CN110879409B - 一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，包括若干根连接杆、上游接地电极板、下游接地电极板及均包含一绝缘基板的上游二次电子抑制电极板、束流收集板、下游二次电子抑制电极板、阻挡式接地电极板和阻挡式二次电子抑制电极板。本发明公开的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，可应用于如生物和材料改性辐照实验、生物制品生产、粒子辐射育种、核孔膜生产等相关物理实验及工业生产过程中带电粒子束密度分布的监测以及需要精确控制和实时监视束流的密度分布等场合。

Description

一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器
技术领域
本发明涉及一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器。
背景技术
总电流强度为I的粒子束辐照在面积为A的区域上，则该粒子束的平均束流密度
Figure GDA0002997267080000011
若通过区域A中任意一点p的小邻域(该小邻域的面积为σ)的流强为Iσ，则该点p上的束流密度为ρ(p)≈Iσ/σ。由于束流的不均匀性，区域A中任意一点上的束流密度ρ(p)总是偏离平均束流密度
Figure GDA0002997267080000012
参数束流密度分布反映带电粒子的均匀性及其强度，在科学实验和工业生产中，通常需要将束流均匀地辐照到样品或产品上，因此束流密度分布至关重要。
很多情况下，辐照在样品上的束流通常是经过电场、磁场等扫描装置后形成的宽幅扁平束。一般地，扫描束流的包络范围高约几毫米到几厘米，宽约几厘米至一两米。目前通常采用法拉第筒阵列探测器、荧光靶或荧光屏探测器、固体径迹探测器、气体探测器等探测器作为测量设备对这种宽幅扁平束的束流密度进行测量。然而，法拉第筒阵列探测器在辐照样品时，无法实时监测束流的密度分布且其位置分辨较差(一般各个法拉第筒的排布周期在厘米量级)的问题。由于荧光强度与粒子的种类、能量、电荷态等因素相关，即便对于相同种类、相同能量的粒子，荧光强度并不严格正比于束流强度，经刻度后只能给出大致的束流密度分布，当流强很强(微安量级以上)时，荧光材质寿命短且发光强度趋于饱和；当流强很弱(皮安量级以下)时，荧光光强很弱和易受杂散光影响大而导致测量不准。此外，荧光靶或荧光屏探测器在辐照样品时也存在无法实时监测束流的密度分布的问题。固体径迹探测器不仅离线蚀刻步骤繁琐、耗时较长、而且获得的束流密度分布信息严重滞后，并由此导致在辐照样品时也无法实时监测束流的密度分布。
综上所述，目前现有的探测器在辐照样品时都无法实时探测带电粒子束的密度分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，用以解决现有探测器在辐照样品时无法实时监测束流的密度分布的问题。
本发明提供一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，包括若干根连接杆、上游接地电极板、下游接地电极板及均包含一绝缘基板的上游二次电子抑制电极板、束流收集板、下游二次电子抑制电极板、阻挡式接地电极板和阻挡式二次电子抑制电极板，所述束流收集板的绝缘基板的上部和下部分别设置为束流收集通行板部和束流收集阻挡板部；多根所述连接杆穿过从左至右依次平行设置的所述上游接地电极板、所述上游二次电子抑制电极板、所述束流收集通行板部、所述下游二次电子抑制电极板和所述下游接地电极板将其连成一体形成通行式探头装置；多根所述连接杆穿过从所述阻挡式接地电极板、所述阻挡式二次电子抑制电极板和所述束流收集阻挡板部将其连成一体形成阻挡式探头装置。
优选地，所述束流收集通行板部上设置有细长条形的束流过孔，所述束流收集通行板部的束流过孔的两侧平行设置有上排X电极阵列和下排X电极阵列；所述束流收集阻挡板部上设置有相互垂直的水平电极阵列和竖直电极阵列；所述上排X电极阵列、所述下排X电极阵列、所述水平电极阵列和所述竖直电极阵列均有多个间隔均匀的收集电极；所述束流收集板的绝缘基板上设置有四个信号引出接口，所述水平电极阵列、所述竖直电极阵列、所述上排X电极阵列和所述下排X电极阵列的收集电极分别通过信号线汇集于四个所述信号引出接口。
优选地，所述上游二次电子抑制电极板和所述下游二次电子抑制电极板的绝缘基板上均设置有便于粒子束流通过的细长条形的束流过孔，所述上游二次电子抑制电极板、所述下游二次电子抑制电极板还均包括固定边框和加载电压电极，所述加载电压电极铺设于所述上游二次电子抑制电极板和所述下游二次电子抑制电极板的绝缘基板上，所述固定边框套设于所述绝缘基板的四周边缘。
优选地，所述阻挡式二次电子抑制电极板的绝缘基板上设置有阻挡式加载电压电极，所述阻挡式加载电压电极包括密集丝网和丝网边框，所述密集丝网由多条金属丝平行编织成，所述密集丝网的两端固定于所述丝网边框的两侧。
优选地，所述上游二次电子抑制电极板上的束流过孔的孔径高度大于所述束流收集通行板部上的束流过孔的孔径高度，但小于所述下游二次电子抑制电极板上的束流过孔的孔径高度；所述下游接地电极板和所述下游二次电子抑制电极板上的束流过孔的孔径高度相等，且都大于所述束流收集通行板部上的束流过孔的孔径高度。
优选地，所述水平电极阵列、所述上排X电极阵列和所述下排X电极阵列上均设置遮挡件阵列，所述遮挡件阵列包括多个遮挡件，所述遮挡件包括固定片、连接片和遮挡片，所述遮挡片和所述固定片分别固定于所述连接片的顶端和底端且分设与所述连接片的两侧；其中，所述固定片、所述连接片和所述遮挡片均采用能导电的金属材质，所述遮挡片的厚度大于带电粒子在该金属中的射程，所述固定片、所述连接片和所述遮挡片的长度与收集电极的长度相等，宽度大于相邻收集电极间隙的绝缘件；所述固定片固定于收集电极时，所述遮挡片正好挡住相邻收集电极的间隙；多个所述遮挡件的固定片从左至右依次设置于所述水平电极阵列、所述上排X电极阵列或所述下排X电极阵列收集电极时，所述遮挡片正好挡住相邻收集电极之间的间隙。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，包括通行式探头装置和阻挡式探头装置，其中阻挡式探头装置可获得二维流强分布信息，通行式探头装置可在辐照样品的同时实时监测束流在扫描方向上的密度分布，同时设计了二次电子抑制电极和接地电极，能有效抑制带电粒子束轰击在束流收集板收集电极上逃逸的二次电子，确保测量的准确度。本发明公开的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，可应用于如生物和材料改性辐照实验、生物制品生产、粒子辐射育种、核孔膜生产等相关物理实验及工业生产过程中带电粒子束密度分布的监测以及需要精确控制和实时监视束流的密度分布等场合。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的束流收集板的俯视图；
图3为本发明实施例1提供的遮挡件阵列的俯视图；
图4为本发明实施例1提供的遮挡件的结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的通行式探头装置中的上游二次电子抑制电极或下游二次电子抑制电极的俯视图；
图6为本发明实施例1提供的上游接地电极板或下游接地电极板的正视图；
图7为本发明实施例1提供的阻挡式探头装置中的二次电子抑制电极丝网板的俯视图；
图8为本发明实施例1提供的通行式探头装置工作状态时探测器的工作原理示意图；
图9为本发明实施例1提供的阻挡式探头装置工作状态时探测器的工作原理示意图。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，下面对其结构进行详细描述。
参考图1、图8和图9，该带电粒子束密度分布实时探测器包括若干根连接杆6、上游接地电极板1、上游二次电子抑制电极板2、束流收集板3、下游二次电子抑制电极板4、下游接地电极板5、阻挡式接地电极板7和阻挡式二次电子抑制电极板8。其中，上游接地电极板1和下游接地电极板5为能导电的金属板，上游二次电子抑制电极板2、束流收集板3、下游二次电子抑制电极板4、阻挡式接地电极板7和阻挡式二次电子抑制电极板8均包含一绝缘基板100。
束流收集板3的绝缘基板100的上部和下部分别设置为束流收集通行板部31和束流收集阻挡板部32。
上游接地电极板1、上游二次电子抑制电极板2、束流收集板3、下游二次电子抑制电极板4、下游接地电极板5从左至右依次平行设置，且上游接地电极板1、上游二次电子抑制电极板2、束流收集通行板部31、下游二次电子抑制电极板4和下游接地电极板5的形状和大小都相同，上游接地电极板1、上游二次电子抑制电极板2、束流收集通行板部31、下游二次电子抑制电极板4和下游接地电极板5的四周的相应位置上间隔设置有通行部连接杆孔，多根连接杆6穿过通行部连接杆孔将上游接地电极板1、上游二次电子抑制电极板2、束流收集板3的束流收集通行板部31、下游二次电子抑制电极板4和下游接地电极板5连成一体形成通行式探头装置；
阻挡式接地电极板7、阻挡式二次电子抑制电极板8和束流收集阻挡板部32的形状和大小都相同且相互平行，阻挡式接地电极板7、阻挡式二次电子抑制电极板8和束流收集板3的束流收集阻挡板部32的四周的相应位置上间隔设置有阻挡部连接杆孔，连接杆6穿过阻挡部连接杆孔将阻挡式接地电极板7、阻挡式二次电子抑制电极板8和束流收集板3的束流收集阻挡板部32连成一体形成阻挡式探头装置。
参考图2，束流收集通行板部31上设置有便于粒子束流通过的细长条形的束流过孔9，束流收集通行板部31的束流过孔9的两侧平行设置有上排X电极阵列311和下排X电极阵列312，上排X电极阵列311和下排X电极阵列312分别包括多个用于收集上排X方向的电荷的电极和下排X方向的电荷的电极，上排X方向的电荷的每个电极和下排X方向的电荷的每个电极的宽度都相等。
束流收集阻挡板部32上设置有相互垂直的水平电极阵列321和竖直电极阵列322，水平电极阵列321包括多个用于收集水平X方向的电荷的电极，以读取入射束流的X方向束流密度分布投影，竖直电极阵列322包括多个用于收集竖直Y方向的电荷的电极，以读取入射束流的Y方向束流密度分布投影；其中收集Y方向的电荷电极采用金属丝，该金属丝的直径通常在几百微米到毫米量级，需根据探头灵敏区的宽度和入射束流的透过率选取。
上排X电极阵列311、下排X电极阵列312、水平电极阵列321和竖直电极阵列322均有多个间隔均匀的收集电极，相邻收集电极之间的间隙设置有绝缘件。
束流收集板3的绝缘基板100上设置有四个信号引出接口33，水平电极阵列321、竖直电极阵列322、上排X电极阵列311和下排X电极阵列312的收集电极分别通过信号线汇集于四个信号引出接口33的电极接口，多个信号引出接口33的电极接口分别单独与多个皮安计相连，电流大小由与该皮安计读出。
为了避免强束流对束流收集板上的水平电极阵列321、上排X电极阵列311和下排X电极阵列312的收集电极和收集电极间绝缘件的损伤，延长束流收集板的使用寿命。水平电极阵列321、上排X电极阵列311和下排X电极阵列312所在的绝缘基板100上均设置遮挡件阵列，如图3所示，遮挡件阵列包括多个遮挡件300。
参考图4，遮挡件300包括固定片301、连接片302和遮挡片303，遮挡片303和固定片301分别固定于连接片302的顶端和底端且分设与连接片302的两侧，其中，固定片301、连接片302和遮挡片303均采用能导电的金属材质，遮挡片303的厚度大于带电粒子在该金属中的射程，固定片301、连接片302和遮挡片303的长度与收集电极的长度相等，宽度大于相邻收集电极之间的间隙。
固定片301设置有安装孔，固定片301固定于收集电极，遮挡片303正好挡住相邻收集电极的间隙。
多个遮挡件300的固定片301从左至右依次设置于水平电极阵列321、上排X电极阵列311或下排X电极阵列312收集电极时，遮挡片303正好挡住相邻收集电极之间的间隙。
优选的，固定片301、连接片302和遮挡片303的长度、宽度和厚度都相等，且固定片301、连接片302和遮挡片303一体成型。
参考图5，上游二次电子抑制电极板2和下游二次电子抑制电极板4的绝缘基板100的中部均设置有便于粒子束流通过的细长条形的束流过孔9，上游二次电子抑制电极板2、下游二次电子抑制电极板4还均包括固定边框21和加载电压电极22，加载电压电极22为覆铜金属面，加载电压电极22铺设于上游二次电子抑制电极板2和下游二次电子抑制电极板4的绝缘基板100上，固定边框21为覆铜金属边框，上游二次电子抑制电极板2、下游二次电子抑制电极板4的固定边框21分别套设于各自的绝缘基板100的四周边缘。
为了抑制束流轰击电荷收集电极发射出的二次电子，保证测量的准确度，上游二次电子抑制电极板2和下游二次电子抑制电极板4均用于外接加载电压。
参考图6，上游接地电极板1和下游接地电极板5的金属板上均设置有便于粒子束流通过的细长条形的束流过孔9，上游接地电极板1和下游接地电极板5均接地，以限制二次电子抑制电极的加载电压引起电荷的电场。
优选地，上游二次电子抑制电极板2上的束流过孔9的孔径高度大于束流收集通行板部31上的束流过孔9的孔径高度，但小于下游二次电子抑制电极板4上的束流过孔9的孔径高度；下游接地电极板5和下游二次电子抑制电极板4上的束流过孔9的孔径高度相等，且都大于束流收集通行板部31上的束流过孔9的孔径高度。
参考图7，阻挡式二次电子抑制电极板8的绝缘基板100上设置有阻挡式加载电压电极，阻挡式加载电压电极包括金属丝网81和丝网边框82，金属丝网81由多条金属丝平行编织成，金属丝网81的两端固定于丝网边框82的两侧。其中金属丝网81的平行编织的相邻金属丝之间设有供带电粒子束流通的间隙，阻挡式二次电子抑制电极板8的金属丝网81用于外接加载电压；束流收集阻挡板部32的绝缘基板100密实无孔，以阻挡粒子束的通过。
为了组装固定的方便，阻挡式二次电子抑制电极板8的绝缘基板100边缘设置有固定边框21，固定边框21为覆铜金属边框。
阻挡式接地电极板7的绝缘基板100上设置有接地电极，接地电极包括金属丝网81和丝网边框82，金属丝网81由多条金属丝平行编织成，金属丝网81的两端固定于丝网边框82的两侧。其中金属丝网81的平行编织的相邻金属丝之间设有供带电粒子束流通的间隙，阻挡式接地电极板7的金属丝网81用于接地。
实施例2
实施例2提供一种实时监测带电粒子束密度分布的探测方法，采用实施例1提供的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，该实时监测带电粒子束密度分布的探测方法包括以下步骤：
步骤A：前期准备：调整探测器的位置，使阻挡式探头装置对准束流中心，如图9所示。
步骤B：带电粒子束的二维密度分布的获取。
带电粒子束依次穿过阻挡式接地电极板7和阻挡式二次电子抑制电极板8的金属丝网，然后轰击在束流收集板3的束流收集阻挡板部32上，被束流收集阻挡板部32的竖直电极阵列322和水平电极阵列321收集。
竖直电极阵列322和水平电极阵列321中的每一个电极独立地经过信号引出线与信号采集排线33相连，而信号采集排线33的另一端与高精度皮安表相连，这样，每个电极收集的束流电荷量的由皮安表给出。假定用
Figure GDA0002997267080000061
和
Figure GDA0002997267080000062
分别表示X方向第i个电极和Y方向第j个电极测得的电流值，Fx(t)和Fy(t)分别表示任意t时刻测量的入射束流X方向和Y方向的电流分布，表达式如方程式1所示。
Figure GDA0002997267080000063
构造如下矩阵，用以表征束流轰击在探测器上的流强分布：
Figure GDA0002997267080000064
该矩阵可以通过数据处理程序，以可视化例如等高线图格式的方式实时呈现在电脑屏幕上。若密度分布不均匀，通过上游束流扫描单元的控制***，使电源根据情况调节扫描波形等参数，给以优化。
步骤C：带电粒子束密度分布的实时监测与显示
调整探测器的位置，使经优化后的宽幅均匀束中心部分通过通行式探头装置，用于辐照生产。带电粒子束的上下边缘部分分别被束流收集通行板部31的上排X电极阵列311和下排X电极阵列312收集。电流大小由与信号引出接口33相连的高精度皮安表给出。假定用
Figure GDA0002997267080000071
和
Figure GDA0002997267080000072
和分别表示第i个电极测得的电流值，Fu(t)和Fd(t)分别表示任意t时刻测量的入射束流上排和下排的电流分布，表达式如方程式3所示。
Figure GDA0002997267080000073
第i个位置处的投射流密度约等于
Figure GDA0002997267080000074
其中d为电极宽度，wb束流高度，wc为束流收集通行板部31上的束流过孔9的高度。则宽幅束的密度分布为：
ρ(t)＝(ρ1 ρ2 … ρi …) 式4
Fd(t)、Fu(t)和ρ(t)可视化的方式实时将带电粒子束密度分布呈现在电脑屏幕上。
在正常生产期间，上排测量电极和下排测量电极测得的电流应当一致。若不然，则表示束流的重心在上下方向发生偏离。同时，各个位置处的束流密度也应该一致，若不然，说明束流的密度分布在水平方向发生了畸变。
在长时间的实际生产过程中，还会发生束流的均匀度一直保持稳定、但束流的总流强发生变化的情况。这种情况下，可以利用通行式探头装置给出的实时束流密度公式4，保证物品的受照均匀性。例如，当束流辐照以卷带方式前进的薄膜时，根据透射式探测器给出的实时束流密度信号，实时调节卷带速度，既可保证薄膜在前进方向上的受照均匀性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，其特征在于，包括若干根连接杆(6)、上游接地电极板(1)、下游接地电极板(5)及均包含一绝缘基板(100)的上游二次电子抑制电极板(2)、束流收集板(3)、下游二次电子抑制电极板(4)、阻挡式接地电极板(7)和阻挡式二次电子抑制电极板(8)，
所述束流收集板(3)的绝缘基板(100)的上部和下部分别设置为束流收集通行板部(31)和束流收集阻挡板部(32)；
多根所述连接杆(6)穿过从左至右依次平行设置的所述上游接地电极板(1)、所述上游二次电子抑制电极板(2)、所述束流收集通行板部(31)、所述下游二次电子抑制电极板(4)和所述下游接地电极板(5)将其连成一体形成通行式探头装置；
多根所述连接杆(6)穿过从所述阻挡式接地电极板(7)、所述阻挡式二次电子抑制电极板(8)和所述束流收集阻挡板部(32)将其连成一体形成阻挡式探头装置。
2.如权利要求1所述的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，其特征在于，
所述束流收集通行板部(31)上设置有细长条形的束流过孔(9)，所述束流收集通行板部(31)的束流过孔(9)的两侧平行设置有上排X电极阵列(311)和下排X电极阵列(312)；
所述束流收集阻挡板部(32)上设置有相互垂直的水平电极阵列(321)和竖直电极阵列(322)；
所述上排X电极阵列(311)、所述下排X电极阵列(312)、所述水平电极阵列(321)和所述竖直电极阵列(322)均有多个间隔均匀的收集电极；
所述束流收集板(3)的绝缘基板(100)上设置有四个信号引出接口(33)，所述水平电极阵列(321)、所述竖直电极阵列(322)、所述上排X电极阵列(311)和所述下排X电极阵列(312)的收集电极分别通过信号线汇集于四个所述信号引出接口(33)。
3.如权利要求1所述的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，其特征在于，
所述上游二次电子抑制电极板(2)和所述下游二次电子抑制电极板(4)的绝缘基板(100)上均设置有便于粒子束流通过的细长条形的束流过孔(9)，所述上游二次电子抑制电极板(2)、所述下游二次电子抑制电极板(4)还均包括固定边框(21)和加载电压电极(22)，所述加载电压电极(22)铺设于所述上游二次电子抑制电极板(2)和所述下游二次电子抑制电极板(4)的绝缘基板(100)上，所述上游二次电子抑制电极板(2)和所述下游二次电子抑制电极板(4)的固定边框(21)分别套设于各自绝缘基板(100)的四周边缘。
4.如权利要求1所述的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，其特征在于，
所述阻挡式二次电子抑制电极板(8)的绝缘基板(100)上设置有阻挡式加载电压电极，所述阻挡式加载电压电极包括密集丝网(81)和丝网边框(82)，所述密集丝网(81)由多条金属丝平行编织成，所述密集丝网(81)的两端固定于所述丝网边框(82)的两侧。
5.如权利要求1所述的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，其特征在于，
所述上游二次电子抑制电极板(2)上的束流过孔(9)的孔径高度大于所述束流收集通行板部(31)上的束流过孔(9)的孔径高度，但小于所述下游二次电子抑制电极板(4)上的束流过孔(9)的孔径高度；所述下游接地电极板(5)和所述下游二次电子抑制电极板(4)上的束流过孔(9)的孔径高度相等，且都大于所述束流收集通行板部(31)上的束流过孔(9)的孔径高度。
6.如权利要求2所述的实时监测宽幅带电粒子束密度分布的探测器，其特征在于，
所述水平电极阵列(321)、所述上排X电极阵列(311)和所述下排X电极阵列(312)上均设置遮挡件阵列，所述遮挡件阵列包括多个遮挡件(300)，
所述遮挡件(300)包括固定片(301)、连接片(302)和遮挡片(303)，所述遮挡片(303)和所述固定片(301)分别固定于所述连接片(302)的顶端和底端且分设与所述连接片(302)的两侧；
其中，所述固定片(301)、所述连接片(302)和所述遮挡片(303)均采用能导电的金属材质，所述遮挡片(303)的厚度大于带电粒子在该金属中的射程，所述固定片(301)、所述连接片(302)和所述遮挡片(303)的长度与收集电极的长度相等，宽度大于相邻收集电极之间的间隙；
所述固定片(301)固定于收集电极时，所述遮挡片(303)正好挡住相邻收集电极间隙的绝缘件；
多个遮挡件(300)的固定片(301)从左至右依次设置于水平电极阵列(321)、上排X电极阵列(311)或所述下排X电极阵列(312)收集电极时，所述遮挡片(303)正好挡住相邻收集电极之间的间隙。
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