CN113204048B - 适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统 - Google Patents

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Abstract

一种适用于激光尾波场电子加速器的粒子束流截面采集系统，构成包括：可调节基座、可密封真空腔体、可伸缩波纹管、波纹管支撑架、滑块支撑架、靶座、靶片和步进电机。本发明特定的靶座与靶片设置使得探测器适用于基于激光尾波场加速的电子束诊断。本发明可通过更换不同靶片诊断束流不同参数，避免了繁复的拆卸，增加了测量维度；用于控制靶座移动的步进电机采用双定位方式，提高了粒子束截面探测器的重复稳定性，可以满足高频次实验的开展。

Description

适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统
技术领域
本发明是一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，涉及基于激光尾场加速方案产生的高能粒子传输和诊断领域，特别是一种多种参数诊断截面探测器，对实现激光尾波加速器的在新型辐射源的产生具有重要价值。
背景技术
粒子截面探测装置常用于加速器研究领域或自由电子激光技术领域，用于粒子参数测量或束流检测等。目前，电子加速器主要有以直线射频加速为代表的传统加速器和以激光尾场加速为代表的新型加速器。传统加速器主要通过高场强的电磁场进行加速，激光尾场电子加速是由飞秒激光的有质动力在等离子体中激发出超强纵向电场进行加速。基于激光尾场加速的电子伴随着激光在束线中运动，激光辐射信号复杂，对测量结果有很强的干扰，目前已有的用于传统加速领域的电子束流测量系统[参见专利申请号：CN204331042]并不适用于激光尾场电子加速。当用于过滤激光的膜置于相互作用点附近，高强度激光会通过电离对膜层造成损伤，破坏膜层；如果采用加厚膜层延长使用寿命的方式，会对电子的传输造成影响，使得电子经过膜层长距离传输中会因散射等效应发散，影响电子束流的使用。
已有的粒子束截面探测装置大部分功能比较单一，只可以进行某种特定的粒子参数测量，比如束流强度、束流位置等。在束流光学技术领域，粒子束的品质往往由横向尺寸、脉宽、电量等多项参数综合表征，为满足实验需求，需要一种可进行多种参数测量，且具有高重复稳定性的粒子截面探测装置。
现有的束流剖面测量系统都无法满足基于激光尾场加速器的应用需求，在这个背景下需要研制一种适用于激光尾场电子加速器，具备抗干扰性、高重复稳定性，可实现多种参数测量的粒子束流截面采集系统来满足应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，低原子序数的金属片对束流的影响较小，采用金属薄片可以减小电子因散射等效应发散，金属片远离激光与物质的相互作用点，可以削弱受高强度激光电离对膜层造成的伤害，延长膜层使用寿命，将低原子序数的金属片和探测靶片叠加可以阻挡激光不影响成像观测的同时，使粒子束稳定穿过。靶座多靶槽的设计增加了粒子束参数的测量维度；驱动装置双定位方式降低了出现限位故障的几率，提高了探测装置的重复稳定性，避免了繁复的拆卸。
本发明的技术解决方案如下：
一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，特征在于其结构包括：可调节基座、可密封真空腔体、可伸缩波纹管、波纹管支撑架、滑块支撑架、靶座、靶片和步进电机；所述的可调节基座下端呈方形，所述的可调节基座中部有一块圆形盲板，与所述的可密封真空腔体下端圆形法兰连接。所述的可密封真空腔体主体呈中空圆柱，中部同水平高度周缘处开设有两两相对的四个通孔，四个通孔向内两两贯通，且中心线正交，四个通孔向外延伸设有圆形法兰，所述的可密封真空腔体上表面设有上法兰，用于与所述的滑块支撑架下端相连，所述的可密封真空腔体下表面设有下法兰，用于与所述的圆形盲板相连；所述的滑块支撑架垂直方向上安装有两根平行滑轨，该滑轨上设有可上下滑动的滑块。所述的滑块支撑架下端与所述的可密封真空腔体通过圆形法兰连接，上端与所述的步进电机连接。所述的滑块呈“几”字形，该滑块的顶部连接所述的步进电机的驱动轴。所述的可伸缩波纹管的上端与所述的滑块固定，下端与所述的滑块支撑架固定。所述的可密封真空腔体、滑块支撑架与可伸缩波纹管连接处以下部分、可伸缩波纹管、滑块顶部下表面构成了所述发明的密封区域。所述的波纹管支撑架置于所述的可伸缩波纹管内，该波纹管支撑架的下端与所述的靶座相连。在所述的步进电机的驱动下，所述的滑块上下移动，所述的靶座和所述的滑块由所述的波纹管支撑架硬连接，所述的靶座随着所述的滑块进行同样的上下移动，所述的可伸缩波纹管确保所述的滑块、波纹管支撑架、靶座三者上下移动时，腔体保持密封。在所述的靶座的中部设有靶片槽，所述的靶片槽呈圆形，供所述的靶片固定。
所述的靶片为靠前端的Al片和靠后端的YAG片的叠加。Al片可以阻挡激光以避免激光对成像的干扰，而让高能量粒子束穿透，低原子序数的Al片对束流的影响较小，采用金属薄片可以减小电子因散射等效应发散，金属片远离激光与物质的相互作用点，可以削弱受高强度激光电离对膜层造成的伤害，延长膜层使用寿命；YAG靶片可使束流轰击靶材产生的荧光成像于CCD上。
所述的靶座上端呈圆柱形，底面半径较小；下端主体呈半圆柱形，底面半径较大.所述的靶片槽在所述的靶座中部，所述靶片槽的孔径小于下端主体的直径，所述下段主体侧平面与所述靶片槽平面呈45度角，束流轰击靶片产生的荧光偏转90度后从水平方向上的引出窗引出。
所述的靶座有三个靶片槽，可安装YaG、OTR和标定靶等多种靶片，以满足粒子的多种参数测量。
所述的步进电机由软件控制，使所述的靶座在垂直方向上运动，当要测量束流截面时，所对应靶片往下运动到束流管道中心。测量完毕，所述的步进电机会将所述的靶片提起以避免阻挡束流。
所述的可调节基座、可密封真空腔体、可伸缩波纹管、波纹管支撑架、滑块支撑架和靶座由金属材料制成。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1、所述的靶座上端呈圆柱形，底面半径较小；下端主体呈半圆柱形，底面半径较大.所述靶片槽的孔径小于下端主体的直径，所述的靶座下端主体直径较大可以有效阻挡激光。所述的靶座有三个靶槽，可以放置三种不同材料的靶片用于不同参数的测量，避免了繁复的拆卸；靶片为靠前端的Al片和靠后端的YAG片的叠加。Al片可以阻挡激光以避免激光对成像的干扰，而让高能量粒子束穿透，低原子序数的Al片对束流的影响较小，采用金属薄片可以减小电子因散射等效应发散，金属片远离激光与物质的相互作用点，可以削弱受高强度激光电离对膜层造成的伤害，延长膜层使用寿命；YAG靶片可使束流轰击靶材产生的荧光成像于CCD上。
2、靶片为靠前端的Al片和靠后端的YAG片的叠加。Al片可以阻挡激光以避免激光对成像的干扰，而让高能量粒子束穿透，低原子序数的Al片对束流的影响较小，采用金属薄片可以减小电子因散射等效应发散，金属片远离激光与物质的相互作用点，可以削弱受高强度激光电离对膜层造成的伤害，延长膜层使用寿命；YAG靶片可使束流轰击靶材产生的荧光成像于CCD上。
3、本发明的靶片定位准确，重复精度高，有利于高频次实验的进行。束流截面探头的运动方式为直线电机驱动，绝对零点的确定有两种方式。第一种方式采用光电限位开关，上、下限位各安装一个，上限位同时用于绝对零点的确定，此方式为常用方式；第二种方式采用驱动到顶硬接触，此时的位置标为绝对零点，此种方式作为第一种方式的补充，在限位开关故障的情况下可用于绝对零点的设置。两种定位方式相辅相成，可以极大降低出现限位故障的概率。
附图说明
图1是本发明适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统的主视图
图2是本发明适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统的剖面图
图3是本发明中靶座的主视图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1和图2，图1是本发明适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统的主视图，图2是本发明适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统的剖面图。如图所示，适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，包括：可调节基座1、可密封真空腔体2、可伸缩波纹管3、波纹管支撑架4、滑块支撑架5、靶座6、靶片7和步进电机8。所述的可调节基座1下端呈方形，四周有多个螺孔，用于将粒子束流截面采集系统固定于实验台上，所述的可调节基座1中部有一块圆形盲板1-1，该盲板1-1水平放置，与所述的可密封真空腔体2下端圆形法兰2-3连接。所述的可密封真空腔体2主体呈中空圆柱，中部同水平高度周缘处开设有两两相对的四个通孔，四个通孔向内两两贯通，且中心线正交，四个通孔向外延伸设有圆形法兰，其中任意相对的两个法兰与束流线共轴固定，与束流线垂直的通孔作为观察窗，所述的可密封真空腔体2上表面设有上法兰2-1，用于与所述的滑块支撑架5下端相连，所述的可密封真空腔体2下表面设有下法兰2-3，用于与所述的圆形盲板相连1-1；所述的滑块支撑架5垂直方向上安装有两根平行滑轨5-1，该滑轨5-1上设有可上下滑动的滑块5-2，所述的滑块支撑架5下端与所述的可密封真空腔体通过上法兰连接2-3，上端与所述的步进电机8连接。所述的滑块5-2呈“几”字形，该滑块5-2的顶部连接所述的步进电机8的驱动轴。所述的可伸缩波纹管3的上端与所述的滑块5-2固定，下端与所述的滑块支撑架5固定。所述的可密封真空腔体2、滑块支撑架5与可伸缩波纹管3连接处以下部分、可伸缩波纹管3、滑块5-2顶部下表面构成了所述发明的密封区域。所述的波纹管支撑架4置于所述的可伸缩波纹管3内，该波纹管支撑架4的下端与所述的靶座6相连，在所述的步进电机8的驱动下，所述的滑块5-2上下移动，所述的靶座6和所述的滑块5-2由所述的波纹管支撑架4硬连接，所述的靶座6随着所述的滑块5-2进行同样的上下移动，所述的可伸缩波纹管3确保所述的滑块5-2、波纹管支撑架4、靶座6三者上下移动时，腔体保持密封。在所述的靶座6的中部设有靶片槽6-1，所述的靶片槽6-1呈圆形，供所述的靶片7固定。
本发明可应用于基于激光尾波场加速的电子束的多参数探测，操作过程如下：
将可调节基座固定于实验台上，调节基座确保可密封真空腔体与地面垂直且中部法兰与束流线等高。与束流线垂直的两个法兰分别安装可观察窗片和盲板，确保探测器内部密封可抽真空。当需要使用时，通过软件控制步进电机驱动靶座，使相应靶片与束流线同高，靶片与束流方向夹45度角，束流打到靶片上。激光受金属片的阻挡被过滤，高能电子束可以穿过低原子序数的金属薄片且束流品质几乎不受影响，穿过金属片的电子束在后端靶片上产生荧光，CCD通过截面探头上的观察窗可观测到束斑形状。测量完毕，需要将靶片提起以免阻挡束流，保证截面探头的束流通孔的连续过渡完整。束流截面探头的运动方式为直线电机驱动，绝对零点的确定有两种方式。第一种方式采用光电限位开关，上、下限位各安装一个，上限位同时用于绝对零点的确定，此方式为常用方式；第二种方式采用驱动到顶硬接触，此时的位置标为绝对零点，此种方式作为第一种方式的补充，在限位开关故障的情况下可用于绝对零点的设置。

Claims (6)

1.一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，包括可调节基座(1)、可密封真空腔体(2)、可伸缩波纹管(3)、波纹管支撑架(4)、滑块支撑架(5)、靶座(6)、靶片(7)和步进电机(8)，其特征在于：
所述的可调节基座(1)下端呈方形，中部有一块圆形盲板(1-1)；所述的可密封真空腔体(2)呈中空圆柱，中部同水平高度周缘处开设有两两相对的四个通孔，四个通孔向内两两贯通，且中心线正交，四个通孔向外延伸设有圆形法兰(2-2)，所述的可密封真空腔体(2)上表面设有上法兰(2-1)，用于与所述的滑块支撑架(5)下端相连，所述的可密封真空腔体(2)下表面设有下法兰(2-3) ，用于与所述的圆形盲板(1-1)相连；所述的滑块支撑架(5)上安装有两根平行滑轨(5-1)，该滑轨(5-1)上设有可上下滑动的滑块(5-2)，所述的滑块(5-2)呈“几”字形，该滑块(5-2)的顶部连接所述的步进电机(8)的驱动轴，所述的可伸缩波纹管(3)的上端与所述的滑块(5-2)固定，下端与所述的滑块支撑架(5)固定，所述的波纹管支撑架(4)置于所述的可伸缩波纹管(3)内，该波纹管支撑架(4)的下端与所述的靶座(6)相连，在所述的步进电机(8)的驱动下，所述的滑块(5-2)上下移动，所述的靶座(6)和所述的滑块(5-2)由所述的波纹管支撑架(4)硬连接，所述的靶座(6)随着所述的滑块(5-2)进行同样的上下移动，在所述的靶座(6)的中部设有靶片槽(6-1)，所述的靶片槽(6-1)呈圆形，供所述的靶片(7)固定；
所述的靶片(7)为靠前端的Al片和靠后端的YAG片的叠加而成，激光受所述的Al片的阻挡被过滤，高能电子束穿过低原子序数的Al片且束流品质几乎不受影响，并在所述的YAG片上产生荧光，所述靶片与束流方向夹45度角。
2.根据权利要求1所述的一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，其特征是所述的靶座(6)上端呈圆柱形，底面半径较小；下端主体呈半圆柱形，底面半径较大，所述靶片槽(6-1)的孔径小于下端主体的直径，所述下端主体侧平面与所述靶片槽平面呈45度角，束流轰击靶片产生的荧光偏转90度后从水平方向上的引出窗引出。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，其特征是所述的靶座(6)有三个靶片槽，用于安装YaG、OTR和标定靶多种靶片，以满足粒子的多种参数测量。
4.根据权利要求1所述的一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，其特征是所述的步进电机(8)由软件控制，使所述的靶座(6)在垂直方向上运动，当要测量束流截面时，所对应靶片往下运动到束流管道中心；测量完毕，所述的步进电机(8)会将所述的靶片(7)提起以避免阻挡束流。
5.根据权利要求1或2或4任一项所述的一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，其特征所述的可调节基座(1)、可密封真空腔体(2)、可伸缩波纹管(3)、波纹管支撑架(4)、滑块支撑架(5)和靶座(6)由金属材料制成。
6.据权利要求3所述的一种适用于激光尾场电子加速器的粒子束流截面采集系统，其特征所述的可调节基座(1)、可密封真空腔体(2)、可伸缩波纹管(3)、波纹管支撑架(4)、滑块支撑架(5)和靶座(6)由金属材料制成。
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