CN115480287A - 能量束探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能量束探测装置，包括：一碳纳米管结构，一支撑结构以及一红外探测器。该碳纳米管结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管平行于待测能量束的方向；该碳纳米管结构通过该支撑结构部分悬空；以及该红外探测器设置于所述碳纳米管结构的下方并与该碳纳米管结构间隔设置，该红外探测器用于探测悬空部分碳纳米管结构的温度并根据所述碳纳米管结构的温度分布成像。本发明还提供采用所述能量束探测装置探测能量束的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量束探测装置及探测方法，尤其涉及一种采用碳纳米管结构的能量束探测装置及探测方法。
背景技术
在现实生活及科研工作中，需要对电子束、激光光束等能量束的束斑大小以及运动轨迹等进行探测。现有的能量束探测器一般只能用于低能量束的检测，无法准确检测高能量束。例如，低能量束流的电子束探测一般采用荧光屏来探测(显示)，其基本原理是，电子打在荧光物质上发出荧光，就可以看见电子束的位置和形貌了；然而，高能量束流产生的热量较大，热效应往往会把荧光物质打坏，使其无法使用。
因此，提供一种可以准确探测高能量束的探测装置和探测方法将具有重大意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种探测结果准确的能量束探测装置及探测方法。
一种能量束探测装置，包括：
一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管平行于待测能量束的方向；
一支撑结构用于支撑该碳纳米管结构，该碳纳米管结构通过该支撑结构部分悬空；以及
一红外探测器，该红外探测器设置于所述碳纳米管结构的下方并与该碳纳米管结构间隔设置，该红外探测器用于探测悬空部分碳纳米管结构的温度并根据所述碳纳米管结构的温度分布成像。
一种能量束的探测方法，该探测方法包括：
步骤S1，提供所述能量束探测装置；
步骤S2，所述待测能量束照射到所述碳纳米管结构上并产生热量，使得碳纳米管结构的温度分布发生变化，以及
步骤S3，所述红外探测器根据所述碳纳米管结构的温度分布成像，进而得到所述待测能量束的束斑图像或运动轨迹。
本发明提供的能量束探测装置包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构中的碳纳米管平行于能量束的方向，由于碳纳米管横向的热导率非常差，当能量束轰击所述碳纳米管结构的表面时，该能量束产生的热量在碳纳米管结构中会散开的很慢。因此，碳纳米管结构中被能量束照射到的部分温度升高，没有被能量束照射到的部分温度基本不变，红外探测器根据碳纳米管结构中的温度分布即可准确得到能量束的束斑大小；当能量束在碳纳米管结构的上方移动时，红外探测器也可以根据碳纳米管结构中的温度分布变化准确得到能量束的运动轨迹。而且由于碳纳米管在横向的热导率约为0.1～0.2Wm-1K-1，因此，该能量束探测装置在探测高能量束时，不容易被烧坏，且高能量束在碳纳米管结构边缘不会发生各种散射，因此，该能量束探测装置可以对高能量进行精准探测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的能量束探测装置的结构示意图。
图2为本发明一实施例提供的碳纳米管结构的结构示意图。
图3为本发明另一实施例提供的碳纳米管结构的结构示意图。
图4为本发明另一实施例提供的碳纳米管结构的结构示意图。
图5为本发明碳纳米管横向的热导率与能量束的能量密度的关系曲线。
图6为本发明实施例提供的红外探测器的结构示意图。
图7为采用所述能量束探测装置探测一电子束得到的束斑图像以及该电子束束斑的理论计算图。
图8为采用所述能量束探测装置探测一电子束时，碳纳米管结构的不同位置与电流强度的变化曲线。
图9为采用所述能量束探测装置探测电子束时，碳纳米管结构的温升与电子束的功率密度的变化曲线。
图10为所述碳纳米管结构温升的灵敏度与电子束功率密度的变化曲线。
图11为采用所述能量束探测装置探测电子束时，碳纳米管结构的温升随时间的变化曲线。
图12为采用所述能量束探测装置探测电子束的运动轨迹时，红外探测器中得到图片。
图13为采用所述能量束探测装置探测激光光束的运动轨迹时，红外探测器中得到图片。
主要元件符号说明
能量束探测装置 10
碳纳米管结构 100
碳纳米管 102
支撑结构 200
红外探测器 300
红外探头 302
信号处理器 304
图像显示器 306
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的能量束探测装置及探测方法进行详细说明。
请参阅图1，本发明实施例提供一种能量束探测装置10。该能量束探测装置10包括一碳纳米管结构100，一支撑结构200以及一红外探测器300。该碳纳米管结构100设置于该支撑结构200的表面，并在该支撑结构200的表面悬空设置。将能量束入射口定义为碳纳米结构10的上方，所述红外探测器300位于所述碳纳米结构100的下方并与该碳纳米管结构100间隔设置。
所述碳纳米管结构100包括多个碳纳米管102，该多个碳纳米管102的延伸方向与能量束的方向平行，该多个碳纳米管102通过范德华力连接在一起形成一整体结构。当能量束轰击所述碳纳米管结构100的表面时，在该碳纳米管结构100中产生热量，由于碳纳米管横向(垂直于碳纳米管的长度方向)的热导率非常差，请参阅图2，在不同的能量密度下，碳纳米管横向的热导率在0.1～0.2Wm-1K-1之间，当能量束照射到碳纳米管结构100上时，该能量束产生的热量在碳纳米管结构100中会散开的很慢。因此，碳纳米管结构100中被能量束照射到的部分温度升高，没有被能量束照射到的部分温度基本不变，红外探测器300根据碳纳米管结构100中的温度分布变化即可得到能量束的束斑大小。当能量束在碳纳米管结构100的上方移动时，红外探测器300也可以根据碳纳米管结构100中的温度分布变化得到能量束的运动轨迹。碳纳米管在轴向(长度方向)的热导率特别大，由于该碳纳米管结构在支撑结构的表面悬空设置，因此，碳纳米管结构在轴向的的热量会瞬间传导到空气中散开掉，不会对碳纳米管横向的热传导产生影响，进一步提高了所述能量束特测装置10的准确度。本实施例中，能量束沿竖直方向照射到所述碳纳米管结构100的表面，所述碳纳米管结构100中的碳纳米管102竖直排列，并垂直于所述支撑结构200的表面。
所述碳纳米管结构100为一自支撑结构，该自支撑是指碳纳米管结构100不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身的整体状态，即将该碳纳米管结构100置于(或固定于)间隔一定距离设置的两个支撑结构200上时，位于两个支撑结构200之间的碳纳米管结构100能够悬空保持自身的整体状态。该碳纳米管结构100的悬空部分的最大直径根据能量束的尺寸进行选择。该碳纳米管结构100的悬空部分的最大直径大于能量束的最大直径。优选的，该碳纳米管结构100的悬空部分的最大直径为能量束的最大直径的1.5倍以上。更优选的，该碳纳米管结构100的悬空部分的最大直径为能量束的最大直径的1.5～3倍。该碳纳米管结构100的悬空部分的直径太大，例如大于能量束的最大直径的3倍，会导致碳纳米管结构的悬空部分容易受到破坏，而且浪费成本；该碳纳米管结构100的悬空部分的直径太小，例如小于能量束的最大直径1.5倍，会导致能量束不能被完全探测到，影响探测精确度。
在某个实施例中，如图3所示，所述碳纳米管结构100在平行于碳纳米管延伸方向上仅有一根碳纳米管102，即所述碳纳米管结构100可以为一个碳纳米管阵列；在另一个实施例中，如图4所示，所述碳纳米管结构100可以为多个碳纳米管阵列层叠设置形成的一整体结构，即在平行于碳纳米管延伸方向上包括多根首尾相连的碳纳米管；在另一个实施例中，如图5所示，所述碳纳米管结构100在平行于碳纳米管102的方向上包括多根交错排列的碳纳米管102。
所述碳纳米管阵列100优选为超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列包括多个彼此平行且沿竖直方向延伸的碳纳米管。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。当然，所述超顺排碳纳米管阵列中存在少数随机排列的碳纳米管，这些随机排列的碳纳米管不会对超顺排碳纳米管阵列中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法已为众多前案公开。本实施例中，所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法制备，该制备方法可参阅冯辰等人在2008年8月13日公开的中国专利申请CN101239712A。本实施例中，所述碳纳米管结构100为所述超顺排碳纳米管阵列。
所述碳纳米管结构100的厚度根据实际需要进行限定。本实施例中，所述碳纳米管结构100的厚度在200微米-400微米之间。
所述支撑结构200用于支撑所述碳纳米管结构100，并且能够保证碳纳米管结构100悬空设置。优选的，所述支撑结构200仅与所述碳纳米管结构100的边缘位置接触。例如，所述支撑结构200可以为一中空的框架，也可以为多个间隔设置的柱体等。所述支撑结构200的材料优选为绝热材料，防止支撑结构200吸收所述碳纳米管结构100中的热量，影响探测准确度。例如，玻璃、塑料、硅片、二氧化硅片、石英片、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、硅、形成有氧化层的硅、石英等。本实施例中，所述支撑结构200为一中空的框架。
请参阅图6，所述红外探测器300包括一红外探头302、一信号处理器304以及一图像显示器306。所述碳纳米管结构100的温度分布不同，所以碳纳米管结构100不同位置的红外辐射分布也不同，所述红外探测器300将上述碳纳米管结构100中的红外热辐射转换成相应的电信号，然后经过放大和图像处理，形成可供肉眼观察的图像。具体的，所述红外探头302探测到所述碳纳米管结构100中的红外热辐射并形成电信号，该电信号经过信号处理器304处理之后成像并在图像显示器306上显示。所述红外探测器300形成的图像能反映出碳纳米管结构100表面的温度分布状态，根据所述红外探测器300形成的图像得到照射到碳纳米管结构100表面的能量束的束斑以及运动轨迹。
所述红外探测器300的型号和种类不限，只要能够根据碳纳米管结构100的温度分布状况进行成像即可。本实施例中，所述红外探测器300为一红外热像仪。
所述能量束探测装置10可用于探测任何能够产生热量的能量束，例如电子束、光束等。
本发明还提供一种采用所述能量束探测装置10探测能量束的方法，该能量束的探测方法包括：
步骤S1，提供所述能量束探测装置10；
步骤S2，待测能量束照射到所述碳纳米管结构100的部分表面，该能量束产生热量，使得碳纳米管结构100的温度分布发生变化，以及
步骤S3，所述红外探测器300根据所述碳纳米管结构100的温度分布成像，进而得到所述能量束的束斑图像或运动轨迹。
步骤S2中，所述能量束优选照射到所述碳纳米管结构100的悬空部分的表面。
请参阅图7，其中图7a为采用本实施例的所述能量束探测装置10探测一电子束束斑的形状和大小，图7b为该电子束束斑的理论计算图。由图7可以看出，采用本实施例的能量束探测装置10得到的电子束束斑的形状和大小与该电子束理论计算的束斑的形状和大小基本吻合。请参阅图8，为采用本实施例的所述能量束探测装置10探测一电子束时，红外探测器300中电流强度与碳纳米管结构100中的位置关系曲线，其中，该曲线中电流强度最大的点为电子束的中心位置，电流强度开始增加的位置与电流强度不再降低的位置之间的距离为电子束的最大直径。由图8还可以看出，采用所述能量束探测装置10得到的电子束的曲线与理论曲线级本吻合。图7和图8说明本发明的所述能量束探测装置10探测电子束束斑时的准确率较高。
请参阅图9，为采用所述能量束探测装置10探测不同功率密度的电子束时，碳纳米管结构100的温升与电子束的功率密度的变化曲线。由图9可以看出，碳纳米管结构100的温升随电子束功率密度的增加基本上呈直线变化。请参阅图10，所述碳纳米管结构100随电子束功率密度变化的灵敏度在不同的电子束功率密度下基本保持不变。图9和图10说明本发明的所述能量束探测装置10的测试灵敏度基本不会受到能量束功率密度大小的影响，因此，所述能量束探测装置10对于高能量束探测的精确度较高。
请参阅图11，为采用所述能量束探测装置10探测电子束时，碳纳米管结构100的温升随时间的变化曲线。由图11可以看出，碳纳米管结构100在1.07秒时从初始温度瞬间上升到最高温度，而且在该温度下保持35秒的时间，然后1.13秒瞬间降低到初始温度。由此说明，该碳纳米管结构100对电子束的响应速率较快，而且由于碳纳米管在横向的热导率较低，电子束产生的热量需要较长的时间才会在整个碳纳米管结构100中散开。因此，所述能量束探测装置10对于能量束的探测精确度较高。
请参阅图12，为采用所述能量束探测装置10探测电子束时，红外探测器300中得到图片，该图片中的轨迹与电子束的实际运动轨迹相符。请参阅图13，为采用所述能量束探测装置10探测一激光束时，红外探测器300中得到图片，该图片中的轨迹与激光束的实际运动轨迹相符。图12和图13说明，采用本发明的能量束探测装置10探测能量束的运动轨迹时，探测精确度较高。
本发明提供的能量束探测装置仅采用一碳纳米管结构和一红外探测器即可实现对能量束的探测，结构简单，成本较低。所述碳纳米管结构中的碳纳米管的延伸方向平行于能量束的方向，由于碳纳米管横向的热导率非常差，当能量束轰击所述碳纳米管结构的表面时，该能量束产生的热量在碳纳米管结构中会散开的很慢。因此，碳纳米管结构中被能量束照射到的部分温度升高，没有被能量束照射到的部分温度基本不变，因此，红外探测器根据碳纳米管结构中的温度变化即可得到能量束的束斑大小。当能量束在碳纳米管结构的上方移动时，红外探测器也可以根据碳纳米管结构中的温度变化得到能量束的运动轨迹，探测方法简单，且探测准确率较高。而且由于碳纳米管在横向的热导率在0.1～0.2Wm-1K-1之间，因此，该能量束探测装置在探测高能量束时，不容易被烧坏，且能量束在碳纳米管结构边缘不会发生各种散射，因此，该能量束探测装置可以对高能量进行精准探测。碳纳米管在轴向的热导率特别大，且该碳纳米管结构在支撑结构的表面悬空设置，因此，碳纳米管结构在轴向的热量会瞬间传导到空气中散开掉，不会对碳纳米管横向的热传导产生影响，进一步提高了该能量束特测装置的准确度。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种能量束探测装置，包括：
一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管平行于待测能量束的方向；
一支撑结构用于支撑该碳纳米管结构，该碳纳米管结构通过该支撑结构部分悬空；以及
一红外探测器，该红外探测器设置于所述碳纳米管结构的下方并与该碳纳米管结构间隔设置，该红外探测器用于探测悬空部分碳纳米管结构的温度并根据所述碳纳米管结构的温度分布成像。
2.如权利要求1中所述的能量束探测装置，其特征在于，该碳纳米管结构为一个碳纳米管阵列或多个碳纳米管阵列层叠设置形成的一整体结构。
3.如权利要求2中所述的能量束探测装置，其特征在于，该碳纳米管结构包括多根在平行于能量束的方向上首尾相连的碳纳米管。
4.如权利要求2中所述的能量束探测装置，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多根在平行于能量束的方向上交错排列的碳纳米管。
5.如权利要求1中所述的能量束探测装置，其特征在于，所述支撑结构仅与所述碳纳米管结构的边缘位置接触。
6.如权利要求1中所述的能量束探测装置，其特征在于，所述支撑结构为一中空的框架，或者至少两个间隔设置的柱体。
7.如权利要求1中所述的能量束探测装置，其特征在于，所述待测能量束照射到所述碳纳米管结构的悬空部分。
8.如权利要求1中所述的能量束探测装置，其特征在于，所述碳纳米管结构的厚度范围为200微米-400微米。
9.如权利要求1中所述的能量束探测装置，其特征在于，所述红外探测器包括一红外探头、一信号处理器以及一图像显示器。
10.一种能量束的探测方法，该探测方法包括：
步骤S1，提供如权利要求1-9中任一项的能量束探测装置；
步骤S2，所述待测能量束照射到所述碳纳米管结构上并产生热量，使得碳纳米管结构的温度分布发生变化，以及
步骤S3，所述红外探测器根据所述碳纳米管结构的温度分布成像，进而得到所述能量束的束斑图像或运动轨迹。
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