CN112987076B - 一种用于微弱束流的流强探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于加速器中离子束探测技术领域。涉及一种用于微弱束流的流强探测系统，包括：探测腔体，探测探头、高阻放大器、带通滤波器、可调放大衰减模块组和频谱仪；探测探头设置在探测腔体中，用于检测微弱束流信号；高阻放大器设置在探测腔体的外侧，用于放大微弱束流信号；带通滤波器接收经过放大的信号，并过滤掉经过放大的信号中的低频干扰噪音与高频谐波；可调放大衰减模块组，通过控制衰减器工作模式，将经过滤波的信号幅度控制在预设范围内，并将位于预设范围内的信号传输至频谱仪；频谱仪，用于根据预设范围内的信号获得微弱束流的流强。其无需阻拦束流的前进，能够对nA级别的束流产生有效信号，并满足高灵敏度，低造价等要求。

Description

一种用于微弱束流的流强探测系统
技术领域
本发明涉及一种用于微弱束流的流强探测系统，属于加速器中离子束探测技术领域。
背景技术
对于加速器整体装置来说，束流诊断系统是极其重要的系统之一，它作为加速器的眼睛，通过对束流的各项指标的测量反馈给使用者，实现机器整体稳定运行。国内外加速器实验室都十分重视束诊系统的研究及应用，而其中，对于束流流强的探测是整个系统最基本也是最重要的研究之一。
目前，对于束流流强较低的离子束的流强探测通常采用法拉第筒或交流电流变压器(ACCT)进行探测。在实际工作中的极端情况下，主加速器(SSC)输出束流流强可能会非常低，甚至低至nA量级，传统的流强探测系统会由于本底噪声接近μA量级，导致灵敏度不够，从而无法探测到此种极限情况下离子束的流强。针对此种很微弱的离子束，现有的一些探测手段大多是采用束流拦截式探测，完全阻挡束流前进，不利于加速器系统调试并且会影响其正常的实验进程。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于微弱束流的流强探测系统，其无需阻拦束流的前进，能够对nA级别的束流产生有效信号，并满足高灵敏度，低造价等要求。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于微弱束流的流强探测系统，包括：探测腔体，探测探头、高阻放大器、带通滤波器、可调放大衰减模块组和频谱仪；探测探头设置在探测腔体中，用于检测微弱束流信号；高阻放大器设置在探测腔体的外侧，用于放大微弱束流信号；带通滤波器接收经过放大的信号，并过滤掉经过放大的信号中的低频干扰噪音与高频谐波；可调放大衰减模块组，通过控制衰减器工作模式，将经过滤波的信号幅度控制在预设范围内，并将位于预设范围内的信号传输至频谱仪；频谱仪，用于根据预设范围内的信号获得微弱束流的流强。
进一步，探测腔体为管状腔体，其一端为束流入射端，另一端设置有法拉第筒，法拉第筒由于对流强探测系统进行标定。
进一步，法拉第筒的下方设有离子泵，离子泵用于提高探测腔体的真空度。
进一步，探测探头包括两个极板和设置在两个极板组成空间的中心位置的同轴线缆，同轴线缆包括同轴设置的内管和外管，内管用于传导束流信号，外管用于将束流信号引出。
进一步，极板为容性极板，极板的长度为500mm，且其张角为130°。
进一步，极板通过Vespel聚四氟乙烯端头进行固定。
进一步，探测腔体的内壁设有真空馈通管，真空馈通管连接内管，用于在不破坏真空的情况下将束流信号引出探测腔体。
进一步，高阻放大器为至少两个，各高阻放大器均与合路器连接，并通过合路器连接带通滤波器。
进一步，可调放大衰减模块组包括若干相互串联的衰减器和PLC控制系统，通过PLC控制系统将经过滤波的信号幅度控制在预设范围内。
进一步，可调放大衰减模块组的放大器增益为40dB，若干路衰减器串联衰减范围为0-63dB。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明探测系统具有极高的束流传输阻抗，可以对流强为亚nA量级的束流信号进行有效测量。
2、本发明具有超出三个量级以上的超大动态范围，通过对衰减放大模块的远程调节，可以对流强为nA-μA量级范围的束流信号有效采集分析。
3、与传统的ACCT相比，本发明的探测系统造价更低，系统更稳定，同时具有良好的电磁屏蔽性能，可以广泛应用到重离子(包括质子)加速器束流诊断领域中。
附图说明
图1是本发明一实施例中用于微弱束流的流强探测系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例中探测探头的主视图；
图3是图2中A-A界面的剖视图；
图4是本发明一实施例中探测探头的传输阻抗电磁仿真结果图；
图5是本发明一实施例中用于微弱束流的流强探测系统的外观图。
附图标记：
1-探测腔体；2-探测探头；3-高阻放大器；4-带通滤波器；5-可调放大衰减模块组；6-频谱仪；7-真空馈通管；8-Vespel聚四氟乙烯端头；9-合路器；10-法拉第筒；11-离子泵。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式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用于微弱束流的流强探测系统，如图1所示，包括：探测腔体1，探测探头2、高阻放大器3、带通滤波器4、可调放大衰减模块组5和频谱仪6。
如图2、3所示，探测探头2设置在探测腔体1中，用于检测微弱束流信号；探测探头2包括两个极板和设置在两个极板组成空间的中心位置的同轴线缆，为了保证良好的电接触，两个极板与该金属导体都做了表面镀银再镀金处理，同轴线缆包括同轴设置的内管和外管，其中，本实施例中优选内径为7mm，外径为8mm。内管用于传导束流信号，外管用于将束流信号引出。探测腔体1的内壁设有真空馈通管7，真空馈通管7连接内管，用于在不破坏真空的情况下将束流信号引出探测腔体1。如图4所示，探测探头2的传输阻抗结果由仿真软件给出，当粒子强度为16MeV时，频率为10MHz时，传输阻抗为327Ω，当频率在0-15MHz范围内，探测探头2的传输阻抗在320-340的范围内，传输阻抗随频率变化较小。本实施例中探测探头2优选由不锈钢制成，能承受200-300℃高温。
极板为容性极板，为了尽可能的增大探测系统的灵敏度，所以需要探测系统的极板尽可能的贴近束流，考虑到此处束流横向包络大小，为了不让束流直接接触到极板，损伤探头，本实施例中选择极板内径为72mm。对于容性极板，极板对地电容越大，探测器的灵敏度越高。为了增大极板对地电容，极板应当尽可能的长，但考虑到SSC出口束流纵向长度为156mm，为了满足束团相对于极板为长束团的近似，本实施例中将极板的长度设为500mm，极板对地距离越大，极板对地电容也就越大，经过三维电磁仿真设计优化，本实施例中管状探测腔体1内径为200mm，此时，极板对地距离为63mm。且其张角为130°。
对整体探测器探头静电分析发现，探测器电容主要来自于以下三个方面：真空馈通自身存在的电容，极板对地电容，以及极板支撑部分对极板引入的电容，为了进一步降低第三部分电容，极板通过Vespel聚四氟乙烯端头8进行固定。该材料相对介电常数为3，相对于以往用的陶瓷隔离材料可以将探测器电容降低20％，并且耐高温，不易形变。
高阻放大器3设置在探测腔体1的外侧，用于放大微弱束流信号；高阻放大器3为至少两个，各高阻放大器3均与合路器9连接，并通过合路器9连接带通滤波器4。该高阻放大器3输入阻抗为300MΩ。若输出端口为普通放大器时，相当于对束流信号做一微分处理，而当输出端接为高阻放大器3时，相当于对束流信号的完美复现。另一方面，高阻放大器3与容性极板相连时，高阻放大器3相对于常规的放大器对低截止频率的束流信号更为敏感，对于低频束流，输出信号更强。
带通滤波器4接收经过放大的信号，并过滤掉经过放大的信号中的低频干扰噪音与高频谐波。带通滤波器4的频率范围在本实施例中为3-30MHz。
由于实际使用环境下束流流强会从亚nA量级变化到μA量级，动态范围超过三个数量级，一般的电子学采样无法在如此大动态范围内保证准确率，所以在信号传输过程中引入一可调放大衰减模块组5，其通过控制衰减器工作模式，将经过滤波的信号幅度控制在预设范围内，并将位于预设范围内的信号传输至频谱仪6。可调放大衰减模块组5包括若干相互串联的衰减器和PLC控制系统，通过PLC控制系统将经过滤波的信号幅度控制在预设范围内。可调放大衰减模块组5的放大器增益为40dB，若干路衰减器串联衰减范围为0-63dB。
频谱仪6，用于根据预设范围内的信号获得微弱束流的流强。
如图5所示，探测腔体1为管状腔体，其一端为束流入射端，另一端设置有法拉第筒10，法拉第筒10由于对流强探测系统进行标定。法拉第筒10的下方设有离子泵11，离子泵11用于提高探测腔体1的真空度。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，包括：探测腔体，探测探头、高阻放大器、带通滤波器、可调放大衰减模块组和频谱仪；
所述探测探头设置在所述探测腔体中，用于检测微弱束流信号；
所述高阻放大器设置在所述探测腔体的外侧，用于放大所述微弱束流信号；
所述带通滤波器接收经过放大的微弱束流信号，并过滤掉所述经过放大的微弱束流信号中的低频干扰噪音与高频谐波；
所述可调放大衰减模块，将经过滤波的微弱束流信号幅度控制在预设范围内，并将位于所述预设范围内的微弱束流信号传输至所述频谱仪；
所述频谱仪，用于根据所述预设范围内的微弱束流信号获得所述微弱束流的流强；
所述探测腔体为管状腔体，其一端为束流入射端，另一端设置有法拉第筒，所述法拉第筒用于对所述流强探测系统进行标定。
2.如权利要求1所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述法拉第筒的下方设有用于提高所述探测腔体的真空度的离子泵。
3.如权利要求1所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述探测探头包括两个极板和设置在所述两个极板组成空间的中心位置的同轴线缆，所述同轴线缆包括同轴设置的内管和外管，所述内管用于传导微弱束流信号，所述外管用于将所述微弱束流信号引出。
4.如权利要求3所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述极板为容性极板。
5.如权利要求3所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述极板通过Vespel聚四氟乙烯端头进行固定。
6.如权利要求3所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述探测腔体的内壁设有真空馈通管，所述真空馈通管连接所述内管，用于在不破坏真空的情况下将所述微弱束流信号引出所述探测腔体。
7.如权利要求1-6任一项所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述高阻放大器为至少两个，各所述高阻放大器均与合路器连接，并通过所述合路器连接所述带通滤波器。
8.如权利要求1-6任一项所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述可调放大衰减模块包括若干相互串联的衰减器和PLC控制系统，通过所述PLC控制系统将经过滤波的微弱束流信号幅度控制在预设范围内。
9.如权利要求8所述的用于微弱束流的流强探测系统，其特征在于，所述可调放大衰减模块组的放大器增益为40dB，若干路所述衰减器串联衰减范围为0-63dB。
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