CN113466546B - 一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法，基于具有一定能量的束流轰击功率测量靶会发生二次电子发射的原理进行束剖面诊断。在功率测量靶后方以一定的分布排列安装多枚探针组成阵列，探针在功率测量靶的遮挡下不受束流的直接轰击，而在探针上通以偏置电压形成电场，使出射的二次电子沿电场运动被探针阵列吸引，通过对探针阵列吸收二次电子获得的电流信号进行数据处理、滤波采集，进一步拟合获得二次电子信号曲线。结合束流与功率测量靶运行环境与二次电子发射的相关关系对获取的二次电子信号曲线进行反演处理获得束功率分布数据，经处理拟合获得实时的束功率密度分布曲线，进一步获得束剖面和束参数，为束流的反馈控制提供依据。

Description

一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法

技术领域

本发明涉及高能粒子束诊断领域，具体涉及一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法。

背景技术

束剖面图像作为束诊断的一个关键要素，展示了束剖面的功率密度分布情况，可以表征束的发散度和准直度。对束剖面常用的测量手段是通过在功率测量靶上安装热电偶，获取水平和垂直方向的束功率密度分布曲线，拟合获取束剖面图像。但是现有的基于热电偶的诊断方法只能在炮间给出结果，无法实现实时追踪测量束剖面情况，测量精度也受限于靶板上的热电偶安装位置，使得这种束剖面诊断手段常常无法满足实际实验过程中的时间和精度要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种半嵌入式阵列探头的束剖面诊断方法，一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法可以实时追踪输出束剖面图像，并提供满足要求的诊断精度，也可以为束流实时反馈控制系统提供数据支持。本发明通过将探针安装在功率测量靶后的阵列间隙中，探针安装位置被功率测量靶投影遮蔽，避免粒子束对探针的直接轰击，以减少探针上的热负荷，保证探针的运行寿命。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法，包括如下步骤：

步骤1、将探针经由陶瓷绝缘固定件半嵌入的固定在双层结构的功率测量靶后，采用束流垂直轰击所述双层结构的功率测量靶时，探针被功率测量靶的双层结构遮蔽；

步骤2、使用金属探针接偏置电压，对束流轰击功率测量靶产生的二次电子进行收集；

步骤3、对各个位置的探针收集的二次电子的信号进行滤波处理；

步骤4、根据各个位置探针采集二次电子产生的电信号拟合出满足精度需求的探针数据曲线；

步骤5、确定束靶条件变化时，对二次电子发射情况对应的影响，所述束靶条件包括束能量、入射角度、靶温度、真空度，基于二次电子发射与束靶条件的相关关系对探针数据曲线进行反演处理获得束功率分布数据；

步骤6、经处理拟合获得多方向实时的束功率密度分布曲线，用于束剖面诊断获取束参数和束剖面图像。

进一步的，所述功率测量靶的双层结构包括两层功率测量靶管道，即上层功率测量靶管道和下层功率测量靶管道；所述测量靶管道中通有冷却水，其中，上下两层的功率测量靶管道错位安装，各功率测量靶管道为阵列排列，两层互相之间形成有间距供电子沿电场通过，而同一层中各管道之间留有预定间距，所述的探针设置在后面一层功率测量靶管道的间隙中，探入深度为L，其表面积为S，探针形状选取为圆柱形。

进一步的，所述探针排列采用密集阵列分布、十字形分布，回字形分布，圆形分布之一。

探针安装位置在靶板后方，粒子束全部由功率测量靶拦截，不会对探针进行直接轰击，避免探针因承受过高的热负荷而损坏，保证探针的长期稳定运行，使用寿命满足应用环境需求。

进一步的，这些探针以阵列排列安装在靶后，对束流轰击功率测量靶不同位置产生的二次电子分别进行收集，探针上通入预定的偏置电压，形成电场，以保证探针阵列对二次电子的吸收能力。

进一步的，根据探针阵列收集二次电子产生的多组电信号，经过数据处理手段进行分析拟合，获得二次电子信号曲线。

进一步的，针对不同束靶条件都会对二次电子发射系数产生影响，经过计算、模拟、实验可以获得束靶条件与二次电子发射的相关关系，依此对获得的二次电子信号曲线进行反演处理获取束功率分布数据，进一步拟合计算输出实时的束功率密度分布曲线，以进行束流反馈。

有益效果：

本发明的方法测量速度快，根据各个位置探针采集二次电子产生的电信号拟合出满足精度需求的二次电子信号曲线，与传统的热电偶诊断方法(空间分辨率一般为3厘米以上，时间分辨率为秒量级)相比，其空间分辨率可达10mm以内，时间分辨率最高可达3μs，可以用于束流的实时反馈。相比现有技术下束流轰击一段时间后才能提供诊断结果，本发明可以在束流轰击过程中实现高精度实时追踪诊断，为束流实时反馈控制提供条件。

附图说明

图1束流轰击功率测量靶示意图；

图2是单个探针安装位置示意图；

图3是在某一功率测量靶后方安装探针阵列分布状态示意图；

图4是束剖面诊断流程图。

图中标号为：1束流，2功率测量靶，3探针，4陶瓷绝缘固定件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本实例中一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法的流程图，如图4所示。

如图1所示，采用束流1垂直轰击由双层水冷管道构成的功率测量靶2，探针安装位置如图2所示，经由陶瓷绝缘固定件4固定在功率测量靶2后，当束流1向功率测量靶2左侧轰击时，探针3被功率测量靶2的双层结构遮蔽，避免被束流直接轰击，大幅减少了探针3上承受的热负荷。

根据本发明的一个实施例，所述功率测量靶2的双层结构包括两层功率测量靶管道，即上层功率测量靶管道和下层功率测量靶管道；所述测量靶管道中通有冷却水，其中，上下两层的功率测量靶管道错位安装，各功率测量靶管道为阵列排列，两层互相之间形成间距为约2mm的间隙可供电子沿电场通过，而同一层中各管道之间的间距约为12mm，所述的探针3设置在后面一层功率测量靶管道的间隙中，探入深度为L(探针距上层功率测量靶管道的距离)，其表面积为S，探针形状可选取为圆柱形；

如图1所示，具有一定能量的束流1，轰击在功率测量靶2上后，将有二次电子通过功率测量靶表面出射，此时由于探针3上通有偏置电压Vp，探针3和功率测量靶2之间形成电场，出射的二次电子随电场运动被探针3收集，探针材料选取钼、钨等耐高温抗溅射的金属，提高探针吸收电子后的热负荷能力，保证探针的使用寿命。

如图3所示，探针3按照一定的分布安装在靶2后方组成覆盖平面的探针阵列，所述的分布也可以设置为其他多种方式：十字形分布，回字形分布，圆形分布等排列方式。

针对120mm×480mm的束流，在水平方向每列设置96路探针，垂直方向每行设置24路探针，空间分辨率约为5mm。由探针阵列吸收二次电子获取的电信号可以拟合获取所需区域靶面截取束流后的二次电子信号曲线。根据选取的模型计算二次电子曲线与束靶条件的关系，如采用经典Strenglass模型：

其中Ye(E)为二次电子产额，Z为粒子入射深度，Δ为二次电子发射系数，E₀为产生一个二次电子的平均能量，Γ为表面穿透系数，E_s为二次电子能量，Φ_D为二次电子逸出功，A为靶材料特征参数，L_s为出射电子的平均自由程，F(v_i)为衰减函数，L_δ是电子在靶金属中的逸出深度，Se₀是靶原子的电子阻止功率，β为不同束靶条件下的常数因子，为300K温度时出射电子的平均自由程。

根据模型计算结合实验得到的二次电子发射与束靶条件(如束能量E、入射角度θ、靶温度T、真空度P等)的相关关系，将二次电子信号曲线反演为束功率分布数据，本实施例中，二次电子发射系数Δ与各条件的反演关系为：

Δ＝kE^αT^βP^γcos^δθ，

其中K为常数系数，E^α为由束能量决定的二次电子发射系数影响因数，cos^δθ为由入射角度决定的二次电子发射系数影响因数，T^β为由靶温度决定的二次电子发射系数影响因数，P^γ为由真空度决定的二次电子发射系数影响因数。

二次电子发射系数决定了出射二次电子的总数，而收集到的二次电子数目则又由探针参数(探入深度L、表面积S、偏置电压Vp)进一步决定，因此有：

N＝KL^εS^∈V_p ^μΔ，

其中K为束靶条件决定的常数系数，L^ε为由探入深度决定的二次电子发射相关系数，S^∈为由表面积决定的二次电子发射相关系数，V_p ^μ为由偏置电压决定的二次电子发射相关系数，Δ为二次电子发射系数。

当确定束靶条件中多个参数时，可以依此关系反演推算所需诊断的项，如确定束流以一定入射角度θ入射，靶温度T与真空度P可以测得时，可以实时获得束能量的分布。

进一步的，通过一系列数据处理拟合方法获得所需要的束功率密度分布曲线，并以此得到束散角等束流参数和束剖面图像。这一处理过程在束流对靶的轰击中同步实时进行，可以为束流的实时反馈控制提供支持。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将探针经由陶瓷绝缘固定件半嵌入的固定在双层结构的功率测量靶后，采用束流垂直轰击所述双层结构的功率测量靶时，探针被功率测量靶的双层结构遮蔽；所述功率测量靶的双层结构包括两层功率测量靶管道，即上层功率测量靶管道和下层功率测量靶管道；束流垂直轰击所述上层功率测量靶，所述测量靶管道中通有冷却水，其中，上下两层的功率测量靶管道错位安装，各功率测量靶管道为阵列排列，两层互相之间形成有间距供电子沿电场通过，而同一层中各管道之间留有预定间距，所述的探针设置在后面一层功率测量靶管道的间隙中，探入深度为L，其表面积为S，探针形状选取为圆柱形；

步骤2、使用金属探针接偏置电压，对束流轰击功率测量靶产生的二次电子进行收集；

步骤3、对各个位置的探针收集的二次电子的信号进行滤波处理；

步骤4、根据各个位置探针采集二次电子产生的电信号拟合出满足精度需求的探针数据曲线；

步骤5、确定束靶条件变化时，对二次电子发射系数的影响，所述束靶条件包括束能量、入射角度、靶温度和真空度，基于二次电子发射系数与束靶条件的相关关系对探针数据曲线进行反演处理获得束功率分布数据；针对不同束靶条件都会对二次电子发射系数产生影响，经过计算、模拟、实验获得束靶条件与二次电子发射的相关关系，依此对获得的二次电子信号曲线进行反演处理获取束功率分布数据，进一步拟合计算输出实时的束功率密度分布曲线，以进行束流反馈；

步骤6、经处理拟合获得多方向实时的束功率密度分布曲线，用于束剖面诊断获取束参数和束剖面图像。

2.根据权利要求1所述的一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法，其特征在于：

所述探针排列采用密集阵列分布、十字形分布，回字形分布，圆形分布之一。

3.根据权利要求2所述的一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法，其特征在于：

所述探针以阵列排列安装在靶后，对束流轰击功率测量靶不同位置产生的二次电子分别进行收集，探针上通入预定的偏置电压，形成电场，以保证探针阵列对二次电子的吸收能力。

4.根据权利要求1所述的一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法，其特征在于：根据探针阵列收集二次电子产生的多组电信号，经过数据处理手段进行分析拟合，获得二次电子信号曲线。

5.根据权利要求1所述的一种双层结构遮蔽的半嵌入式阵列探头束剖面诊断方法，其特征在于：二次电子发射系数决定了出射二次电子的总数，而收集到的二次电子数目N则又由探针参数：探入深度L、表面积S、偏置电压V_p进一步决定：

，

其中K为束靶条件决定的常数系数，为由探入深度决定的二次电子发射相关系数，/>为由表面积决定的二次电子发射相关系数，/>为由偏置电压决定的二次电子发射相关系数，/>为二次电子发射系数；

当确定束靶条件中多个参数时，依收集到的二次电子数目N与的探入深度L、表面积S、偏置电压V_p的关系反演推算所需诊断的项，确定束流以一定入射角度θ入射，靶温度T与真空度P能够被测得时，实时获得束能量的分布。