚度为20nm；所述金属膜片的厚度为50nm，金属膜片的边长为1cm。
4.根据权利要求1所述的一种夹层式离子束能谱分析器，其特征在于，所述绝缘体膜片与金属膜片的形状均为圆形。
5.根据权利要求1所述的一种夹层式离子束能谱分析器，其特征在于，所述带电粒子包括磁约束聚变等离子体中损失的离子或者其它带电粒子。
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| US4782302A (en) * | 1986-10-31 | 1988-11-01 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Detector and energy analyzer for energetic-hydrogen in beams and plasmas |
| WO2003081654A1 (en) * | 2002-03-26 | 2003-10-02 | Tohoku Techno Arch Co., Ltd. | On-wafer monitoring system |
| CN107450094A (zh) * | 2017-06-22 | 2017-12-08 | 山东航天电子技术研究所 | 一种带电粒子束诊断装置及诊断测量方法 |
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2020
- 2020-09-17 CN CN202010979917.6A patent/CN111948700B/zh active Active
Patent Citations (6)
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| 叠片法测量"闪光二号"加速器的高功率离子束能谱;杨海亮, 邱爱慈, 李静雅, 孙剑锋, 何小平, 汤俊萍, 王海洋, 黄建军, 任书庆, 邹丽丽, 杨莉;物理学报;20050912(第09期);全文 * |
| 带有磁分析器的半导体探测器带电粒子谱仪;杨金刚, 李卫江, 郭清江, 朱光华, 姜承烈;物理学报;19740130(第01期);全文 * |
Also Published As
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