CN209914162U

CN209914162U - 一种中能大束斑弱流电子的获取装置

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Publication number: CN209914162U
Application number: CN201920447222.6U
Authority: CN
Inventors: 郭盘林
Original assignee: Individual
Current assignee: Shanghai Hangye Vacuum Equipment Technology Co ltd
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2029-04-03

Abstract

本实用新型提供一种中能大束斑弱流电子的获取装置，涉及电子加速器束流控制技术领域，包括加速管，所述加速管连接一电子枪；束线，设置于所述加速管的出口；处理装置，设置于所述束线上，所述处理装置包括：扩束螺线管，设置于所述加速管的出口；第一限束光阑，设置于所述扩束螺线管的出口；第二限束光阑，设置于所述第一限束光阑的出口；束流测量模块，设置于所述束线上；高压钢桶，设置于所述电子枪和所述加速管的外部。本实用新型所产生的电子能量从10‑300千电子伏连续可调，束流强度从几个毫安到几个皮安连续可调；所产生的束流为直流，束斑直径可达数百毫米，束流截面分布均匀且稳定度高。

Description

一种中能大束斑弱流电子的获取装置

技术领域

本实用新型涉及电子加速器束流控制技术领域，尤其涉及一种中能大束斑弱流电子的获取装置。

背景技术

电子源，又称为电子加速器，是使用人工方法把带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。利用这些直接被加速的带电粒子与物质相作用，还可以产生多种带电的和不带电的次级粒子，像γ粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等。根据分类标准不同，电子加速器可以分为许多类型。例如按加速粒子能量不同，可分为低能加速器、中能加速器、高能加速器和超高能加速器；按束流强度不同，可分为强流加速器、中流加速器和弱流加速器。20世纪后期国外开始出现弱流电子源装置，主要用于生物和医学领域、材料科学领域以及空间与航天领域，但出于技术保密的原因，关于弱流电子源装置的相关资料并不对外公开。而国内对于该领域的研究起步较晚，且有关弱流电子源的相关资料很少。

弱流电子源的主要特点是电子能量低、电子流弱，且低能电子很容易受到干扰，很小的磁场就会使电子偏离原来的传输路径，且传输距离越长越容易收到磁场的影响。外界产生的与束流方向垂直的横向磁场容易对束流造成干扰，而沿束流方向的纵向磁场则对束流不造成干扰。干扰磁场造成电子偏转的偏转角的计算公式如下：

tanθ＝BL/(Bρ)

其中，B为平均剩余横向磁场；L为束流的输运线长度；Bρ为电子的磁刚度。

为了减弱束流强度，需要延长束流的输运线长度，从以上公式可以看出，输运线长度的增加会导致电子偏转的偏转角θ增大，从而使得输出的束流的能量下限较高。由此可得，要保证输出的束流具有较大的能量范围，则输出的束流同时具有较高的束流强度；要保证输出的束流具有较弱的束流强度，则输出的束流同时具有较小的能量范围；这一矛盾使得中能弱流电子源成为一个技术难题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种中能大束斑弱流电子的获取装置，具体包括：

加速管，所述加速管连接一电子枪；

束线，设置于所述加速管的出口；

处理装置，设置于所述束线上，所述处理装置包括：

扩束螺线管，设置于所述加速管的出口；

第一限束光阑，设置于所述扩束螺线管的出口；

第二限束光阑，设置于所述第一限束光阑的出口；

束流测量模块，设置于所述束线上；

高压钢桶，设置于所述电子枪和所述加速管的外部。

优选的，所述束线外围包裹有屏蔽筒。

优选的，所述获取装置按照安装地的地磁场方向进行安装。

优选的，所述电子枪采用纯钨丝作为所述电子枪的阴极。

优选的，所述加速管为等梯度加速管。

优选的，所述束流测量模块包括：

法兰第筒，设置于所述加速管与所述扩束螺线管之间；

终端均匀仪，设置于所述第一限束光阑与所述第二限束光阑之间。

优选的，所述目标束流的束流强度的调节方式包括调节所述电子枪的阴极的温度，和/或调节所述电子枪的栅极的电压，和/或调节所述扩束螺线管的聚焦磁场。

优选的，所述扩束螺线管的技术参数根据所述目标束流的参数按照一定规则计算得出。

优选的，所述高压钢桶内还包括：

倍压整流柱，安装于所述高压钢桶的底部法兰上；

负高压平台，设置于所述倍压整流柱的上方；

隔离变压器，安装于所述高压钢桶的顶部法兰上。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1)所产生的电子能量从10-300千电子伏连续可调，束流强度从几个毫安到几个皮安连续可调；

2)所产生的束流为直流，束斑直径可达数百毫米，束流截面分布的不均匀度和不稳定度小于±5％，能量不稳定度小于万分之五；

3)在生物和医学领域、材料科学领域以及空间环境模拟领域有独特的用途。

附图说明

图1为本实用新型的较佳的实施例中，一种中能大束斑弱流电子的获取装置的结构示意图；

图2为本实用新型的较佳的实施例中，一种中能大束斑弱流电子的获取装置的等效电路示意图；

图3为本实用新型的较佳的实施例中，束线真空环境的控制设备的结构示意图；

图4本实用新型的较佳的实施例中，控制模块的结构示意图；

图5本实用新型的一个较佳的实施例中，扩束的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实用新型并不限定于该实施方式，只要符合本实用新型的主旨，则其他实施方式也可以属于本实用新型的范畴。

本实用新型的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种中能大束斑弱流电子的获取装置，如图1和图2所示，具体包括：

电子枪200，用于产生电子流；

加速管300，连接电子枪200，用于对电子流进行加速以获得具有一定能量的束流；

束线400，设置于加速管300的出口，用于根据设置在束线400上的处理装置对束流进行处理以得到目标束流；

处理装置包括：

扩束螺线管401，用于对束流进行聚焦后释放以实现束流的扩束；

第一限束光阑402，设置于扩束螺线管401的出口，用于截取位于边缘位置的束流以获得位于中心区域的目标束流，第一限束光阑402的孔径与目标束流的束斑直径一致；

第二限束光阑403，设置于第一限束光阑402的出口，用于与第一限束光阑402形成一垂直路径以获取垂直发射的所述目标束流，所述第二限束光阑403的孔径与所述目标束流的束斑直径一致；

束流测量模块，设置于束线400上，用于检测束流的束流强度、均匀性和总束流量；

高压钢桶100，设置于电子枪200和加速管300的外部，用于为电子枪200和加速管300提供稳定的使用环境。

具体地，本实施例中，上述电子流经过加速管300加速后得到束流，该束流经由扩束螺线管401聚焦后，经过焦点又散开，漂移一段距离之后，束斑自然增大，此时放置与目标束斑直径一致的第一限束光阑402和第二限束光阑403，选择束流中心区域的较为均匀分布的束流通过，其余边缘束流被阻挡，以此达到获得分布均匀、束流强度弱且满足目标束斑直径的束流的目的。

本实施例中，上述电子枪200和加速管300放置在一个封闭的高压钢桶100内，该高压钢桶100内充以3atm的SF6绝缘气体。绝缘气体是良好的绝缘介质，提高了耐压性；且封闭的高压钢桶100为电子枪200提供了相对稳定的工作环境，既是高压屏蔽罩，又有利于电子流的稳定运行。

本实施例中，电子枪200安装在加速管300的头部，两者的内部为真空环境，外部为3atm的SF6绝缘气体。

本实用新型的较佳的实施例中，束线400外围包裹有屏蔽筒404，用于屏蔽外部的磁场干扰。

具体地，本实施例中，由于本实用新型采用了扩束的方式来获得大束斑，其束流特征是直流，在时间上是连续的，这与通过扫描方式获得大束斑的方式有本质区别，扫描方式获得的大束斑在时间上是不连续的。同时，由于本实用新型采用了扩束的方式来获得大束斑，因此希望束流在扩束之后能够漂移较长的距离，从而让束斑扩展到足够大的尺寸，才能起到通过限束获得弱束流的目的。然而，中能电子的磁刚度很小，极易受到周围散杂磁场的影响而偏离原来的传输路径，传输距离越长越容易收到磁场的影响。因此，为了防止杂散磁场的影响，在束线400外围要包裹屏蔽杂散磁场干扰的高磁导率的屏蔽筒404。进一步地，束线400上的部件选用无磁材料，并选择合适的束线长度。

本实施例中，如图3所示，束线400上还设置有真空室405，用于为电子束流提供真空环境；束线400上还设置有真空计406，用于监控真空室405中的真空压强；束线400上还设置有放气阀407，用于对真空室405进行检漏和充气；束线400上还设置有板阀408，用于保护设置于束线400上的分子泵409；束线400上还设置有电磁阀410，用于对设置于束线400上的前级泵411进行管路转换；束线400上还设置有油污分离器412，用于清除真空室405残余的油蒸汽以及净化真空室405。

本实用新型的较佳的实施例中，获取装置按照安装地的地磁场方向进行安装以减少外部的与束流方向垂直的横向磁场的干扰。

具体地，本实施例中，由于加速器300中束流电子的输运方向极易受外界杂散磁场的干扰，因此采用上述的按照安装地的地磁场方向进行安装。对于易产生干扰磁场的部件，在不影响其功能性的前提下应安装在距离束流轴线较远的位置，以进一步减少干扰磁场的干扰。

本实用新型的较佳的实施例中，电子枪200采用纯钨丝作为电子枪200的阴极。

具体地，本实施例中，上述电子枪200因为弱流的原因，其阴极与阳极之间不存在空间电荷的积累，产生的是热限制流。采用纯钨丝作为电子枪200的阴极，通过调整钨丝温度，并配合栅极电位的方式能够改变发射电子能量，并利用后续的扩束作用进一步对束流进行调节和衰减。

本实用新型的较佳的实施例中，加速管300为等梯度加速管。

具体地，本实施例中，上述等梯度加速管，配备有分压电阻、均匀环以及放电球隙等，不仅有均压作用，还能够有效提高加速管300的整体耐压，并且在束流被加速的过程中不对束流进行较大的聚焦和散角作用，为后续束线400上的处理装置的使用提供了有力条件。

本实用新型的较佳的实施例中，束流测量模块包括：

法兰第筒501，设置于加速管300与扩束螺线管401之间，用于测量扩束前的束流的束流强度；

终端均匀仪502，设置于第一限束光阑402与第二限束光阑403之间，用于测量目标束流的均匀性和总束流量。

具体地，本实施例中，上述法兰地筒501连接一四通道前放，其中，法兰地筒501收集扩束前的束流，四通道前放进行其束流强度的测量；上述终端均匀仪502连接两台弱电流测量仪，其中，终端均匀仪502收集目标束流，两台弱电流测量仪进行均匀性和总束流量的测量。终端均匀仪502在测量时先测量目标束流的均匀性，再测量目标束流的总束流量，以节省测量时间。

本实用新型的较佳的实施例中，目标束流的束流强度的调节方式包括调节电子枪200的阴极的温度，和/或调节电子枪200的栅极的电压，和/或调节扩束螺线管401的聚焦磁场。

具体地，本实施例中，通过上述三种束流强度的调节方式的配合使用，可以实现目标束流的束流强度从几个毫安到几个皮安范围连续可调。

本实用新型的较佳的实施例中，扩束螺线管401的技术参数根据目标束流的参数按照一定规则计算得出。

具体地，本实施例中，上述按照一定规则计算可以为按照高斯分布公式进行计算。由于电子束流截面分布具有高斯分布的特点，因此可以根据高斯分布公式计算得出扩束螺线管401的技术参数。

本实用新型的较佳的实施例中，高压钢桶100内还包括：

倍压整流柱701，安装于高压钢桶100的底部法兰101上，用于为电子枪200的阴极提供负高压电源；

负高压平台702，设置于倍压整流柱701的上方，用于安装为所述电子枪200的阴极、栅极和阳极供电的电源设备。

隔离变压器703，安装于高压钢桶100的顶部法兰102上，用于为电源设备供电。

具体地，本实施例中，如图2所示，电子枪200包括阴极201、栅极202和阳极203，其中，阴极201分别连接由倍压整流柱701提供的负高压电源和由电源设备提供的阴极电源704；栅极202连接由电源设备提供的栅极电源705，阳极203连接由电源设备提供的阳极电源706。本实用新型采用上述负高压电源一次加速电子流到需要的能量。该负高压电源采用倍压整流方式，纹波和不稳定度达到万分之一的水平，从而该获取装置得到的弱流电子的不稳定度也能达到万分之一。

本实施例中，上述高压钢桶100的一侧设置有人孔法兰103，该人孔法兰103拆除后，可以进入高压钢桶100内对负高压平台上的电源设备进行接线等安装工作。上述负高压平台702外部罩有电晕罩，用于提高负高压平台702的耐压。

本实施例中，如图4所示，还包括控制模块1，该控制模块1为PLC控制器，上述控制模块1可分为两部分，一部分设置于高压刚桶100的负高压平台702上，用于控制上述电源设备，并与一控制电脑2之间通过网络交换机3通过光纤4通讯；另一部分设置于地电位5上，用于控制扩束螺线管401和束流测量模块500等设备，并与上述控制电脑2之间通过上述网络交换机3通过光纤4通讯；上述光纤4能够对传输的信号进行高压隔离。

本实用新型的一个较佳的实施例中，要求本实用新型的中能大束斑弱流电子的获取装置的主要技术要求为：能量在10keV-300keV范围内连续可调；束流强度在1.3nA-1.3mA范围内连续可调；束斑直径大于等于100mm；束流不均匀性小于等于±10％；能量不稳定性小于等于0.1％h。

本实施例中，利用扩束螺线管401让电子流急速会聚后急速扩散，再利用第一限束光阑402和第二限束光阑403挡住外围电子流，只允许中心电子通过。其中，扩散的目的是改善束流的均匀度以及衰减束流的束流强度。根据电子束流截面分布具有高斯分布的特点，选择并引出束流中心部分较为均匀的束流。利用如下高斯分布公式计算扩束螺线管401的技术参数：

其中：Z为束流密度；

当x取值为零时，Z取最大值，表示束流密度最大点。

若要使得束流不均匀性小于等于±10％，则需要寻找一个束流密度最小点，使得

(Z_max-Z_min)/(Z_max-Z_min)＝0.1

求解以上方程可得x的取值为0.6335σ。因此可以看出，在-0.6335σ＜x＜0.6335σ区间内，满足束流不均匀性小于等于±10％的技术要求。

根据束斑直径大于等于100mm的技术要求，取束斑直径为100mm，综合上述计算由0.6335σ＝50mm，可得σ≈79mm。由此可知，在-0.6335σ＜x＜0.6335σ区间内的束流占总束流量的比例约为73.6％。

根据束流强度在1.3nA-1.3mA范围内连续可调的技术要求，取束流强度为1.3mA，则根据以下算式计算得出电子枪200的发射电流最小为：1.3mA/0.736＝1.8mA。由此可知，在-2σ＜x＜2σ区间内的束流占总束流量的比例约为97.7％。一般认为这个区间的束流即为总束流量，则经由扩束螺线管401扩束后，在第一限束光阑402之前的束流直径为：4σ≈79mm*4＝316mm。

进一步地，扩束螺线管401的扩束原理如图5所示，扩束螺旋管401的焦点413，焦距为f，扩束距离为L，会聚角为θ，扩束前的束流半径为R1,扩束距离L后的第一限束光阑402的半径为RT，扩束后的束斑扩大为R2。根据以上技术要求，取R1＝5mm，R2＝158mm，则R2/R1＝158/5＝31.6。选取f＝30mm，则根据L/f＝R2/R1得L＝948mm。

由此可得，会聚角θ＝arctanR/L＝arctan158/948≈9.46°。

综上可得，扩束螺线管401采用空心螺线管，长度取100mm，焦距为30mm，已知能量为300keV的电子的磁刚度为21高斯·米，则通过计算可知扩束螺线管401中心最高磁场强度选择800高斯即可达到使用要求。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种中能大束斑弱流电子的获取装置，其特征在于，具体包括：

加速管，所述加速管连接一电子枪；

束线，设置于所述加速管的出口；

处理装置，设置于所述束线上，所述处理装置包括：

扩束螺线管，设置于所述加速管的出口；

第一限束光阑，设置于所述扩束螺线管的出口；

第二限束光阑，设置于所述第一限束光阑的出口；

束流测量模块，设置于所述束线上；

高压钢桶，设置于所述电子枪和所述加速管的外部。

2.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述束线外围包裹有屏蔽筒。

3.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述获取装置按照安装地的地磁场方向进行安装。

4.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述电子枪采用纯钨丝作为所述电子枪的阴极。

5.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述加速管为等梯度加速管。

6.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述束流测量模块包括：

法兰第筒，设置于所述加速管与所述扩束螺线管之间；

7.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述目标束流的束流强度的调节方式包括调节所述电子枪的阴极的温度，和/或调节所述电子枪的栅极的电压，和/或调节所述扩束螺线管的聚焦磁场。

8.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述扩束螺线管的技术参数根据所述目标束流的参数按照一定规则计算得出。

9.根据权利要求1所述的获取装置，其特征在于，所述高压钢桶内还包括：

倍压整流柱，安装于所述高压钢桶的底部法兰上；

负高压平台，设置于所述倍压整流柱的上方；

隔离变压器，安装于所述高压钢桶的顶部法兰上。