CN110703293B - 一种单个离子实时监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单个离子实时监测装置及方法，该装置包括：屏蔽外壳，其上形成有入射口和出射口；电子发射膜，沿径向设置在屏蔽外壳内，用于在入射离子轰击下产生出射电子；两电场均压环阵列，对称设置在电子发射膜的两侧，用于提供大面积的均匀电场；两位置灵敏探测器，对称在两电场均压环阵列的外侧，用于探测电子发射膜产生的出射电子，以获得出射电子的落点位置和到达时刻；两永磁体，对称在两位置灵敏探测器的外侧，用于提供轴向磁场。本发明可实现高精度、高灵敏度的单离子在线监测，为单粒子效应地面模拟实验提供精确的离子事件信息，解决目前单粒子效应研究实验中离子注量测量误差较大的问题，提高实验的准确性和可靠性。

Description

一种单个离子实时监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种微弱离子束的实时监测装置及方法，具体涉及一种用于单粒子效应地面重离子加速器模拟实验中的单个离子实时监测装置及方法。
背景技术
利用重离子加速器进行单粒子效应实验是在地面上再现空间辐射环境的过程，其结果是否真实有效取决于所采用的实验装置和实验方法。离子注量是获得单粒子事件截面所必需的参数，其测量精度直接影响单粒子事件截面的计算精度。单粒子实验采用的束流强度一般很弱(～103-106ions/cm2·s)，且需要在线监测，这给离子注量的测量带来了一定的难度。
目前，单粒子效应地面重离子加速器模拟实验中常用的离子注量探测器有闪烁体探测器、固体径迹探测器和气体探测器等。闪烁体探测器的基本原理是入射粒子穿过闪烁体薄膜时发光，借助椭球面的反射罩将光收集到光电倍增管的光阴极，光电子倍增后在阳极获得一个电流脉冲，脉冲的幅度将正比于粒子在薄膜中沉积的能量，脉冲的数目相当于入射的粒子数。固体径迹探测器使用聚碳酸酯(PC)薄膜，将薄膜根据芯片尺寸开孔后贴于器件前面，与器件一起辐照并在实验完毕后进行离线处理。离线处理时首先经过化学蚀刻使粒子径迹蚀刻到适当大小，然后用扫描电镜观测，获得单位面积的离子数。气体探测器的基本原理是入射离子束穿过气体探测器，使路径上的气体电离，电离产生的电子在附近某一金属丝的电场中形成雪崩式的电离增殖，利用专门的电子学***探测放电产生的脉冲信号，即可得到离子的位置和时间等信息。
虽然利用闪烁体探测器可以监测较弱的束流，并且实现了束流的在线监测，但这种方法误差较大，其误差主要来自于探测器的噪声、误计数、漏计数以及靶室环境的干扰。固体径迹探测器的理论探测效率可以达到100％，但是其离线处理的方式不能满足实验需要在线监测的要求。此外，闪烁体探测器不能给出粒子的位置，而固体径迹探测器虽能给出粒子的总***置分布，但不能给出每个离子的位置信息。气体探测器虽然可以同时得到入射离子的位置和时间信息，但其测量时需阻挡束流，属于离线式监测方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于单粒子效应地面重离子加速器模拟实验中的单个离子实时监测装置及方法，其采用符合测量和位置灵敏探测器技术研制，可以同时监测离子注量、单个入射离子的位置和时间信息。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单个离子实时监测装置，包括：屏蔽外壳，所述屏蔽外壳上形成有入射口和出射口；电子发射膜，沿径向设置在所述屏蔽外壳内，用于在入射离子轰击下产生出射电子，且所述屏蔽外壳的入射口和出射口连线穿过所述电子发射膜；电场均压环阵列，两所述电场均压环阵列对称设置在所述电子发射膜的两侧，用于提供大面积的均匀电场；位置灵敏探测器，两所述位置灵敏探测器对称在两所述电场均压环阵列的外侧，用于探测所述电子发射膜产生的出射电子，以获得出射电子的落点位置和到达时刻；永磁体，两所述永磁体对称在两所述位置灵敏探测器的外侧，用于提供轴向磁场，以约束出射电子沿磁场方向螺旋前进。
所述的单个离子实时监测装置，优选的，所述电场均压环阵列提供的电场方向和所述永磁体提供的磁场方向均垂直于所述电子发射膜。
所述的单个离子实时监测装置，优选的，所述电子发射膜选用纯碳膜、纯铝膜、镀NaI的铝膜或镀CsI的铝膜。
所述的单个离子实时监测装置，优选的，所述电场均压环阵列由若干层叠的均压环组成，相邻的均压环之间通过高精度电阻相连。
所述的单个离子实时监测装置，优选的，所述位置灵敏探测器采用基于微通道板的二维位置灵敏探测器。
所述的单个离子实时监测装置，优选的，所述屏蔽外壳为软铁外壳，用于为所述永磁体的磁场提供磁力线回路。
一种单离子实时监测方法，采用上述的单个离子实时监测装置，该方法包括如下步骤：
1)将所述电子发射膜接负高压，同时将两所述位置灵敏探测器的阳极接地，并将待测样品放置在所述屏蔽外壳的出射口附近；
2)将入射重离子沿某一角度从所述屏蔽外壳的入射***入单离子实时监测装置内部，所述入射重离子穿过所述电子发射膜后继续沿直线从所述屏蔽外壳的出射口穿出单离子实时监测装置，最终被阻止在所述待测样品中；
3)当所述入射重离子穿过所述电子发射膜时，会在入射重离子落点位置处的所述电子发射膜中沉积能量，使得所述电子发射膜的入射表面和出射表面分别产生后向出射电子和前向出射电子；
4)所述前向出射电子和后向出射电子在所述屏蔽外壳内电场和磁场的共同引导下分别飞向所述电子发射膜两侧的所述位置灵敏探测器4并被探测，然后分别记录为落点位置和落点位置；
5)最后通过所述落点位置或落点位置反推出所述入射重离子在所述电子发射膜上的落点位置和到达时刻，进而沿所述入射重离子的入射方向并通过所述落点位置的直线推算出所述入射重离子在所述待测样品上的落点位置，同时通过所述入射重离子的速度和所述待测样品相对于单离子实时监测装置的位置推算出所述入射重离子到达所述待测样品的到达时刻。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可实现高精度、高灵敏度的单离子在线监测，为单粒子效应地面模拟实验提供精确的离子事件信息(包括总注量信息、每个离子的到达时刻和到达位置)，解决目前单粒子效应研究实验中离子注量测量误差较大的问题，提高实验的准确性和可靠性。2、本发明的两个位置灵敏探测器是独立工作的，只有两个位置灵敏探测器近乎同时有信号才视为一个有效计数(符合测量)，这与只采用单个探测器的方法相比能大大降低误计数率，同时大大提高其抗干扰能力。并且，由于出射电子在装置内的飞行时间很短，一般在纳秒量级，因此该装置可以精确地获知离子的到达时刻；另外，加之该装置内电磁场的约束作用，出射电子在位置灵敏探测器上的落点弥散很小，因此该装置可以精确获知离子的到达位置。
附图说明
图1是本发明单个离子实时监测装置的结构示意图；
图2是本发明单个离子实时监测方法的原理示意图。
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。
如图1所示，本发明提供的单离子实时监测装置，包括：屏蔽外壳6，屏蔽外壳6上形成有入射口和出射口；电子发射膜2，沿径向设置在屏蔽外壳6内，用于在入射离子轰击下产生出射电子，且屏蔽外壳6的入射口和出射口连线穿过电子发射膜2；电场均压环阵列3，两电场均压环阵列3对称设置在电子发射膜2的两侧，用于提供大面积的均匀电场；位置灵敏探测器4，两位置灵敏探测器4对称在两电场均压环阵列3的外侧，用于探测电子发射膜2产生的出射电子，以获得出射电子的落点位置和到达时刻；永磁体5，两永磁体5对称在两位置灵敏探测器4的外侧，用于提供轴向磁场，以约束出射电子沿磁场方向螺旋前进，提高位置分辨。
在上实施例中，优选的，电场均压环阵列3提供的电场方向和永磁体5提供的磁场方向均垂直于电子发射膜2，以简化入射离子位置的推算过程。
在上实施例中，优选的，电子发射膜2可选用纯碳膜、纯铝膜、镀NaI的铝膜或镀CsI的铝膜等。
在上实施例中，优选的，电场均压环阵列3由若干层叠的均压环组成，相邻的均压环之间通过高精度电阻相连。
上述实施例中，优选的，位置灵敏探测器4采用基于微通道板(MCP)的二维位置灵敏探测器。
在上实施例中，优选的，屏蔽外壳6为软铁外壳，用于为永磁体5的磁场提供磁力线回路，减小磁场泄露，防止其磁场影响装置附件的其它设备。
基于上述实例中提出的单离子实时监测装置，本发明还提出了一种单离子实时监测方法，包括如下步骤：
1)将电子发射膜2接负高压，同时将两位置灵敏探测器4的阳极接地，并将待测样品7放置在屏蔽外壳6的出射口附近；
2)将入射重离子1沿某一角度从屏蔽外壳6的入射***入单离子实时监测装置内部，入射重离子1穿过电子发射膜2后继续沿直线从屏蔽外壳6的出射口穿出单离子实时监测装置(屏蔽外壳6内电场和磁场对入射重离子1的偏转可以忽略)，最终被阻止在待测样品7中；
3)当入射重离子1穿过电子发射膜2时，会在入射重离子落点位置11处的电子发射膜2中沉积能量，使得电子发射膜2的入射表面和出射表面分别产生后向出射电子和前向出射电子；
4)前向出射电子和后向出射电子在屏蔽外壳6内电场和磁场的共同引导下分别飞向电子发射膜2两侧的位置灵敏探测器4并被探测，然后分别记录为落点位置12和落点位置13；
5)最后通过落点位置12或13可反推出入射重离子1在电子发射膜2上的落点位置11和到达时刻，进而沿入射重离子1的入射方向并通过落点位置11的直线推算出入射重离子1在待测样品7上的落点位置14，同时通过入射重离子1的速度和待测样品7相对于单离子实时监测装置的位置推算出入射重离子1到达待测样品7的到达时刻。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，例如各部件的外观尺寸、磁场的提供方式、探测器的种类、组装后的几何结构等，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种单个离子实时监测装置，其特征在于，包括：
屏蔽外壳(6)，所述屏蔽外壳(6)上形成有入射口和出射口；
电子发射膜(2)，沿径向设置在所述屏蔽外壳(6)内，用于在入射离子轰击下产生出射电子，且所述屏蔽外壳(6)的入射口和出射口连线穿过所述电子发射膜(2)；
电场均压环阵列(3)，两所述电场均压环阵列(3)对称设置在所述电子发射膜(2)的两侧，用于提供大面积的均匀电场；
位置灵敏探测器(4)，两所述位置灵敏探测器(4)对称在两所述电场均压环阵列(3)的外侧，用于探测所述电子发射膜(2)产生的出射电子，以获得出射电子的落点位置和到达时刻；
永磁体(5)，两所述永磁体(5)对称在两所述位置灵敏探测器(4)的外侧，用于提供轴向磁场，以约束出射电子沿磁场方向螺旋前进。
2.根据权利要求1所述的单个离子实时监测装置，其特征在于，所述电场均压环阵列(3)提供的电场方向和所述永磁体(5)提供的磁场方向均垂直于所述电子发射膜(2)。
3.根据权利要求1所述的单个离子实时监测装置，其特征在于，所述电子发射膜(2)选用纯碳膜、纯铝膜、镀NaI的铝膜或镀CsI的铝膜。
4.根据权利要求1所述的单个离子实时监测装置，其特征在于，所述电场均压环阵列(3)由若干层叠的均压环组成，相邻的均压环之间通过高精度电阻相连。
5.根据权利要求1所述的单个离子实时监测装置，其特征在于，所述位置灵敏探测器(4)采用基于微通道板的二维位置灵敏探测器。
6.根据权利要求1所述的单个离子实时监测装置，其特征在于，所述屏蔽外壳(6)为软铁外壳，用于为所述永磁体(5)的磁场提供磁力线回路。
7.一种单离子实时监测方法，采用权利要求1到6任一项所述的单个离子实时监测装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)将所述电子发射膜(2)接负高压，同时将两所述位置灵敏探测器(4)的阳极接地，并将待测样品(7)放置在所述屏蔽外壳(6)的出射口附近；
2)将入射重离子(1)沿某一角度从所述屏蔽外壳(6)的入射***入单离子实时监测装置内部，所述入射重离子(1)穿过所述电子发射膜(2)后继续沿直线从所述屏蔽外壳(6)的出射口穿出单离子实时监测装置，最终被阻止在所述待测样品(7)中；
3)当所述入射重离子(1)穿过所述电子发射膜(2)时，会在入射重离子第一落点位置(11)处的所述电子发射膜(2)中沉积能量，使得所述电子发射膜(2)的入射表面和出射表面分别产生后向出射电子和前向出射电子；
4)所述前向出射电子和后向出射电子在所述屏蔽外壳(6)内电场和磁场的共同引导下分别飞向所述电子发射膜(2)两侧的所述位置灵敏探测器(4)并被探测，然后分别记录为第二落点位置(12)和第三落点位置(13)；
5)最后通过所述第二落点位置(12)或第三落点位置(13)反推出所述入射重离子(1)在所述电子发射膜(2)上的第一落点位置(11)和到达时刻，进而沿所述入射重离子(1)的入射方向并通过所述第一落点位置(11)的直线推算出所述入射重离子(1)在所述待测样品(7)上的第四落点位置(14)，同时通过所述入射重离子(1)的速度和所述待测样品(7)相对于单离子实时监测装置的位置推算出所述入射重离子(1)到达所述待测样品(7)的到达时刻。
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