CN203745659U - 一种脉冲带电粒子束探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种脉冲带电粒子束探测器，所述探测器设置有一探测板，探测板将脉冲带电粒子束分为多个不相邻的区域单元，探测板上设置有一个由多个带电粒子收集单元构成的阵列，用于收集对应各区域单元中脉冲带电粒子束的电荷，并转换为脉冲信号导出到信号采集系统，所述探测板内形成有一个电场，用于阻止次级电子溢出探测板。本实用新型结构紧凑，各脉冲信号间串扰小，排除了次级电子的影响，不仅能够探测出脉冲带电粒子束的轮廓及其变化过程，还能准确探测出脉冲带电粒子束束流密度的空间分布情况和时间演变过程。
Description
技术领域
本实用新型属于粒子束测量技术领域，具体涉及一种脉冲带电粒子束探测器，可用于脉冲带电粒子束束流密度分布的探测。
背景技术
脉冲带电粒子束可分为脉冲电子束和脉冲离子束，脉冲带电粒子束在材料表面改性、核物理及核技术、等离子体物理、航空航天等领域中得到了广泛应用。脉冲带电粒子束束流密度分布的测量在很多应用中显得非常重要，现有技术中，对于带电粒子束束流密度分布的测量一般采用机械扫描法、变色片法、闪烁体光电法、平板电极阵列等。机械扫描法不适用于较快脉冲带电粒子束束流密度分布的测量；变色片法虽然直观，但无时间分辨，不适用于脉冲带电粒子束束流密度分布的测量；闪烁体光电法具时间分辨，但脉冲带电离子束与闪烁体相互作用的温升效应将致测量的非线性，且不同离子种类致闪烁体的响应存在差异，存在发光饱和问题；平板电极阵列时间响应快，但没有排除二次电子的干扰，无法给出准确值。
发明内容
针对现有带电粒子束测量装置不能定量的给出脉冲带电粒子束束流密度分布的不足，本实用新型提供一种脉冲带电粒子束探测器。
本实用新型的脉冲带电粒子束探测器，其特点是，所述探测器包括探测板、用于外接信号采集系统的信号传输电缆、用于外接偏压电源的偏压电缆、导电外壳；所述探测板、信号传输电缆、偏压电缆分别与导电外壳固定连接，所述信号传输电缆、偏压电缆分别与探测板固定连接，探测板上设置有采样板、绝缘板Ⅰ、偏压层、绝缘板Ⅱ、带电粒子收集层，所述采样板、绝缘板Ⅰ、偏压层、绝缘板Ⅱ、带电粒子收集层依次固定连接；所述探测板上的采样板将待测的脉冲带电粒子束分为多个不相邻的区域单元，探测板上设置有一个由多个带电粒子收集单元构成的阵列，用于收集对应各区域单元中脉冲带电粒子束的电荷量，带电粒子收集单元将电荷量转换为脉冲信号导出到信号采集系统，所述的脉冲信号用于计算脉冲带电粒子束的束流密度分布；所述偏压电缆外接偏压电源，使探测板内将形成一个电场，所述的电场用于阻止带电粒子束与探测板内表面作用产生的次级电子溢出探测板，排除次级电子对测量的干扰。
所述采样板上设置有采样通孔，采样通孔的数量多于一个，多个采样通孔构成一个能使部分带电粒子束通过的孔阵列。
所述绝缘板Ⅰ上设置有绝缘通孔Ⅰ，绝缘通孔Ⅰ的数量与采样通孔的数量相同，多个绝缘通孔Ⅰ构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列。
所述偏压层包括偏压板、绝缘框；所述偏压板上设置有偏压通孔，偏压通孔的数量与采样通孔的数量相同，多个偏压通孔构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列，所述绝缘框上设置有一个可以容纳偏压板的通孔，偏压板固定连接于绝缘框的通孔内。
所述绝缘板Ⅱ上设置有绝缘通孔Ⅱ和偏压电缆预留空间Ⅰ，所述绝缘通孔Ⅱ的数量与采样通孔的数量相同，多个绝缘通孔Ⅱ构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列。
所述带电粒子收集层包括导电基板、带电粒子收集单元；所述导电基板上设置有收集单元安置孔、偏压电缆预留空间Ⅱ，收集单元安置孔的数量与采样通孔的数量相同，多个收集单元安置孔构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列，所述偏压电缆预留空间Ⅱ的位置与偏压电缆预留空间Ⅰ的位置对应；所述带电粒子收集单元包括绝缘筒、带电粒子收集筒、信号转换元件，绝缘筒设置有一个可容纳带电粒子收集筒的通孔，带电粒子收集筒固定连接于绝缘筒的通孔内，带电粒子收集筒内设置有一个空腔，一端开口，另一端封闭，带电粒子收集筒为导电体，用于收集带电粒子所携带的电荷量，信号转换元件设置有两个连接端口，一端与带电粒子收集筒的封闭端固定连接导通，另一端与导电基板固定连接导通；所述带电粒子收集单元的数量与收集单元安置孔的数量相同，带电粒子收集单元固定连接于收集单元安置孔内。
所述采样通孔、绝缘通孔Ⅰ、偏压通孔、绝缘通孔Ⅱ均为锥形孔，小端朝外；绝缘通孔Ⅰ的小端直径大于采样通孔的大端直径，偏压通孔的小端直径大于绝缘通孔Ⅰ的大端直径，绝缘通孔Ⅱ的小端直径大于偏压通孔的大端直径，所述绝缘通孔Ⅱ的大端直径小于带电粒子收集筒的开口内径。
所述信号传输电缆从内到外依次设置有信号传输电缆内导体、信号传输电缆绝缘层、信号传输电缆屏蔽层、信号传输电缆外护层，所述信号传输电缆一端的信号传输电缆内导体与带电粒子收集筒固定连接导通，传输电缆的另一端外接信号采集系统，所述信号传输电缆的数量与带电粒子收集单元的数量相同。
所述偏压电缆从内到外依次设置有偏压电缆内导体、偏压电缆绝缘层、偏压电缆屏蔽层、偏压电缆外护层，所述偏压电缆一端的偏压电缆绝缘层与绝缘板Ⅱ固定连接，偏压电缆绝缘层从偏压电缆预留空间Ⅰ、偏压电缆预留空间Ⅱ穿出，偏压电缆内导体与偏压板固定连接导通，偏压电缆的另一端外接偏压电源。
所述探测板设置于导电外壳内，信号传输电缆、偏压电缆分别通过导电外壳的通孔穿出，导电外壳与采样板、导电基板、信号传输电缆屏蔽层、偏压电缆屏蔽层固定连接导通，导电外壳与偏压板电绝缘。
本实用新型的脉冲带电粒子束探测器中的导电基板采用导电材料制作，导电基板具有优良的导电性能和散热性能，可以起到大面积地线的作用，减小脉冲信号间的电感、电容及串扰等，提供了优异的电性能，导电外壳内除探测板、信号传输电缆、偏压电缆以外的剩余空间可采用固体灌封的方式实现高密度封装，采样板上的采样通孔的数量和阵列布局可进行调整，以满足不同的测试要求。
本实用新型的优点是：结构紧凑，各脉冲信号间串扰小，内部电场排除了次级电子的影响，能够探测出脉冲带电粒子束的轮廓及其变化过程，还能准确探测出脉冲带电粒子束束流密度的空间分布情况和时间演变过程。
附图说明
图1是本实用新型的一种脉冲带电粒子束探测器的轴侧局部剖视图；
图2是本实用新型的一种脉冲带电粒子束探测器的局部剖视图；
图3是本实用新型中的探测板的爆炸局部剖视图；
图中：1.探测板 11.采样板 11a.采样通孔 12.绝缘板I 12a.绝缘通孔Ⅰ 13.偏压层 131.偏压板 131a.偏压通孔 132.绝缘框 14.绝缘板Ⅱ 14a.绝缘通孔Ⅱ 14b.偏压电缆预留空间Ⅰ 15.带电粒子收集层 151.导电基板 151a.收集单元安置孔 151b.偏压电缆预留空间Ⅱ 152.带电粒子收集单元 1521.绝缘筒 1522.带电粒子收集筒 1523.信号转换元件 2.信号传输电缆 21.信号传输电缆内导体 22.信号传输电缆绝缘层 23.信号传输电缆屏蔽层 24.信号传输电缆外护层 3.偏压电缆 31.偏压电缆内导体 32.偏压电缆绝缘层 33.偏压电缆屏蔽层 34.偏压电缆外护层 4.导电外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细描述。
实施例1
图1是本实用新型一种脉冲带电粒子束探测器的轴测局部剖视图，图2是本实用新型一种脉冲带电粒子束探测器的局部剖视图，图3是本实用新型中的探测板1的爆炸局部剖视图，在图1～图3中，本实用新型的探测器包括探测板1、用于外接信号采集系统的信号传输电缆2、用于外接偏压电源的偏压电缆3、导电外壳4；所述探测板1、信号传输电缆2、偏压电缆3分别与导电外壳4固定连接，所述信号传输电缆2、偏压电缆3分别与探测板1固定连接，探测板1上设置有采样板11、绝缘板Ⅰ12、偏压层13、绝缘板Ⅱ14、带电粒子收集层15，所述采样板11、绝缘板Ⅰ12、偏压层13、绝缘板Ⅱ14、带电粒子收集层15依次固定连接；所述探测板1上的采样板22将待测的脉冲带电粒子束分为多个不相邻的区域单元，探测板1上设置有一个由多个带电粒子收集单元构成的阵列，用于收集对应各区域单元中脉冲带电粒子束的电荷量，带电粒子收集单元将电荷量转换为脉冲信号导出到信号采集系统，所述的脉冲信号用于计算脉冲带电粒子束的束流密度分布；所述偏压电缆3外接偏压电源，使探测板1内将形成一个电场，所述的电场用于阻止带电粒子束与探测板1内表面作用产生的次级电子溢出探测板1，排除次级电子对测量的干扰。
所述采样板11上设置有采样通孔11a，采样通孔11a的数量多于一个，多个采样通孔构成一个能使部分带电粒子束通过的孔阵列。
所述绝缘板Ⅰ12上设置有绝缘通孔Ⅰ12a，绝缘通孔Ⅰ12a的数量与采样通孔11a的数量相同，多个绝缘通孔Ⅰ构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列。
所述偏压层13包括偏压板131、绝缘框132；所述偏压板131上设置有偏压通孔131a，偏压通孔131a的数量与采样通孔11a的数量相同，多个偏压通孔构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列，所述绝缘框132上设置有一个可以容纳偏压板131的通孔，偏压板131固定连接于绝缘框132的通孔内。
所述绝缘板Ⅱ14上设置有绝缘通孔Ⅱ14a和偏压电缆预留空间Ⅰ14b，所述绝缘通孔Ⅱ14a的数量与采样通孔11a的数量相同，多个绝缘通孔Ⅱ构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列。
所述带电粒子收集层15包括导电基板151、带电粒子收集单元152；所述导电基板151上设置有收集单元安置孔151a、偏压电缆预留空间Ⅱ151b，收集单元安置孔151a的数量与采样通孔11a的数量相同，多个收集单元安置孔构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列，所述偏压电缆预留空间Ⅱ151b的位置与偏压电缆预留空间Ⅰ14b的位置对应；所述带电粒子收集单元152包括绝缘筒1521、带电粒子收集筒1522、信号转换元件1523，绝缘筒1521设置有一个可容纳带电粒子收集筒1522的通孔，带电粒子收集筒1522固定连接于绝缘筒1521的通孔内，带电粒子收集筒1522内设置有一个空腔，一端开口，另一端封闭，带电粒子收集筒1522为导电体，用于收集带电粒子所携带的电荷量，信号转换元件1523设置有两个连接端口，一端与带电粒子收集筒1522的封闭端固定连接导通，另一端与导电基板151固定连接导通；所述带电粒子收集单元152的数量与收集单元安置孔151a的数量相同，带电粒子收集单元152固定连接于收集单元安置孔151a内。
所述采样通孔11a、绝缘通孔Ⅰ12a、偏压通孔131a、绝缘通孔Ⅱ14a均为锥形孔，小端朝外；绝缘通孔Ⅰ12a的小端直径大于采样通孔11a的大端直径，偏压通孔131a的小端直径大于绝缘通孔Ⅰ12a的大端直径，绝缘通孔Ⅱ14a的小端直径大于偏压通孔131a的大端直径，所述绝缘通孔Ⅱ14a的大端直径小于带电粒子收集筒1522的开口内径。
所述信号传输电缆2从内到外依次设置有信号传输电缆内导体21、信号传输电缆绝缘层22、信号传输电缆屏蔽层23、信号传输电缆外护层24，所述信号传输电缆2一端的信号传输电缆内导体21与带电粒子收集筒1522固定连接导通，传输电缆2的另一端外接信号采集系统，所述信号传输电缆2的数量与带电粒子收集单元152的数量相同。
所述偏压电缆3从内到外依次设置有偏压电缆内导体31、偏压电缆绝缘层32、偏压电缆屏蔽层33、偏压电缆外护层34，所述偏压电缆3一端的偏压电缆绝缘层32与绝缘板Ⅱ14固定连接，偏压电缆绝缘层32从偏压电缆预留空间Ⅰ14b、偏压电缆预留空间Ⅱ151b穿出，偏压电缆内导体31与偏压板131固定连接导通，偏压电缆3的另一端外接偏压电源。
所述探测板1设置于导电外壳4内，信号传输电缆2、偏压电缆3分别通过导电外壳4的通孔穿出，导电外壳4与采样板11、导电基板151、信号传输电缆屏蔽层23、偏压电缆屏蔽层33固定连接导通，导电外壳4与偏压板131电绝缘。
如图1~图3所示，在本实施例中，导电基板151采用铝材料制成；绝缘板Ⅱ14、绝缘筒1521、绝缘框132均采用氧化铝制成，带电粒子收集筒1522、偏压板131均采用铜制成，采样板11采用石墨制成。
所述的采样通孔数量为25个，采样通孔11a为其中一个，绝缘通孔Ⅰ12a为多个绝缘通孔Ⅰ中的一个，偏压通孔131a 为多个偏压通孔中的一个，绝缘通孔Ⅱ14a为多个绝缘通孔Ⅱ中的一个，多个采样通孔构成的孔阵列为方形，信号转换元件1523为无感电阻，待测的脉冲带电粒子束为氩离子（Ar+）束，导电外壳4接地，偏压电缆3外接-1kV的偏压电源，在探测板1内形成一个电场。
本实用新型的工作原理是，当脉冲带电粒子束从沿采样板11外入射时，采样板11将脉冲带电粒子束分为多个不相邻的区域单元，各区域单元内的脉冲带电粒子束依次穿过采样通孔11a、绝缘通孔Ⅰ12a、偏压通孔131a和绝缘通孔Ⅱ14a到达带电粒子收集筒1522，脉冲带电粒子束与带电粒子收集筒1522内壁产生的次级电子被电场抑制，并被带电粒子收集筒1522吸收，脉冲带电粒子束的电荷被带电粒子收集筒1522收集，信号转换元件1523将带电粒子收集筒1522收集的电荷信号转换为脉冲电压信号，脉冲电压信号通过信号传输电缆2导出到信号采集系统，各区域单元内的脉冲电压信号和采样通孔11a的透过面积可计算出该区域单元内脉冲带电粒子束的束流密度，结合采样通孔11a的空间位置，通过插值可获得整个采样通孔阵列包络区域内脉冲带电粒子束的束流密度分布及其变化过程。
本实用新型的脉冲带电粒子束探测器结构紧凑，各脉冲信号间串扰小，内部电场排除了次级电子的影响，能够探测出脉冲带电粒子束的轮廓及其变化过程，还能准确探测出脉冲带电粒子束束流密度的空间分布情况和时间演变过程。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的采样通孔数量为256个，带电粒子收集筒、偏压板均采用石墨制成。
实施例3
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的采样通孔数量为50个，多个采样通孔构成的孔阵列为圆形。
上述实施例仅是本实用新型的部分实施方式，为了能够更清楚的了解本实用新型，可以改变采样通孔的数量和孔阵列布局，并相应改变绝缘通孔Ⅰ、偏压通孔、绝缘通孔Ⅱ、收集单元安置孔、带电粒子收集单元、信号传输电缆的数量和阵列布局可以得到其他实施例。
Claims (10)
1.一种脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述探测器包括探测板（1）、用于外接信号采集系统的信号传输电缆（2）、用于外接偏压电源的偏压电缆（3）、导电外壳（4）；所述探测板（1）、信号传输电缆（2）、偏压电缆（3）分别与导电外壳（4）固定连接，所述信号传输电缆（2）、偏压电缆（3）分别与探测板（1）固定连接，探测板（1）上设置有采样板（11）、绝缘板Ⅰ（12）、偏压层（13）、绝缘板Ⅱ（14）、带电粒子收集层（15），所述采样板（11）、绝缘板Ⅰ（12）、偏压层（13）、绝缘板Ⅱ（14）、带电粒子收集层（15）依次固定连接；所述探测板（1）上的采样板（22）将待测的脉冲带电粒子束分为多个不相邻的区域单元，探测板（1）上设置有一个由多个带电粒子收集单元构成的阵列，用于收集对应各区域单元中脉冲带电粒子束的电荷量，带电粒子收集单元将电荷量转换为脉冲信号导出到信号采集系统，所述的脉冲信号用于计算脉冲带电粒子束的束流密度分布；所述偏压电缆（3）外接偏压电源，使探测板（1）内形成一个电场，所述的电场用于阻止带电粒子束与探测板（1）内表面作用产生的次级电子溢出探测板（1），排除次级电子对测量的干扰。
2.根据权利要求1所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述采样板（11）上设置有采样通孔（11a），采样通孔（11a）的数量多于一个，多个采样通孔构成一个能使部分带电粒子束通过的孔阵列。
3.根据权利要求1所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述绝缘板Ⅰ（12）上设置有绝缘通孔Ⅰ（12a），绝缘通孔Ⅰ（12a）的数量与采样通孔（11a）的数量相同，多个绝缘通孔Ⅰ构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列。
4.根据权利要求1所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述偏压层（13）包括偏压板（131）、绝缘框（132）；所述偏压板（131）上设置有偏压通孔（131a），偏压通孔（131a）的数量与采样通孔（11a）的数量相同，多个偏压通孔构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列，所述绝缘框（132）上设置有一个可以容纳偏压板（131）的通孔，偏压板（131）固定连接于绝缘框（132）的通孔内。
5.根据权利要求1所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述绝缘板Ⅱ（14）上设置有绝缘通孔Ⅱ（14a）和偏压电缆预留空间Ⅰ（14b），所述绝缘通孔Ⅱ（14a）的数量与采样通孔（11a）的数量相同，多个绝缘通孔Ⅱ构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列。
6.根据权利要求1所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述带电粒子收集层（15）包括导电基板（151）、带电粒子收集单元（152）；所述导电基板（151）上设置有收集单元安置孔（151a）、偏压电缆预留空间Ⅱ（151b），收集单元安置孔（151a）的数量与采样通孔（11a）的数量相同，多个收集单元安置孔构成一个与多个采样通孔对应的孔阵列，所述偏压电缆预留空间Ⅱ（151b）的位置与偏压电缆预留空间Ⅰ（14b）的位置对应；所述带电粒子收集单元（152）包括绝缘筒（1521）、带电粒子收集筒（1522）、信号转换元件（1523），绝缘筒（1521）设置有一个可容纳带电粒子收集筒（1522）的通孔，带电粒子收集筒（1522）固定连接于绝缘筒（1521）的通孔内，带电粒子收集筒（1522）内设置有一个空腔，一端开口，另一端封闭，带电粒子收集筒（1522）为导电体，用于收集带电粒子所携带的电荷量，信号转换元件（1523）设置有两个连接端口，一端与带电粒子收集筒（1522）的封闭端固定连接导通，另一端与导电基板（151）固定连接导通；所述带电粒子收集单元（152）的数量与收集单元安置孔（151a）的数量相同，带电粒子收集单元（152）固定连接于收集单元安置孔（151a）内。
7.根据权利要求1～6中任一所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述采样通孔（11a）、绝缘通孔Ⅰ（12a）、偏压通孔（131a）、绝缘通孔Ⅱ（14a）均为锥形孔；绝缘通孔Ⅰ（12a）的小端直径大于采样通孔（11a）的大端直径，偏压通孔（131a）的小端直径大于绝缘通孔Ⅰ（12a）的大端直径，绝缘通孔Ⅱ（14a）的小端直径大于偏压通孔（131a）的大端直径，所述绝缘通孔Ⅱ（14a）的大端直径小于带电粒子收集筒（1522）的开口内径。
8.根据权利要求1或6所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述信号传输电缆（2）从内到外依次设置有信号传输电缆内导体（21）、信号传输电缆绝缘层（22）、信号传输电缆屏蔽层（23）、信号传输电缆外护层（24），所述信号传输电缆（2）一端的信号传输电缆内导体（21）与带电粒子收集筒（1522）固定连接导通，传输电缆（2）的另一端外接信号采集系统，所述信号传输电缆（2）的数量与带电粒子收集单元（152）的数量相同。
9.根据权利要求1、4、5、6中任一所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述偏压电缆（3）从内到外依次设置有偏压电缆内导体（31）、偏压电缆绝缘层（32）、偏压电缆屏蔽层（33）、偏压电缆外护层（34），所述偏压电缆（3）一端的偏压电缆绝缘层（32）与绝缘板Ⅱ（14）固定连接，偏压电缆绝缘层（32）从偏压电缆预留空间Ⅰ（14b）、偏压电缆预留空间Ⅱ（151b）穿出，偏压电缆内导体（31）与偏压板（131）固定连接导通，偏压电缆（3）的另一端外接偏压电源。
10.根据权利要求8所述的脉冲带电粒子束探测器，其特征在于：所述探测板（1）设置于导电外壳（4）内，信号传输电缆（2）、偏压电缆（3）分别通过导电外壳（4）的通孔穿出，导电外壳（4）与采样板（11）、导电基板（151）、信号传输电缆屏蔽层（23）固定连接导通，导电外壳（4）与偏压板（131）电绝缘。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140730 Termination date: 20170312 |