[发明专利]一种大电流高时间分辨率离子束束剖面测量的方法

说明书

本发明公开了一种大电流高时间分辨率离子束束剖面测量的方法，利用双层钨丝网结构钨丝诊断靶，每根钨丝一端由弹簧拉伸固定于陶瓷边框上，使得每根钨丝在受热时保持张力，每根钨丝的另一端穿过陶瓷边框接地，测量每根钨线收集的电荷量，结合单根钨丝的面积，计算电流密度，结合整个钨丝诊断靶纵向、横向不同位置钨丝的电流密度，可分析得到束剖面。配合采样率不低于120MHz的电流采集模块，该诊断系统的时间分辨率可达到纳秒级别，其速度远远高于传统诊断靶上热电偶秒量级的响应时间，也远高于可见光相机的图像采样速率，通过改变水平、竖直方向钨丝网编织的密度来可实现系统测量精度的调节。本发明可应用于大流强的带电粒子束(A量级甚至几十A)的束剖面测量。

技术领域

本发明涉及离子束诊断技术领域，具体涉及到一种大电流高时间分辨率离子束束剖面测量的方法。

背景技术

束剖面是离子束重要参数之一。通用的束剖面测量方法为：通过分布有一定数量热电偶的拦截式平面或V型靶，垂直于束流传输方向，放置在束流通道中。当束流注入时，横向拦截束流，这时诊断靶上的安装的热电偶受热升温，利用后端的测量系统捕捉诊断靶板上的热电偶温度分布变化，分析计算，从而得到束剖面。但由于该诊断技术依赖热传导，响应时间为秒量级无法实时地观测束品质，另外通用的测量方法为拦截式，阻挡了束流的传输，无法在离子束应用的同时，完成束剖面的测量。另外，现有技术中利用电荷吸收体对放电过程中的逃逸电子收集，但是其流强通常较小，且其为纳秒放电模式；还有对带电粒子流进行收集，其流强均很小(nA或pA以下)，且采用脉冲模式，因此无法收集流强较大量级的场景。

发明内容

为了解决上述问题，提高收集等离子体的能力，尤其是适用于收集高电流强度的场景，例如安培量级(甚至是几十安培)的束流，本发明设计了一种大电流高时间分辨率离子束束剖面测量的方法。

本发明利用钨丝诊断靶收集高密度、高强度的等离子体电荷产生的大电流，完成束剖面高时间分辨率测量。本发明同时解决了当前拦截式诊断靶响应慢无法实时地观测束剖面，和无法在离子束应用的同时，实现在线测量束剖面的问题，为研究离子源电极间打火等极短时间内发生的事件的产生机制提供依据。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种大电流高时间分辨率离子束束剖面的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、将双层钨丝网结构的钨丝诊断靶放置于离子束流通道内，垂直于束流传输方向，所述的离子束流为安培量级；所述钨丝诊断靶的边框为陶瓷，其中，钨丝诊断靶中每根钨丝的一端均由弹簧拉伸固定于陶瓷边框上，使得每根钨丝在受热时保持张力，每根钨丝的另一端穿过陶瓷边框接地；

步骤2、当离子束流轰击时，所述钨丝诊断靶的双层钨丝网收集离子束流电荷从而产生电流；

步骤3、通过利用毫安级别以上的电流采集模块测量每根钨丝收集的电荷量，结合单根钨丝的面积，计算电流密度，最后利用横向、纵向的多根钨丝的电流密度计算分析得到束流的束剖面图。

进一步的，所述电流采集模块采样率大于等于120MHz，时间分辨率为纳秒级别，其速度远远高于传统诊断靶上热电偶秒量级的响应时间，也远高于可见光相机每秒200 帧的图像采样速率，另外解决了可见光相机图像数据存储空间过大与传输速率较慢等问题。

进一步的，通过改变水平、竖直方向钨丝网编织的密度来调节系统的测量精度。

进一步的，钨丝诊断靶的边框为陶瓷，靶内每根钨丝互相平行不接触，保证每根钨丝彼此绝缘。

进一步的，所述钨丝诊断靶为双层网状结构，透明度较好，不会拦截离子束束流的传输。

进一步的，不同于弱流强(0.1pA～几百nA)的带电粒子束测量设备局限于高精度皮安计，钨丝诊断靶可应用于大流强的带电粒子束(A量级甚至几十A)的束剖面测量，单根钨丝收集一条直线的电荷，其电流可以达到mA量级，对应的测量设备可使用常规模拟量采集系统，灵活通用。