CN113484899B - 一种用于靶前束晕及剖面探测的丝靶及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于靶前束晕及剖面探测的丝靶及装置。所述丝靶沿束流前进方向依次包括：第一偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；第一信号丝层，设置水平平行信号丝或设置竖直平行信号丝，被配置为对束流进行垂直剖面的测量或被配置为对束流进行水平剖面的测量；第二信号丝层，设置竖直平行信号丝或设置水平平行信号丝，被配置为对束流进行水平剖面的测量或被配置为对束流进行垂直剖面的测量；第二偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；金属刮束片层，设置金属片，被配置为阻挡及测量束晕边缘的粒子。本发明能够高效抑制高辐射区反冲剂量和杂散电子干扰，并能进行靶前束流边缘粒子即束晕的测量。

Description

一种用于靶前束晕及剖面探测的丝靶及装置

技术领域

本发明涉及加速器束流诊断技术领域，具体涉及一种用于靶前束晕及剖面探测的丝靶及装置。

背景技术

束流诊断系统是质子加速器装置尤其是质子轰击重金属靶产生中子源设施上重要的子系统之一，束流诊断内容包含了对束流能量、流强、发射度等各项参数的测量及监控，保障了束流在加速器前后各段的参数匹配和稳定运行。其中，束流横向尺寸又是影响束流品质的关键参数之一，比如束流剖面及束晕的精准测量，对质子打靶型加速器的入靶横向匹配、剖面尺寸及中心、靶面功率密度等参数测量具有重要意义。此外，还可以将束流入靶前的横向诊断设备接入机器保护系统，为加速器安全、持续、稳定地打靶提供一种有效的保护手段。

通过调研国内外文献，并结合剖面束诊经验发现，常规基于二次电子发射的单丝扫描及多丝装置由来已久且应用广泛，其原理基于束流带电粒子与金属丝的库伦碰撞作用，使丝表面的电子逃逸并产生相应的流强信号。由于金属丝表面的二次电子发射数目与碰撞的束流粒子密度呈正相关，因此丝上的流强大小可以准确地反映束流的横向剖面分布。

质子加速器打靶装置的近靶区域，一般存在高功率、高辐射、大反冲剂量等特点，不仅令工程物理人员难以进入和不便维护，也对束诊测量设备的使用寿命提出了极大挑战。如果将加速器常规段的丝扫器或多丝装置直接用于靶前剖面测量，则可能会出现以下一系列问题：

(1)常规丝扫器的运动电机可能会因辐射损伤而卡壳失联。

(2)丝上流强信号会受到靶反冲剂量或杂散电子干扰而异常。

(3)绝缘支撑、信号引线及接头配件等或因环境辐射而损坏。

综上所述，为解决现有技术中存在的不足，需要发明一种适用于靶前高辐射环境的束晕及剖面探测装置，为加速器的安全打靶提供一种可靠的保护手段。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于二次电子发射的一种用于靶前束晕及剖面探测的丝靶及装置，以安全可靠、准确地探测靶前高辐射环境的束晕及剖面，为加速器的安全打靶提供一种可靠的保护手段。

本发明首先提出一种用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，所述丝靶沿束流前进方向依次包括：

第一偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；

第一信号丝层，设置水平平行信号丝或设置竖直平行信号丝，被配置为对束流进行垂直剖面的测量或被配置为对束流进行水平剖面的测量；

第二信号丝层，设置竖直平行信号丝或设置水平平行信号丝，被配置为对束流进行水平剖面的测量或被配置为对束流进行垂直剖面的测量；

第二偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；

金属刮束片层，设置金属片，被配置为阻挡及测量束晕边缘的粒子。

根据本发明的一种实施方式，所述第一偏压丝层的丝的倾斜角度与所述第二偏压丝层的丝的倾斜角度相反。

根据本发明的一种实施方式，所述第一偏压丝层的丝的倾斜角度与所述第二偏压丝层的丝的倾斜角度大小均为45度。

根据本发明的一种实施方式，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层及所述第二偏压丝层均设有印制铜线，所述铜线蚀刻于各层的基底上，用于传输各层的丝收集的弱流强信号。

根据本发明的一种实施方式，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层、第二偏压丝层及金属刮束片层的基底均为陶瓷PCB基底。

根据本发明的一种实施方式，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层、第二偏压丝层的丝均为钨铼合金丝。

根据本发明的一种实施方式，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层、第二偏压丝层均包括紧丝结构，以弹性拉紧各层的丝；优选地，所述金属刮束片层的金属片为镍片，更优选地，所述金属片呈对称布置；优选地，所述紧丝结构包括铜柱、固丝螺栓和弹簧，所述铜柱活动装配于所述固丝排柱的“T”型通孔，所述铜柱设有空心穿孔，所述铜柱外周围与所述固丝排柱的内壁之间设有所述弹簧，所述弹簧的下端由所述固丝排柱的内部台阶阻挡抵接，所述弹簧的上端能被所述铜柱的上端外缘压下；所述铜柱的中部开有从内孔穿透外壁的缺口；所述固丝螺栓设有外螺纹，该外螺纹与所述铜柱上端的内螺纹配合连接。

根据本发明的一种实施方式，所述第一信号丝层和第二信号丝层均设置信号接头，该信号接头的针芯材质为不锈钢镀金，所述针芯后端的可夹紧压接部分为铜凹管，该信号接头扣接于各层的基板上，用于将各层的信号丝上的电流信号引出；优选地，所述第一偏压丝层还包括若干第一固丝排柱，所述第一偏压丝层上的偏压丝连接至所述第一固丝排柱，同侧相邻所述第一固丝排柱之间通过印制铜线连接，所述第一偏压丝再通过耐10kV高压的聚酰亚胺漆包线连接至高压信号馈通，该高压馈通穿过密封真空的法兰之后，再通过高压线连接至高压源；优选地，所述第一信号丝层还包括若干第二固丝排柱，所述第一信号丝层上的信号丝连接至所述第二固丝排柱，所述第二固丝排柱之间的相邻信号通道相互保持电绝缘，各通道再通过各自单独的印制铜线延伸至所述信号接头处，该信号接头处利用信号公头针芯与PCB镀铜内孔之间的接触固定之后，再通过公头后端引出的聚酰亚胺漆包线将信号丝连接至真空法兰上的多芯信号馈通，之后再通过真空外的多芯信号线将信号丝连接至多通道电子学仪器；优选地，所述金属刮束片层上的金属片的信号引出，采用螺杆压接方式将聚酰亚胺漆包线固定连接在PCB镀铜孔上，漆包线后端再连接至真空法兰上的多芯信号馈通，再通过真空外的多芯信号线连接至多通道电子学仪器。

本发明还提出一种靶前束晕及剖面探测装置，包括运动装置和所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，所述运动装置带动所述丝靶往复运动。

根据本发明的一种实施方式，所述装置还包括密封法兰，以将所述丝靶与靶室密封连接；进一步地，所述运动装置包括抗辐射步进电机，以带动所述丝靶运动；进一步地，所述运动装置还包括金属波纹管和传动组件，所述传动组件用于将所述电机的圆周运动转变为直线运动传递至所述丝靶，所述传动组件的丝靶连接部分设于所述金属波纹管内，所述金属波纹管密封连接所述密封法兰。

本发明基于二次电子发射的靶前束晕及剖面探测装置及丝靶，其具备测量近靶段高辐射区域内束流二维剖面分布和尺寸(横向水平和垂直)，以及横向束晕流强大小及质心偏移等功能，后端可配合快速的多通道电子学获取(带宽可达1MHz，采样率最高20MSps)，为加速器靶前横向信息测量提供了可靠的方案，且探测装置各元件都进行了严谨的材料选择及工艺优化，提升了探测装置的耐辐射性能和使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例工作机制原理示意图；

图2a为本发明一实施例靶前束晕及剖面探测装置结构示意图；

图2b为本发明一实施例运动装置的结构示意图；

图3a为本发明一实施例束流垂直屏幕向里的探测装置正投影结构示意图；

图3b为本发明一实施例束流垂直屏幕向外的探测装置正投影结构示意图；

图4a为本发明一实施例第一偏压丝层结构示意图；

图4b为本发明一实施例第一信号丝层结构示意图；

图4c为本发明一实施例第二信号丝层结构示意图；

图4d为本发明一实施例第二偏压丝层和金属刮束片层的结构示意图；

图5为本发明一实施例探测装置的金属丝温度计算示意图；

图6为本发明一实施例探测装置的金属镍片温度仿真示意图；

图7为本发明一实施例探测装置的电场等势线仿真示意图；

图8为本发明一实施例第一偏压丝层紧丝结构剖视的俯视结构示意图；

附图标号：

1丝靶：

11第一偏压丝层，111短接铜线，112第一固丝排柱，1121紧丝结构，11211铜柱，11212固丝螺栓，11213弹簧，1122转向陶瓷柱，113第一偏压丝，114第一陶瓷PCB基底；

12第一信号丝层，121印制铜线，122第二固丝排柱，123第一信号丝，124第二陶瓷PCB基底，125多芯信号接头；

13第二信号丝层，133第二信号丝，134第三陶瓷PCB基底；

14第二偏压丝层，143第二偏压丝，144第四陶瓷PCB基底，

15金属刮束片层，151金属片，154第五陶瓷PCB基底；

2运动装置：21电机，22刻度尺，23限位开关，24多芯信号馈通，25高压信号馈通，26金属波纹管，27真空密封法兰，28传动组件，281联轴器，282丝杆，283咬合螺母，284滑块，285导轨，286移动支撑座，287末端法兰，288导杆。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明提供了一种基于二次电子发射的靶前束晕及剖面探测装置，其具备测量近靶段高辐射区域内束流二维剖面分布和尺寸(横向水平和垂直)，以及横向束晕流强大小及质心偏移等功能，后端可配合快速的多通道电子学获取(带宽可达1MHz，采样率最高20MSps)，为加速器靶前横向信息测量提供可靠方案。

如图1所示，本发明的工作机制是：利用束流带电粒子(质子)与金属丝或片之间的库伦碰撞及能量沉积，使丝表面发射出二次电子并产生相应电流信号，再利用前端模拟放大器(Front-end Amplifier)+数字采集卡(ADC)+可编程逻辑控制器(FPGA)等组成的多通道电子学系统，来获取及处理上述金属丝或片上的流强信号，从而实现束晕及剖面测量功能。

为实现上述目标，如图2a所示，本发明一种实施方式提供的基于二次电子发射的靶前束晕及剖面探测装置主体包括：丝靶探头1；运动装置2。

为实现本发明的功能，如图3a、3b所示，其正视结构及主要元件如下：

丝靶1，用于拦截束流粒子后发射二次电子；

运动装置2，用于控制丝靶进行插拔运动。

运动装置2与丝靶1的连接端，为了隔绝靶室真空，使得与丝靶1连接的部件及丝靶均处于真空状态，可在运动装置2与靶室连接处采用真空密封法兰27进行密封连接。

用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，所述丝靶沿束流前进方向依次包括：

第一偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；

第一信号丝层，设置水平平行信号丝，被配置为对束流进行垂直剖面的测量；

第二信号丝层，设置竖直平行信号丝，被配置为对束流进行水平剖面的测量；

第二偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；

金属刮束片层，设置金属片，被配置为阻挡及测量束晕边缘的粒子。

根据本发明的一种实施方式，如图2a所示，丝靶1创新使用了多层丝网式设计，分为信号丝和偏压丝两种类型，采用了非金属的陶瓷基底、以及印制PCB铜线型信号引出等创新工艺，其中信号丝用于束流剖面测量，偏压丝用于抑制高辐射区反冲剂量和杂散电子干扰。此外，本发明探测装置还创新增设了金属片探头层，用于进行靶前束流边缘粒子即束晕测量。丝靶用于伸入加速器管道内拦截小部分束流，并获得横向束晕及剖面信息。

为进一步了解本发明的机制，根据本发明的一种实施方式，如图4a至4d所示，将丝靶结构进行拆分阐述。丝靶1一共由5层构成，五层PCB板可在四周相同位置处打孔，通过长螺杆将它们串连固定在一起。现沿束流前进方向依次拆分，分别是第一偏压丝层11，用于杂散电子抑制目的；第一信号丝层12，用于垂直剖面测量；第二信号丝层13，用于水平剖面测量；第二偏压丝层14，用于对此侧的信号丝进行杂散电子抑制；金属刮束片层15，用于阻挡及测量束晕边缘粒子。

当然第一信号丝层12和第二信号丝层13的顺序可以调换，即紧邻着第一偏压丝层11的信号丝层进行水平剖面测量，接下来的信号丝层再进行垂直剖面测量。

进一步地，根据本发明的一种实施方式，位于沿束流前进方向第1层的第一偏压丝层11，如图4a所示，其材料及工艺包括的细节如下：

第一陶瓷PCB基底114，陶瓷相对于常见的聚酯类PCB材料来说，具有更好的耐高温及抗辐射性能，更适用于加速器靶前的严苛环境。

第一偏压丝113，材质为钨铼合金，且表面镀金，铼元素含量约3％，金属钨中掺杂少量铼可以改善钨经高温再结晶后的脆性，表层镀金又可以增加其抗腐蚀性能。丝直径为50μm，丝与丝之间中心距为4mm。丝排布方向与丝框呈斜向45度布置，即左下至右上方向，这种较大间距及排布方向的目的是抑制杂散电子干扰的同时，尽量减少偏压丝网与束流粒子的碰撞几率。

第一固丝排柱112，其结构包含弹簧紧丝结构1121，如图4a、图8所示，即在固丝排柱112内挖出里窄外宽的“T”型通孔，并加工同样形状但尺寸稍小的“T”型铜柱11211穿过该通孔，铜柱11211中央有空心穿孔便于丝从中心穿过，铜柱11211外周围与固丝排柱112的内壁之间设有弹簧11213，弹簧11213的下端由固丝排柱内部台阶阻挡抵接，弹簧11213的上端可由铜柱11211上端的外缘压下。铜柱11211的中部开有从内孔穿透外壁的缺口112111，使得第一偏压丝113从铜柱11211下端的中心穿过后再经过该缺口112111穿出至铜柱11211与弹簧11213的配合处，可从弹簧11213的间隙穿出。固丝螺栓11212带外螺纹，与铜柱11211的内螺纹螺纹连接，第一偏压丝113从缺口112111出来再缠绕数圈在固丝螺栓11212上，从而将丝的一端固定住。

具体使用时两条固丝排柱112为一组，每条固丝排柱112上设有多个紧丝结构1121，两条固丝排柱112上的紧丝结构1121一一对应，各自固定丝的一端，每根丝从其中一条的紧丝结构引出后再通过另一条固丝排柱112上对应的紧丝结构处(根据丝的排列方向确定两两对应位置)，即先将丝的一端在其中一排固丝排柱112的固丝螺栓11212处自然固定好后(即不压下弹簧)，经过该处的铜柱缺口112111穿过铜柱下端的中心穿孔再穿过另一条固丝排柱112对应位置处的紧丝结构1121的铜柱11211下端的中心穿孔，再从该处的铜柱缺口112111穿出，缠绕在该处的固丝螺栓11212上，而这另一端的固丝螺栓11212需稍微压紧弹簧固定，待去除人为压下力后两端弹簧因丝相互牵扯两端的固丝螺栓11212，从而最终受力均衡，等量压缩从而保持丝呈拉紧状态。

如果两条固定丝的排柱之间需要呈一定的角度，可将丝从固丝排柱引出后绕过转向陶瓷柱1122，再到达另一条固丝排柱处，如图8及4a所示。

第一偏压丝层11使得弹簧与丝进行弹性连接，固丝排柱结构主体采用铜材料，在固定及拉紧第一偏压丝113的同时，将同一固丝排柱上的所有丝保持电连接，以减少偏压丝网的高压输入路数。

短接铜线111，采用了直接蚀刻于陶瓷PCB基底的工艺，具有更好的稳定性，其目的是用于短接相邻的两个第一固丝排柱112，使得同一偏压丝层均短接在相同电势上。此外，由图4a可见该偏压丝层一共有4条第一固丝排柱112，在左下及右上两端分别两两短接，再连接至两路高压输入馈通，其中一路高压输入可用于通断测试和冗余备用。

根据本发明的一种实施方式，如图4b所示，第一信号丝层12，其材料及工艺细节如下：

印制铜线121，用于传输丝上收集弱流强信号。工艺是直接蚀刻在陶瓷PCB基底上，相对于传统的拉丝传输工艺来说，大大提升了稳定性及寿命。铜线间距根据PCB板的剩余空间及制板标准，本实施例中采用了70mil约1.778mm。

第二固丝排柱122，结构同样包含弹簧紧丝装置，类似于紧丝结构1121，但是不同于第一固丝排柱112，此处固丝排柱的材料是陶瓷，在固定和拉紧信号丝的同时，让丝与丝之间保持绝缘。

本发明的实施方式中，偏压丝层的固丝排柱是金属的，相互之间是电连接的，因为偏压丝都加一样的高压，短路起来可以节省高压供给，为此设计了蚀刻铜线将相邻两个固丝排柱再连接起来。

信号丝层上的固丝排柱是陶瓷绝缘材质的，因为每根丝要单独引出不同的电流信号，须保持相互绝缘且不能与地短路。

第一信号丝123，常见用于二次电子发射的丝材料有金属钨丝，碳丝，碳化硅等，相同条件下金属丝的能量沉积及丝热会更高一些，但机械强度和可操作性也更佳。本发明实施例中采用了钨铼合金丝，且表层镀金处理，其材料具备高熔点、耐腐蚀、低延脆转变温度，低电子逸出功等特点。根据应用条件，本发明实施例设计的丝直径为50μm，丝与丝间距设计为3mm，此层信号丝为水平方向排列，用于垂直方向的剖面测量。

第二陶瓷PCB基底124，材质为三氧化二铝，用于蚀刻铜线和支撑丝层。

25芯信号接头125，接头的针芯材质为不锈钢镀金，后端的可夹紧压接部分为铜凹管，具有较高的机械强度及电导率，工艺使用打孔陶瓷做绝缘及支撑柱，使针与针之间固定且绝缘，外面再套上不锈钢保护外壳。多芯接头用于扣接在陶瓷PCB板上，并与PCB上的覆铜孔保持尺寸对应和电接触，从而将信号丝上电流信号引出。

根据本发明的一种实施方式，如图4c所示，第二信号丝层13，其材料及工艺细节如下：

设置第二信号丝133，图示为丝层背面视角，其材料及工艺类似于信号丝123，丝材料为钨铼合金，且表面镀金。丝直径设计为50μm，间距为3mm。不同之处在于，此层信号丝为垂直方向排列，用于束流水平方向的剖面测量。

第三陶瓷PCB基底134，图示为丝层背面视角，其材料及工艺类似于第二陶瓷PCB基底124，材料为三氧化二铝，用于蚀刻铜线和支撑丝层。

该层与第一信号丝层12类似，也设置固丝排柱及紧丝结构。

根据本发明的一种实施方式，如图4d所示，第二偏压丝层14，其材料及工艺细节如下：

第二偏压丝143，为丝层背面视角，其材料及工艺类似于第一偏压丝113，丝材质为钨铼合金，且表面镀金。丝直径为50μm，丝与丝间距为4mm。与第一偏压丝113的不同之处在于，其与丝框所成角度为反向45度角，即左上至右下方向，也就是说第一偏压丝层的丝的倾斜角度与第二偏压丝层的丝的倾斜角度相反，此错位排布可增加偏压场覆盖的细微区域，同时减少同位置束流重复轰击偏压丝的概率。当然，第一偏压丝层的丝的倾斜角度与第二偏压丝层的丝的倾斜角度相反不是必须相反，两者之间也可设为其他角度。本例中使用了相反设计，理论上会更好。

第四陶瓷PCB基底144，为丝层背面视角，其材料及工艺类似于第一陶瓷PCB基底114，材料为三氧化二铝，用于蚀刻铜线和支撑丝层。

上述的两层偏压丝层及两层信号丝层均设计有固丝排柱及紧丝装置，不同在于，偏压丝层的固丝排柱材质为铜，需要整体短路为同一电势；而信号丝层的固丝排柱为陶瓷，相邻丝为开路。

根据本发明的一种实施方式，如图4d所示，金属刮束片层15，其材料及工艺细节如下：

金属片151，材料为镍，厚度为0.1mm，具体尺寸可依据束流参数设计，如图所示，本实施例中一共有两种规模：第一种是20mm*35mm，数目为2，在水平方向对称排列，两镍片外边缘的间距为60mm；第二种是15mm*45mm,数目为4,分成2组在垂直方向对称排列，对立两镍片的外边缘间距为40mm。该金属镍片在阻挡束流边缘粒子时产生二次电子发射，从而生成相应幅度的正电信号，以实现靶前束晕测量目的。此外，金属镍片到框架中央(即束流中心)的距离大小，决定了其刮测束晕信号的幅度。这个距离要根据实际应用时的束流大小确定，每个应用场景肯定不同，由信号强度和金属片温度来综合决定的。这个距离决定了刮束多少，距离中心越近刮束越多，流强信号也越大，也就越好；这个距离还决定了镍片温度，距离中心越近刮束越多，金属片温度越高甚至熔化，越不好，因此需平衡考虑。

第五陶瓷PCB基底154，其材料及工艺类似于第一陶瓷PCB基底114，材料为三氧化二铝，用于支撑及固定金属片151。

根据本发明的一种实施方式，如图2b所示，运动装置2主要包括驱动元件和传动组件28，驱动元件可为电动或液压或气动驱动机构，本发明的实施方式采用电机21驱动。

根据本发明的一种实施方式，传动组件28又包括联轴器281、丝杆282、咬合螺母283、滑块284、导轨285、移动支撑座286、末端法兰287、导杆288等。

联轴器281可选择机械加工或商业采购，用于滚珠丝杆282和电机21之间的传动连接。咬合螺母283与丝杆282配合，使得电机的圆周运动转变为咬合螺母283的直线运动，咬合螺母283与滑块284固定连接，滑块284沿导轨285运动，滑块284与移动支撑座286固定连接，移动支撑座286又与末端法兰287固定连接，末端法兰287又与导杆288固定连接，导杆288又与丝靶1连接，导杆288用于连接可运动滑块与丝靶部件。

导轨285、滑块284及滚珠丝杆282的功能是协同工作以使电机的圆周转动变成滑块的水平运动，再利用滑块284来带动导杆288及丝靶1运动。

为了使得运动装置也具有较高的耐辐射性，并且对靶室形成密封性能高的结构，导杆288内置于隔绝真空且可伸缩的金属波纹管26内部。金属波纹管26在运动过程中可实现伸缩变化。

具体连接时，金属波纹管26的一端密封连接末端法兰287，金属波纹管26的另一端密封连接真空密封法兰27。真空密封法兰27与靶室连接。

本发明实施例中电机21为抗辐射步进电机，其耐辐射剂量达1*10⁷Gy量级，并采用20米长抗辐射线缆引出至低剂量区后，再连接到后端的电机控制器件。

本发明的耐辐射的运动装置可以使丝靶实现插拔运动，避免在高占空比脉冲束、及直流束(Continuous Wave，CW)条件下，过高的功率沉积对丝靶造成损坏。此外，通常沿束流管道方向的靶反冲剂量会远高于偏离束管方向，因此在不使用时将丝靶拔出至稍远离束管的靶室法兰脖子内，也有利于提升本发明探测装置的耐辐射性和使用寿命。

更具体地，根据本发明的一实施方式，运动装置2还设有刻度尺22，限位开关23，多芯信号馈通24，高压信号馈通25。

钢板结构的刻度尺22，可设于运动装置2的底座上，用于观测运动位置。

限位开关23，也可设于运动装置2的底座上，可根据感应到的运动位置限定运动起点及终点；

多芯信号接头24，可设于末端法兰287，其针芯与信号线的连接工艺采用压接方式，用于引出信号丝上的电流信号；信号线可穿过金属波纹管26内部。

高压信号馈通25，也可设于末端法兰287，可为SHV型高压馈通，用于偏压丝上高压的引入。

真空密封法兰27，如图3a、3b所示，该法兰处于丝靶1和运动装置2的连接位置处，具备真空密封的作用，是隔绝外部大气压和靶室内超高真空的关键屏障。本发明实施例中法兰材质选用了进口316LN型不锈钢，采用了CF63和CF250两种标准尺寸，具体通过裁制相应规格的刀口，来压紧纯铜垫圈以达到密封目的。其中，CF63型法兰又通过刀口压接在CF250上，两者共同实现对波纹管及丝靶的真空密封。

本发明涉及的高压及信号通路连接如下：

高压链路例举：偏压丝层11上，钨铼镀金丝连接至固丝排柱112，同侧两个固丝排柱112之间通过短接铜线111连接，再利用耐10kV高压的聚酰亚胺漆包线连接至SHV型高压信号馈通25，高压馈通25通过SHV型高压线连接至高压源。

信号链路例举：信号丝层12上，钨铼镀金丝连接至固丝排柱122，再通过印制铜线121连接至多芯信号接头125，多芯信号接头125之后通过聚酰亚胺漆包线，连接至焊接在法兰面上的多芯信号馈通24，外面再通过多芯信号线连接至多通道电子学仪器。

信号链路例举：金属刮束片层15上，金属片151通过聚酰亚胺漆包线连接至多芯信号馈通24，再通过多芯信号线连接至多通道电子学仪器。

本发明一种具体的实施例过程如下：操作人员通过外部的电机控制器、驱动器及控制程序，向电机21发送脉冲信号，依据脉冲数目电机转动相应的圈数，通过联轴器、导轨、丝杆、滑块及导杆等元件共同作用，使电机转动变成导杆的前后运动，从而推动丝靶1往束流中心运动。

当丝靶1到达束流中心时，束流带电粒子会与第一信号丝123,、第二信号丝133发生库伦碰撞，使金属信号丝表面产生电子逃逸，这种二次电子出射会导致丝本身呈正电荷，此电荷通过固丝排柱122、印制铜线121等的传输，到达多芯信号接头125，然后通过聚酰亚胺漆包线传送至多芯信号馈通24，再由外部多芯线传输到多通道电子学仪器被获取。

常规丝扫描装置在靶前高辐射区的测量准确性、稳定性及使用寿命难以保证。此外，还存在诸多因素如束流粒子的正负极性、束流能量高低及射程、束流横向分布参数、金属丝材料及直径大小等，这些共同决定了丝信号情况，体现了此类探测装置的复杂性特点，因此进行系统全面的理论分析和仿真计算能够对系统进行准确评价。

结合本发明实施例之一，下面通过理论计算及程序仿真，来进一步评估其束晕及剖面测量效果：束流参数如下：质子¹P¹⁺，能量25MeV，流强5mA，束流横向经过磁铁扩束，在探测装置位置处为高斯分布σx＝8mm,σy＝5mm，丝直径50μm，丝中心间距为3mm，金属镍片厚度为0.1mm,一组水平镍片的边缘间距为60mm,两组垂直镍片的边缘间距为40mm。

评估上述参数，本发明探测装置用于束晕及剖面测量的信号大小，这对于上线实验和应用前的理论分析，以及后端电子学的输入信号参考等具有重要意义。理论上，加速器靶前区域的丝靶电子来源有以下几类：1)丝表层低能电子发射SEY；2)高能δ电子出射DEY；3)热致及场致电子发射；4)靶辐射反冲及腔室杂散电子。

(一)低能电子SEY。国际上通常使用Sternglass公式来计算低能电子产额，如下式(1)所示，其产额与库伦碰撞的能量损失成正比：

SEY＝(dE/dz)*P*d_S/ΔE(1)

式中dE/dz为单位长度能损，钨铼合金丝中以钨成分为主体约占97％左右，下面以纯钨丝进行简化计算，通过SRIM程序计算25MeV质子在钨中平均能损大约为19.15MeV/mm；P指低能电子的逃逸概率为0.5；ds为表层电子的逃逸程约1nm，ΔE是表层电子逃逸的消耗能量约25eV，代入上述参数计算得SEY＝0.383。

同理，上述质子束在镍中的平均能损约12.80MeV/mm,计算金属镍表层的低能电子产额率约SEY＝0.256，即上述单个质子轰击金属镍后表层出射的电子数目。

(二)高能电子DEY。质子轰击金属后出射的电子会具有一定的能谱分布，此外还需要考虑复杂的核反应过程等，因此实际上金属还会出射一部分高能δ电子，这部分高能电子也就增加丝上的流强信号，甚至还可能继续运动至靶室内壁，碰撞不锈钢表面使其继续发射次级电子，这些次级电子成为了环境杂散电子的来源之一。

高能电子产额可以用Geant4蒙卡程序来仿真，程序设置了1*10⁵个上述参数的质子入射本发明探测装置的丝靶，其中碰撞到中央钨丝的质子个数为227个，产生的δ电子个数为37个，从而近似推算中央丝阻挡总束流粒子的比率为227/1*10⁵＝0.23％，并产生高能电子产额比率DEY为37/227＝0.163。

利用二维高斯分布积分计算得到，中央丝碰撞总束流粒子的比率为0.24％，与Geant4蒙卡仿真的0.23％结果近似，边缘±3σ处丝碰撞到总流强的比率为2.7*10^-5。

在上述应用条件及参数下，本发明探测装置的丝靶进行剖面测量时，其电子学获得中央丝通道的输入流强约为I_0σ＝5mA*(0.383+0.163)*0.24％＝6.55μA；获得边缘丝通道的输入流强约为I_3σ＝5mA*(0.383+0.163)*2.7*10^-5＝73.71nA。从电子学设计角度分析，此原始信号输入范围比较适中，不到3个量级的动态范围也容易实现。

本发明探测装置中束晕测量的信号评估，除了与SEY及DEY等电子出射率相关外，还与镍片间距及束流包络等因素密切相关，本实施例中镍片的水平与垂直间距分别为60mm和40mm，相当于测量7.5倍σx和8倍σy位置处的束晕大小。利用Geant4蒙卡程序对金属镍片层建模，分别计算了束流位于中心的正常情况，以及垂直方向偏心Y+10mm和水平方向偏心X+10mm这两种异常情况下，金属镍片承受的束流功率及流强信号如下表(1)所示:

表1.丝靶镍片层测量不同束流位置下流强信号计算

由上表可见，结合理论计算和蒙卡程序仿真，本发明探测装置不仅可以测量束流位于中心时的束晕信号，还可以通过对称位置镍片的信号变化，来判断束流偏心及异常情况。这些束流异常情况通过理论计算及束流验证后，还可以接入加速器的机器保护系统(Machine Protection System,MPS)，为束流安全打靶提供一种有效的保护手段。

(三)热致及场致发射。本发明探测装置的丝靶属于准拦截式测量设备，虽然丝直径相对于束流剖面较小，但仍会阻挡一小部分束流功率而发热。因束流功率沉积而导致的丝热及温升，往往是限制多丝使用条件的重要因素之一。

圆柱形钨丝的几何结构相对简单，可利用下式(2)的热传导方程来计算丝热，其中束流轰击钨丝的功率沉积为加热项，与环境温度差异导致的热辐射为主要散热项，并考虑钨自身热传导效果，由于加速器管道内真空气压较低，不考虑对流散热项。

式中ρ为丝密度；V为丝体积；C_p表示丝热容系数，且考虑为温变系数；dT/dt是温度随时间变化的一阶微分；ΔE是束流在丝中能量沉积；I为束流流强；A_i表示束流与丝碰撞面积；ε是丝表面辐射系数；σ是斯忒藩-玻尔兹曼常数；T和T₀分别表示丝温度和环境温度；λ为丝热传导系数，且考虑为温变系数；dT²/dl²表示丝温度沿丝长度即热传导方向的二阶微分。在上述质子束参数及10ms脉宽，1Hz重复频率条件下，代入所有参数进公式(2)，计算得到中央丝的最高温度如图5所示，约2005.6K。

金属热电子发射情况可利用下式(3)的Richardson公式来评估，式中J表示热电子发射的电流密度，A_r为电子发射面积，E表示金属表面逸出功，K是玻尔兹曼常数。钨金属的逸出功还与表面洁净度等相关，参考值约4.47-5.25eV，计算得到当钨丝的温度上升至1800K以上时，其热电子发射才开始非线性地急剧增加。

J＝A_rT²exp[-E/(KT)](3)

此外，更高的温度还将导致钨丝物理升华而造成丝损耗，因此在使用本发明探测装置时，选择将丝上温度控制在1800K范围及以下，更有利于减少热电子发射及丝材料的升华损耗，从而提升丝的剖面测量准确性及使用寿命。

金属镍片层刮测束晕粒子时的能量沉积也会造成热效应，此温升是限制本发明探测装置可使用条件的重要因素之一。利用ANSYS三维热分析软件导入镍片层的三维模型，并考虑金属镍和陶瓷两种材料热源，在上述25MeV，5mA质子参数下，当脉宽为3ms，重复频率为1Hz(即脉冲束占空比为0.3％)，且束流质心位于管道中心时(即不偏心正常情况)，仿真结果如图6所示，可见在束晕粒子轰击3s时间后，丝靶的镍片层仅在水平方向有约3.56摄氏度的轻微温升。同理，分别仿真当束流偏心水平X+10mm、+20mm，以及垂直Y+10mm、+20mm条件下，3s时间后的镍片温升如下表2

表2.丝靶镍片层测量不同束流位置下的最大温升情况

束流中心位置	管道中心	偏心X+10mm	偏心X+20mm	偏心Y+10mm	偏心Y+20mm
						镍片最高温度	23.56℃	216.78℃	2203.50℃	321.86℃	2871.80℃

由上表可见，在上述束流参数下，丝靶镍片层可以承受的束流偏心大小约10mm，当束流偏心达到20mm时，镍片的温升已经远超其熔点了。实际应用中，还需要考虑靶面可接受的剖面尺寸及偏心条件，然后通过调整镍片间距来改变其温升和可使用条件，以符合靶面的可接受束流条件。最后，将上文计算及实测验证后的镍片流强作为阈值，来接入加速器MPS系统为打靶提供保护。

关于场致电子发射问题，由于本发明探测装置系统应用区域不会处于强电场范围，丝靶的场致发射问题可以忽略。

(四)靶辐射反冲及腔室杂散电子

靶前束诊区域存在较大的反冲剂量，质子束轰击重金属靶时主要产物包含中子，伽马等，也可能存在一部分反冲电子。另外，束流粒子及高能电子碰撞真空管道或靶室腔壁时，也会沉积能量并继续轰击出次级电子。靶前束晕及剖面测量时，这些反冲剂量及杂散电子会直接运动或多次散射到金属丝或片上，从而中和上面的正电荷信号，甚至当这部分杂散电子数目过多时，将会导致正电荷束流的剖面测量出现负极性信号，干扰和降低加速器靶前束晕及剖面测量的准确性。

靶反冲剂量的定量评估与靶材料、屏蔽设计、空间距离等众多因素相关，要得到比较准确的环境剂量分布，需根据真实应用场景及相关各项参数，来进行系统全面的蒙特卡罗仿真计算，此处不再做详细讨论。

利用CST等电磁仿真软件，可以进行偏压丝层的电场分布模拟，来定性分析其对杂散电子的抑制效果。在本实施例中，向两个偏压丝层分别加上100V正电压，其电场分布结果如图6所示，标号11,12,13,14,15分别代表所述第一偏压丝层，第一信号丝层，第二信号丝层，第二偏压丝层，金属镍片层。由等势线曲线分布可见，11偏压丝层和12信号丝层附近的等势线非常平直，图中深颜色代表较高电势，电场方向由11偏压丝层指向12信号丝层，因此12信号丝层出射的低能电子将被11偏压丝层吸引，同时周围环境中的杂散电子也将被11偏压丝层吸引，从而提高了12信号丝层的剖面测量准确性，并大幅减少环境中的杂散电子干扰。同理，14偏压丝层产生的等势线也较为平直，电场方向由14偏压丝层指向13信号丝层，此设计屏蔽了部分环境中的杂散电子干扰，提升了13信号丝层的剖面测量准确性。

综述如下，本发明靶前束晕及剖面探测装置在上述实施例中，从丝温度及热致发射角度分析，在25MeV质子，5mA流强，横向高斯分布为σx＝8mm,σy＝5mm，钨铼合金丝直径50μm条件下，其可使用的束流条件最好不超过10ms脉宽和1Hz重复频率，即1％的脉冲束流占空比。当脉冲束超过1％占空比或切换为CW束模式时，需要使用到本发明中的耐辐射电机及运动装置，及时将丝靶拔出以避免损坏。

上述束流参数下丝靶进行剖面测量时，中央丝上发射二次电子造成流强信号约为几个μA量级，3σ处边缘丝上产生流强约为数十nA量级。同时，在束流正常及偏心情况下，丝靶上束晕探测层的各镍片流强信号均可以通过仿真和计算得到，分别在百nA及数十μA量级。最后，偏压丝层的场屏蔽效果可以通过CST仿真来定性评估，丝靶结构的等势线分布平直，电场方向由偏压丝层指向信号丝层，其场分布具备吸引信号丝上电子及环境杂散电子的功能，可以提升本发明在靶前严苛环境下的束晕及剖面测量准确性。

国际及国内的加速器打靶装置都密切关注着束流入靶前的横向信息，通常还会使用磁铁扩束或扫描等设计，使入靶前束流具有较大的横向尺寸，从而减少靶面的功率密度来保障打靶安全，因此靶前的束晕及剖面测量具有重大意义。本发明的束晕及剖面探测装置基于束流轰击金属后使其表面二次电子发射的原理，并采用了一系列耐辐射工艺及杂散电子抑制等创新设计，非常适用于加速器靶前的束流横向信息测量。

本发明应用于靶前高辐射剂量的严苛环境，为了提升探测装置的耐辐射性能和使用寿命，探测装置各元件都进行了严谨的材料选择及工艺优化：运动装置上选购了耐辐射步进电机，丝靶使用了耐辐射的陶瓷基底材料，传输链路采用了陶瓷PCB印制铜线技术，避免焊接而使用陶瓷内衬接头及针线压接工艺等。此外，高剂量环境会伴随较大的反冲剂量及杂散电子，为了提升探测装置的测量准确性，本发明针对性地创新设计了两层偏压丝，利用其上的正电势来吸附信号丝上出射的电子，以及屏蔽环境中的部分杂散电子，从而提升探测装置的靶前剖面测量准确性。最后，本发明还创新增设了基于金属镍片的束晕测量功能，利用镍片被束晕粒子轰击后表面电子逃逸的流强信号来判断束晕大小及分布，此外将对称位置处镍片的流强信号对比，还可以推断靶前束流的偏心情况。

需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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系统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的限制；诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述丝靶沿束流前进方向依次包括：

第一偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；

第一信号丝层，设置水平平行信号丝或设置竖直平行信号丝，被配置为对束流进行垂直剖面的测量或被配置为对束流进行水平剖面的测量；

第二信号丝层，设置竖直平行信号丝或设置水平平行信号丝，被配置为对束流进行水平剖面的测量或被配置为对束流进行垂直剖面的测量；

第二偏压丝层，设置倾斜偏压丝，被配置为对杂散电子进行抑制；

金属刮束片层，设置金属片，被配置为阻挡及测量束晕边缘的粒子。

2.根据权利要求1所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述第一偏压丝层的丝的倾斜角度与所述第二偏压丝层的丝的倾斜角度相反。

3.根据权利要求2所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述第一偏压丝层的丝的倾斜角度与所述第二偏压丝层的丝的倾斜角度大小均为45度。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层及所述第二偏压丝层均设有印制铜线，所述铜线蚀刻于各层的基底上，用于传输各层的丝收集的弱流强信号。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层、第二偏压丝层及金属刮束片层的基底均为陶瓷PCB基底。

6.根据权利要求1或2或3所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层、第二偏压丝层的丝均为钨铼合金丝。

7.根据权利要求1或2或3所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述第一偏压丝层、第一信号丝层、第二信号丝层、第二偏压丝层均包括紧丝结构，以弹性拉紧各层的丝；所述金属刮束片层的金属片为镍片，所述金属片呈对称布置；所述紧丝结构包括铜柱、固丝螺栓和弹簧，所述铜柱活动装配于所述固丝排柱的“T”型通孔，所述铜柱设有空心穿孔，所述铜柱外周围与所述固丝排柱的内壁之间设有所述弹簧，所述弹簧的下端由所述固丝排柱的内部台阶阻挡抵接，所述弹簧的上端能被所述铜柱的上端外缘压下；所述铜柱的中部开有从内孔穿透外壁的缺口；所述固丝螺栓设有外螺纹，该外螺纹与所述铜柱上端的内螺纹配合连接。

8.根据权利要求1或2或3所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，其特征在于，所述第一信号丝层和第二信号丝层均设置信号接头，该信号接头的针芯材质为不锈钢镀金，所述针芯后端的可夹紧压接部分为铜凹管，该信号接头扣接于各层的基板上，用于将各层的信号丝上的电流信号引出；所述第一偏压丝层还包括若干第一固丝排柱，所述第一偏压丝层上的偏压丝连接至所述第一固丝排柱，同侧相邻所述第一固丝排柱之间通过印制铜线连接，所述第一偏压丝再通过耐10kV高压的聚酰亚胺漆包线连接至高压信号馈通，该高压馈通通过高压线连接至高压源；所述第一信号丝层还包括若干第二固丝排柱，所述第一信号丝层上的信号丝连接至所述第二固丝排柱，相邻所述第二固丝排柱之间再通过印制铜线连接，所述信号丝再连接至信号接头，该信号接头之后通过聚酰亚胺漆包线将信号丝连接至多芯信号馈通，之后再通过信号线将信号连接至多通道电子学仪器；所述金属刮束片层上的金属片的信号引出，采用螺杆压接方式将聚酰亚胺漆包线连接至所述多芯信号馈通，再通过多芯信号线连接至多通道电子学仪器。

9.一种靶前束晕及剖面探测装置，其特征在于，包括运动装置和权利要求1至8任一项所述的用于靶前束晕及剖面探测的丝靶，所述运动装置带动所述丝靶往复运动。

10.根据权利要求9所述的靶前束晕及剖面探测装置，其特征在于，所述装置还包括密封法兰，以将所述丝靶与靶室密封连接；所述运动装置包括抗辐射步进电机，以带动所述丝靶运动；所述运动装置还包括金属波纹管和传动组件，所述传动组件用于将所述电机的圆周运动转变为直线运动传递至所述丝靶，所述传动组件的丝靶连接部分设于所述金属波纹管内，所述金属波纹管密封连接所述密封法兰。

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