CN2491851Y

CN2491851Y - 用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器

Info

Publication number: CN2491851Y
Application number: CN 01246812
Authority: CN
Inventors: 贺朝会; 耿斌; 张前美; 杨海亮; 陈晓华; 李国政; 周辉; 龚建成
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2002-05-15
Anticipated expiration: 2011-07-17

Abstract

本实用新型涉及一种用于测量pA量级质子束流的法拉第探测器。在现有技术中,由于带电粒子在空气中电离产生的电子空穴对和在接收极上产生的二次电子等因素的影响,法拉第筒可测的最小电流在nA量级,不能满足对更低能量级别的测量。本实用新型通过在法拉第筒上设置真空接口,和在法拉第筒内设置高压电极,从而大大降低质子在空气中电离产生的电子空穴对和二次电子发射,从而解决了pA～nA量级质子束流的测量问题。

Description

用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器

本实用新型涉及一种质子束流测量装置，具体说是一种用于测量pA量级质子束流的法拉第探测器。

在现有技术中，法拉第探测器是常用的带电粒子束流强度测量仪器，其结构一般是一个筒状的接收电极，是法拉第首先设计和使用的，因而常被称为法拉第筒。当带电粒子被法拉第筒接收，流经电流计，构成回路，就可测得带电粒子的流强。理论上，有一个带电粒子被接收，就会产生相应的电流。但是，由于带电粒子在空气中电离产生的电子空穴对和在接收极上产生的二次电子的影响，以及电流计测量下限的限制，一般的法拉第筒可测的最小电流在nA量级，不能满足对更低能量级别的测量。

本实用新型的目的在于提供一种能够用于测量pA量级的质子束流，且本底噪声低的法拉第探测器。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器，由法拉第筒3、静电计构成，法拉第筒与静电计构成回路，其特殊之处在于：所述法拉第筒3上设置真空接口1，真空接口1与真空泵连通；法拉第筒3内设置高压电极2。

上述法拉第筒内的高压电极2采用直径为10μm～29μm的钨丝制成的15～25目/cm²的钨网5。

上述法拉第筒3采用金属密封。

上述法拉第筒3与静电计之间采用三同轴低噪声电缆连接。

上述法拉第筒3上设置真空计探头4。

上述静电计与计算机通过IEEE488卡相连，可实现远距离控制、测量和数据处理。

下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明：

图1为现有技术中法拉第探测器的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型沿A-A的剖面图；

图4为本实用新型的连接方框图；

图5为本实用新型在实验中测到的质子束流；

本实用新型的附图标号说明如下：

1—真空接口， 2—高压接头， 3—法拉第筒，4—真空计探头，

5—钨网，6—接收极， 7—光阑，

参见图1、法拉第探测器是常用的带电粒子束流强度测量仪器。在现有技术中，其结构一般就是一个筒状的接收电极，是法拉第首先设计和使用的，因而常被称为法拉第筒。带电粒子被法拉第筒接收，流经电流计，构成回路，就可测得带电粒子的流强。理论上，有一个带电粒子被接收，就会产生相应的电流。但是，由于带电粒子在空气中电离产生的电子空穴对和在接收极上产生的二次电子的影响，以及电流计测量下限的限制，一般的法拉第筒可测的最小电流在nA量级。

参见图2，探测器的法拉第筒3上设置真空接口1，和真空计探头4。真空接口1与真空泵连通。而法拉第筒3采用金属密封，以利于快速抽成真空，从而大大降低质子在空气中电离产生的电子空穴对。例如：30MeV的质子在空气中的阻止本领为2.046eV/μm，而空气的电离能为33.75eV。一个30MeV的质子在空气中飞行1mm，产生的电子空穴对大约60个。若入射质子数为10⁷/s，那么在接收极前1mm的距离上产生大量的电子空穴对，淹没了要测量的质子。因此，必须抽真空，以减少质子在空气中电离产生的电子空穴对。如真空度从1个大气压(atm)变为1Pa，产生的电子空穴对将降低5个量级，所以通过改进法拉第探测器的设计，降低其本底噪声，并采取屏蔽措施，降低测量装置的噪声，提高整个系统的信噪比，使其能够测量10^-13A～mA强度的质子束流。

参见图3，探测器的法拉第筒内的高压电极2采用直径为10μm～29μm的钨丝制成的15～25目/cm²的钨网5。例如：当法拉第筒3的高压电极采用直径为29μm的钨丝做成的20目/cm²的钨网，对5MeV质子的透过率大于95％。通过加负高压来抑制质子打到接收极上产生的二次电子的发射。测量结果如下：当100个31.9MeV质子打在接收极(AL)上产生的二次电子约为8.6个；100个28.1MeV质子打在接收极(AL)上产生的二次电子约为9.5个；100个23.7MeV质子打在接收极(AL)上产生的二次电子约为10.9个。从而表明：质子能量越低，产生的二次电子越多，导致的误差越大。本实用新型通过加负高压抑制二次电子的发射，可以减小测量误差。接收极的厚度大于35MeV质子的射程，入射质子可全部通过被接收极接收。当质子束流较强时，减小光阑7直径，防止电流超量程；当质子束流较弱时，增大光阑7直径，保证足够的质子被接受，电流满足静电计的测量范围。

为了提高精度，探测器与静电计之间通过SC-22三同轴低噪声电缆连接，以提高信噪比。本装置的本底电流仅为10^-14A量级，完全满足pA量级质子束流的测量；可测最大电流达mA量级，解决了pA～nA量级质子束流的测量问题。

本实用新型可用于pA量级质子束流及其他带电粒子束流的测量，校准束流积分器和磁感应线圈法的测量结果。测量方法可推广应用于弱小电流、电压等电信号的测量。

参见图4，法拉第探测器由法拉第筒、静电计、高压源、真空泵、真空计及计算机组成。通过法拉第探测器收集入射质子，用静电计测量质子束流大小，静电计再与计算机通过IEEE488卡相连，可实现远距离控制、测量和数据处理。例如：用Visual Basic语言编制数据处理软件，该软件可在Windows环境下运行，具有良好的用户界面。软件由数据采集、数据处理和绘图、打印、输出三大功能模块构成。具有数值积分功能，可直接给出总的质子注量。

参见图5，实验中测到的质子束流；实验在中国科学院高能物理所的质子加速器上进行的。加速器的质子束流太强，我们通过散射法降低束流。用法拉第探测器测量散射后的质子束流。实验中，法拉第探测器的真空度为1Pa，使得空气电离对测量结果的影响小于1.28％；高压为-1200V，可完全抑制二次电子。实验测到了pA量级的质子束流。

本实用新型相对与现有技术，其优点如下：

1、测量系统由法拉第探测器、静电计、高压源、真空泵、真空计及计算机组成。通过法拉第探测器收集入射质子，用静电计测量探测器输出电流，由计算机进行数据处理，自动化程度高。

2、在一般法拉第筒的基础上设计真空系统和高压电极，降低法拉第探测器的本底噪声。探测器与静电计之间通过三同轴低噪声电缆连接，以提高信噪比。系统的本底电流仅为10^-14A量级，解决了pA～nA量级质子束流的测量问题。

3、法拉第探测器对γ辐射不灵敏，不存在辐射损伤，可以在加速器的γ、质子混合场中测量，不影响测量精度。

4、一般加速器用于束流测量的束流积分器和磁感应线圈法，测量范围在nA～A量级，而金硅面垒和锂漂移等半导体探测器，测量质子束流的最大流强为10^-14A。对于半导体探测器，束流太强，一方面，造成脉冲堆积，死时间增加，误差增大；另一方面，强流质子束对半导体探测器的辐射损伤比较严重。对于10^-13A～nA质子束流，国内没有现成的测量仪器和方法。该系统填补了国内在10^-13A～nA质子束流强度测量的空档。

Claims

1、一种用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器，由法拉第筒(3)、静电计构成，法拉第筒与静电计构成回路，其特征在于：所述法拉第筒(3)上设置真空接口(1)，真空接口(1)与真空泵连通；法拉第筒(3)内设置高压电极(2)。

2、根据权利要求1所述的用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器，其特征在于：上述法拉第筒内的高压电极(2)采用直径为10μm～29μm的钨丝制成的15～25目/cm²的钨网(5)。

3、根据权利要求1或2所述的用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器，其特征在于：上述法拉第筒(3)采用金属密封。

4、根据权利要求3所述的用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器，其特征在于：上述法拉第筒(3)与静电计之间采用三同轴低噪声电缆连接。

5、根据权利要求3所述的用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器，其特征在于：上述法拉第筒(3)上设置真空计探头(4)。

6、根据权利要求3所述的用于pA量级质子束流测量的法拉第探测器，其特征在于：上述静电计与计算机通过IEEE488卡相连，可实现远距离控制、测量和数据处理。