CN114047540B - 一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法及测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法及测量***,解决现有束流测量方法无法实现强流脉冲电子束完整剖面的束流密度测量问题。该方法包括:步骤一、制作切伦科夫辐射转换靶;步骤二、搭建测量***;步骤三、采集光斑图像;步骤四、通过光斑图像的灰度值分布得到切伦科夫辐射的相对强度分布;步骤五、获取束流密度分布。本发明方法给出了切伦科夫辐射转靶的设计过程,从而为实现束流密度分布测量提供基础。同时,该方法给出了束斑图像的处理方法,通过该方法将束斑图像的灰度值分布转换成束流密度分布,从而实现了强流脉冲电子束完整剖面上的束流密度分布测量。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域,具体涉及一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法及测量***。
背景技术
脉冲功率装置中利用二极管产生强流脉冲电子束,电子束轰击二极管阳极靶产生X射线。强流脉冲电子束的束流强度、束流密度、空间分布等参数直接关系到X射线辐射场强度分布。强流脉冲电子束能量可达数百万eV、束流强度可达数百千A,由于电子能量高、电子束强度大,束流测量设备极易受电子轰击而损坏或失效,且测量环境中X射线穿透能力极强,对测量***的屏蔽和抗电磁干扰能力提出了很高的要求。
中国专利CN103315711A公开了一种医用经内窥镜切伦科夫荧光成像***,该***利用内窥镜采集受检对象与探针结合发出的切伦科夫荧光信号,经光纤传输、光电转换获取受检对象内部切伦科夫荧光图像,实现医用活体检查高精度诊断。但是,该方法针对的是狭小、弯曲空间的对象,诊断面积有限。
中国专利CN102981180A公开了一种水切伦科夫光高能粒子探测器,该探测器使用水作为辐射体,利用探测器内的光收集装置对产生的切伦科夫光进行收集,并且经过光电转换、模数转换后,最终被数据获取装置进行储存和记录,用于高能宇宙粒子的粒子数量及其能量的探测。但是,该方法使用水作为辐射体,不适用于强流脉冲电子束环境。。
强激光与粒子束期刊2003年第15卷第4期论文《强流短脉冲电子束束斑实时测量》中,陈思富等人公布了一种强流短脉冲电子束束斑实时测量,该文献中使用石英玻璃作为辐射体,经摄像头拍摄单幅辐射体发光图像,用于直线加速器电子束束斑测量。但是,该方法针对束流强度低的直线加速器,只获取束斑信息,不进行束流密度诊断。
强激光与粒子束期刊2015年第27卷第5期论文《微型法拉第筒阵列束流均匀性测量》中,胡杨等人公布了微型法拉第筒阵列束流均匀性测量,该方法使用其他方法对电子束剖面参数进行诊断,使用法拉第筒安装在二极管阳极面上,直接获取阳极面上部分位置的束流密度强度,但是,该方法受探测器尺寸限制,法拉第筒数量有限,不能完整的获取强流脉冲束流密度分布信息。
中国专利CN102538670A公开了一种微米级电子束焦斑尺寸的光学测量装置及其方法,使电子束轰击半导体面板,半导体面板自发辐射发出光束,利用光学测量方式测量光束的光强信息,进而得到电子束束斑。但是,该方法使用的半导体无法承受强流脉冲电子束轰击,只适用于电子显微镜、CRT等设备上尺寸达到微米级的电子束。
上述文献或专利描述了采取不同技术手段以实现电子束流参数诊断的测量方法。但是,这些技术手段或者不适用于强流脉冲电子束,或者只能获取束斑,或者只能实现局部位置的束流密度测量,难以运用到强流脉冲电子束束流完整剖面的束流密度测量中。
现有利用电子在薄透明介质中产生的可见光波段切伦科夫辐射,借助可见光高速成像,可实现电子束分布图像诊断。该方法可用于强流电子束流密度分布测量,且不易受X射线和电磁干扰影响。但是,强流脉冲电子束准直性差,入射角度分布大,切伦科夫光子产额差异大,难以保证切伦科夫辐射强度与束流密度之间较好的线性关系;此外,该实验中二极管阴极等离子体发光与切伦科夫辐射光谱重合,严重影响成像质量。
综上所述,现有基于切伦科夫辐射的测量***和实验方法难以满足强流脉冲电子束束流密度分布测量。
发明内容
本发明的目的是解决现有束流测量方法无法实现强流脉冲电子束完整剖面的束流密度测量问题,提供一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法及测量***。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法,包括以下步骤:
步骤一、制作切伦科夫辐射转换靶;
1.1)根据二极管脉冲电压获取二极管强流脉冲的电子束能量,根据二极管PIC仿真结果获取电子束入射角度分布;
1.2)建立蒙特卡洛模型,获取不同能量电子在不同厚度石墨镀层的透过率,同时获取电子在熔融石英玻璃中产生的切伦科夫辐射光子在不同二极管电压、不同电子入射角、不同熔融石英玻璃厚度下的切伦科夫光子数量变化曲线族;
1.3)根据步骤1.1)获取的电子束能量和电子束入射角度分布,结合步骤1.2)获取的切伦科夫光子数量变化曲线族,确定熔融石英玻璃厚度,使得在电子束入射角度分布下,切伦科夫光子数量变化在10%范围以内;
1.4)在步骤1.2)获取的电子在不同厚度石墨镀层的透过率中,确定石墨镀层厚度,使得电子透过率和石墨镀层屏蔽等离子体发光效果满足设定要求;
1.5)根据步骤1.3)和步骤1.4)中熔融石英玻璃厚度和石墨镀层厚度,在熔融石英玻璃表面增加石墨镀层,将熔融石英玻璃后表面制作为磨砂面,制作完成切伦科夫辐射转换靶;
步骤二、搭建测量***;
沿电子束入射方向放置罗果夫斯基线圈、切伦科夫辐射转换靶,切伦科夫辐射转换靶固定在旋转台上,与电子束入射方向夹角为45°,将高速成像单元设置于切伦科夫辐射转换靶磨砂面的一侧;
步骤三、采集光斑图像;
使用高速成像单元采集切伦科夫辐射转换靶后表面光斑图像,光斑图像包括光斑的空间分布、灰度值和时间信息;
步骤四、通过光斑图像的灰度值分布得到切伦科夫辐射的相对强度分布,即得到束流剖面不同位置束流密度相对强度分布;
步骤五、获取束流密度分布;
根据罗果夫斯基线圈测量的束流强度曲线和光斑图像的时间信息得到成像时刻束流强度,对束流强度加权平均得到束流剖面上的束流密度分布;
5.1)根据切伦科夫辐射转换靶的结构参数计算得到切伦科夫辐射转换靶空间分辨率D;
5.2)根据高速成像单元的缩小倍数f和高速成像单元的单个像素点尺寸p,计算得到空间分辨率D对应在成像***的像素点个数d=D/(f×p);
5.3)将光斑图像平均划分i个区域,单个区域大小为d×d个像素点,计算单个区域内灰度值总和N(i);
其中,J(i)为每个D×D区域内束流密度。
进一步地,步骤1.5)中,根据步骤1.3)和步骤1.4)获取的结构参数,通过电泳方式在熔融石英玻璃表面增加石墨镀层。
进一步地,步骤二中,将切伦科夫辐射转换靶设置在旋转台上,与电子束入射方向呈45°夹角设置。
进一步地,步骤一中,石墨镀层的厚度10~50μm,所述熔融石英玻璃的厚度0.2~1mm。
同时,本发明还提供一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量***,包括罗果夫斯基线圈、切伦科夫辐射转换靶、旋转台、高速成像单元和数据处理单元;所述罗果夫斯基线圈、切伦科夫辐射转换靶位于真空腔体内;所述罗果夫斯基线圈用于获取电子束束流强度,包括线圈与屏蔽盒,所述屏蔽盒为环形结构,将线圈包覆在环形腔体内部;所述切伦科夫辐射转换靶包括石墨镀层和熔融石英玻璃,所述石墨镀层设置在熔融石英玻璃前表面,朝向电子束入射端,熔融石英玻璃后表面为磨砂面;所述旋转台设置在切伦科夫辐射转换靶的下方,用于实现切伦科夫辐射转换靶与电子束入射方向的夹角调节;所述高速成像单元设置在切伦科夫辐射转换靶的一侧,用于获取切伦科夫辐射分布信息,获取光斑图像;所述数据处理单元与高速成像单元连接,将高速成像单元获取的光斑图像和罗果夫斯基线圈获取的电子束束流强度进行处理,得到束流剖面上束流密度分布。
进一步地,所述高速成像单元包括设置在电磁屏蔽箱内的高速成像相机、滤光片和反射镜,高速成像相机经滤光片和反射镜对转换靶后表面光斑成像。
进一步地,所述高速成像相机为ICCD相机或分幅相机。
进一步地,所述高速成像相机和脉冲功率源均与触发器连接,通过触发器调节脉冲功率源和高速成像相机的触发延时,获取二极管不同时刻的束流剖面密度分布。
进一步地,所述旋转台为电动旋转台或手动旋转台,实现切伦科夫辐射转换靶与电子束入射方向夹角调节。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1.本发明方法给出了切伦科夫辐射转换靶的设计过程,该转换靶既能屏蔽等离子体发光干扰,又能确保切伦科夫辐射强度与束流强度之间的线性关系,从而为实现束流密度分布测量提供基础。同时,本发明方法给出了束斑图像的处理方法,通过该方法将束斑图像的灰度值分布转换成束流密度分布,从而实现了强流脉冲电子束完整剖面上的束流密度分布测量。
2.本发明测量***可以完整获取电子束剖面上的束流密度分布,其结构简单,耐电磁干扰能力强。同时,***使用镀石墨熔融石英玻璃的切伦科夫辐射转换靶结构,解决了阴极等离子体发光干扰问题。
3.本发明提供了一种利用数值模拟选择合适的切伦科夫辐射转换靶结构参数的方法,从而可以确保切伦科夫辐射强度与束流强度之间的线性关系。
附图说明
图1为本发明实施例中强流脉冲电子束束流密度分布的测量***示意图;
图2为本发明实施例中切伦科夫辐射转换靶安装示意图。
附图标记:1-脉冲功率源,2-二极管阴极,3-真空腔,4-电子束,5-二极管阳极,6-罗果夫斯基线圈,7-光学窗口,8-切伦科夫辐射转换靶,9-电子吸收层,10-反射镜,11-滤光片,12-高速成像相机,13-电磁屏蔽箱,14-触发器,15-旋转台,16-观察窗口,17-底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理,目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明基于切伦科夫辐射和高速光学成像,提出了一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法及测量***,可以获取束流剖面上完整的束流密度分布信息。
本发明强流脉冲电子束束流密度分布的测量***包括罗果夫斯基线圈6、切伦科夫辐射转换靶8、旋转台15、高速成像单元和数据处理单元;罗果夫斯基线圈6、切伦科夫辐射转换靶8位于真空腔3体内,且切伦科夫辐射转换靶8的中心位于罗果夫斯基线圈6的中心线上。罗果夫斯基线圈6用于测量经过切伦科夫辐射转换靶8的电子束4流强度,其具体包括线圈与屏蔽盒,屏蔽盒为环形结构,将线圈包覆在环形腔体内部,屏蔽盒用于屏蔽空间电子束4、X射线干扰。切伦科夫辐射转换靶8主体由石墨镀层、熔融石英玻璃组成,石墨镀层在熔融石英玻璃前表面,朝向电子束4入射端,熔融石英玻璃后表面为磨砂面;石墨镀层和熔融石英玻璃结构参数是通过蒙特卡洛模型对电子束4在透明介质中发光深度和发光强度的结果来确定的,结构参数为材质厚度。具体的,石墨镀层的厚度为10-50μm,确保可以屏蔽从电子入射方向传来的二极管阴极2等离子体发光。熔融石英玻璃的厚度为0.2-1mm。熔融石英玻璃可见光透过率高,耐电子束4轰击能力强,在确保切伦科夫辐射强度可探测的前提下,尽量减小熔融石英玻璃厚度以提高空间分辨率。熔融石英玻璃后表面设置为磨砂面,电子束4产生的切伦科夫辐射经磨砂面转换为光斑。
上述旋转台15可使用电动或手动方式,实现切伦科夫辐射转换靶8与电子束4入射方向夹角调节。高速成像单元设置在切伦科夫辐射转换靶8的一侧,用于获取切伦科夫辐射分布信息,获得光斑图像。高速成像单元具体可包括ICCD相机或者分幅相机,用于准确获取熔融石英玻璃后表面切伦科夫辐射分布信息。数据处理单元与高速成像单元连接,将高速成像单元获取的光斑图像和罗果夫斯基线圈6获取的电子束4束流强度进行处理,得到束流剖面上束流密度分布。
本发明还提供了一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法,包括以下步骤:
步骤一、制作切伦科夫辐射转换靶8;
1.1)根据二极管脉冲电压获取二极管强流脉冲电子束能量,根据二极管PIC仿真结果获取电子束入射角度分布;
1.2)建立蒙特卡洛模型,获取不同能量电子在不同厚度石墨镀层的透过率,同时获取电子在熔融石英玻璃中产生的切伦科夫辐射光子在不同二极管电压、不同电子入射角、不同熔融石英玻璃厚度下的切伦科夫光子数量变化曲线族;
1.3)根据步骤1.1)提供的电子束能量和电子束入射角度分布,结合步骤1.2)获取的切伦科夫光子数量变化曲线族,确定熔融石英玻璃厚度,确保在一定的电子束入射角度分布下,切伦科夫光子数量变化在10%范围以内;
1.4)根据步骤1.2)获取的不同能量电子在不同厚度石墨镀层的透过率,同时在保证电子有较高透过率和石墨镀层屏蔽等离子体发光效果的情况下,确定石墨镀层厚度;
1.5)根据步骤1.3)和步骤1.4)中熔融石英玻璃厚度和石墨镀层厚度,通过电泳方式在熔融石英玻璃表面增加石墨镀层,将熔融石英玻璃后表面制作为磨砂面,制作完成切伦科夫辐射转换靶8;
步骤二、搭建测量***;
沿电子束4入射方向放置罗果夫斯基线圈6、切伦科夫辐射转换靶8,切伦科夫辐射转换靶8固定在旋转台15上,与电子束4入射方向夹角为45°;将高速成像单元设置于切伦科夫辐射转换靶8磨砂面的一侧;
步骤三、采集光斑图像;
使用高速成像单元采集切伦科夫辐射转换靶8后表面光斑图像,光斑图像包括光斑的空间分布、灰度值和时间信息;
步骤四、通过光斑图像的灰度值分布得到切伦科夫辐射的相对强度分布,即得到束流剖面不同位置束流密度相对强度分布;
步骤五、获取束流密度分布;
根据罗果夫斯基线圈6测量的束流强度曲线和光斑图像的时间信息得到成像时刻束流强度,对束流强度加权平均得到束流剖面上的束流密度分布;
5.1)根据切伦科夫辐射转换靶8的结构参数计算得到切伦科夫辐射转换靶8空间分辨率D;
5.2)根据高速成像单元的缩小倍数f和高速成像单元的单个像素点尺寸p,计算得到空间分辨率D对应在成像***的像素点个数d=D/(f×p);
5.3)将光斑图像平均划分i个区域,单个区域大小为d×d个像素点,计算单个区域内灰度值总和N(i);
其中,J(i)为每个D×D区域内束流密度。
本发明方法给出了切伦科夫辐射转靶的设计方法,转换靶既能屏蔽等离子体发光干扰,又能确保切伦科夫辐射强度与束流强度之间的线性关系,从而为实现束流密度分布测量提供基础。同时,本发明方法给出了束斑图像的处理方法,通过该方法将束斑图像的灰度值分布转换成束流密度分布,从而实现了强流脉冲电子束完整剖面上的束流密度分布测量。
如图1和图2所示,本发明束流密度分布测量***以自磁箍缩二极管为例,真空腔3安装在二极管末端,紧贴二极管阳极5,真空腔3的末端安装有电子吸收层9。罗果夫斯基线圈6安装在真空腔3内壁上。电子束4从二极管产生后穿过二极管阳极5进入真空腔3内,穿过罗果夫斯基线圈6,以一定入射角轰击在切伦科夫辐射转换靶8上。当电子速度大于切伦科夫辐射转换靶8中的光速时,产生切伦科夫辐射。辐射光子经切伦科夫辐射转换靶8后表面散射后,进入高速成像单元内。成像***放置在电磁屏蔽箱13内,高速成像相机12经过滤光片11和反射镜10对切伦科夫辐射转换靶8后表面光斑成像。使用时,通过触发器14调节脉冲功率源1和高速成像相机12的触发延时,可以获取二极管不同时刻的束流剖面密度分布。
在开始实验前,按照切伦科夫辐射转换靶8的设计方法确定转换靶结构参数。转换靶表面数μm厚度的石墨镀层可以有效遮挡二极管阴极2等离子体发光干扰,同时保证电子束4高穿透率,并且石墨熔点高,受电子轰击不易汽化脱落,可实现切伦科夫辐射转换靶8重复使用。根据二极管工作参数(脉冲电压和电子入射角分布),建立蒙特卡洛模型预估不同二极管工作参数下熔融石英玻璃中的切伦科夫辐射光子产额。在确保光子产额和束流强度有较好线性关系的前提下,尽量减少熔融石英玻璃厚度以提高空间分辨率。综合考虑空间分辨率、光子产额等要求,确定熔融石英玻璃厚度。
实验中,如图2所示,切伦科夫辐射转换靶8与精密旋转台15共同固定在底座17上,通过转动精密旋转台15调节转化靶与电子束4之间的夹角。观察窗口16用于观察实验前后转换靶状态,光学窗口7用于高速成像单元对转换靶后表面成像。高速成像单元获取光斑图像后,通过图像处理,得到光斑的空间分布、强度分布和时间信息,最终得到束流剖面上束流密度分布情况。
Claims (10)
1.一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、制作切伦科夫辐射转换靶;
1.1)根据二极管脉冲电压获取二极管强流脉冲的电子束能量,根据二极管PIC仿真结果获取电子束入射角度分布;
1.2)建立蒙特卡洛模型,获取不同能量电子在不同厚度石墨镀层的透过率,同时获取电子在熔融石英玻璃中产生的切伦科夫辐射光子在不同二极管电压、不同电子入射角、不同熔融石英玻璃厚度下的切伦科夫光子数量变化曲线族;
1.3)根据步骤1.1)获取的电子束能量和电子束入射角度分布,结合步骤1.2)获取的切伦科夫光子数量变化曲线族,确定熔融石英玻璃厚度,使得在电子束入射角度分布下,切伦科夫光子数量变化在10%范围以内;
1.4)在步骤1.2)获取的电子在不同厚度石墨镀层的透过率中,确定石墨镀层厚度,使得电子透过率和石墨镀层屏蔽等离子体发光效果满足设定要求;
1.5)根据步骤1.3)和步骤1.4)中熔融石英玻璃厚度和石墨镀层厚度,在熔融石英玻璃表面增加石墨镀层,将熔融石英玻璃后表面制作为磨砂面,制作完成切伦科夫辐射转换靶;
步骤二、搭建测量***;
沿电子束入射方向放置罗果夫斯基线圈、切伦科夫辐射转换靶,切伦科夫辐射转换靶固定在旋转台上,与电子束入射方向夹角为45°,将高速成像单元设置于切伦科夫辐射转换靶磨砂面的一侧;
步骤三、采集光斑图像;
使用高速成像单元采集切伦科夫辐射转换靶后表面光斑图像,光斑图像包括光斑的空间分布、灰度值和时间信息;
步骤四、通过光斑图像的灰度值分布得到切伦科夫辐射的相对强度分布,即得到束流剖面不同位置束流密度相对强度分布;
步骤五、获取束流密度分布;
根据罗果夫斯基线圈测量的束流强度曲线和光斑图像的时间信息得到成像时刻束流强度,对束流强度加权平均得到束流剖面上的束流密度分布;
5.1)根据切伦科夫辐射转换靶的结构参数计算得到切伦科夫辐射转换靶空间分辨率D;
5.2)根据高速成像单元的缩小倍数f和高速成像单元的单个像素点尺寸p,计算得到空间分辨率D对应在成像***的像素点个数d=D/(f×p);
5.3)将光斑图像平均划分i个区域,单个区域大小为d×d个像素点,计算单个区域内灰度值总和N(i);
其中,J(i)为每个D×D区域内束流密度。
2.根据权利要求1所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法,其特征在于:步骤1.5)中,根据步骤1.3)和步骤1.4)获取的结构参数,通过电泳方式在熔融石英玻璃表面增加石墨镀层。
3.根据权利要求1所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法,其特征在于:步骤二中,将切伦科夫辐射转换靶设置在旋转台上,与电子束入射方向呈45°夹角设置。
4.根据权利要求1所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量方法,其特征在于:步骤一中,石墨镀层的厚度为10~50μm,所述熔融石英玻璃的厚度为0.2~1mm。
5.一种强流脉冲电子束束流密度分布的测量***,其特征在于:包括罗果夫斯基线圈(6)、切伦科夫辐射转换靶(8)、旋转台(15)、高速成像单元和数据处理单元;
所述罗果夫斯基线圈(6)、切伦科夫辐射转换靶(8)位于真空腔(3)内;
所述罗果夫斯基线圈(6)用于获取电子束(4)的束流强度,其包括线圈和屏蔽盒,所述屏蔽盒为环形结构,将线圈包覆在环形腔体内部;
所述切伦科夫辐射转换靶(8)包括石墨镀层和熔融石英玻璃,所述石墨镀层设置在熔融石英玻璃前表面,朝向电子束(4)入射端,熔融石英玻璃后表面为磨砂面;
所述旋转台(15)设置在切伦科夫辐射转换靶(8)的下方,用于实现切伦科夫辐射转换靶(8)与电子束(4)入射方向的夹角调节;
所述高速成像单元设置在切伦科夫辐射转换靶(8)的一侧,用于获取切伦科夫辐射分布信息,得到光斑图像;
所述数据处理单元与高速成像单元连接,将高速成像单元获取的光斑图像和罗果夫斯基线圈(6)获取的电子束束流强度进行处理,得到束流剖面上束流密度分布。
6.根据权利要求5所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量***,其特征在于:所述高速成像单元包括设置在电磁屏蔽箱(13)内的高速成像相机(12)、滤光片(11)和反射镜(10),高速成像相机(12)经滤光片(11)和反射镜(10)对切伦科夫辐射转换靶(8)后表面光斑成像。
7.根据权利要求6所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量***,其特征在于:所述高速成像相机(12)、脉冲功率源(1)均与触发器(14)连接,通过触发器(14)调节脉冲功率源(1)和高速成像相机(12)的触发延时,获取二极管不同时刻的束流剖面密度分布。
8.根据权利要求7所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量***,其特征在于:所述高速成像相机(12)为ICCD相机或分幅相机。
9.根据权利要求5所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量***,其特征在于:所述石墨镀层的厚度为10~50μm,所述熔融石英玻璃的厚度为0.2~1mm。
10.根据权利要求5所述的强流脉冲电子束束流密度分布的测量***,其特征在于:所述旋转台(15)为电动旋转台或手动旋转台。
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CN114047540A (zh) | 2022-02-15 |
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