用于亚纳秒量级前沿脉冲电子束测量的法拉第探测器

摘要

本发明涉及一种脉冲电子束测量装置，具体涉及一种适用于亚纳秒量级前沿脉冲电子束测量的法拉第探测器，包括接地外壳、准直器、采样电阻、金属支架和电荷收集体；接地外壳为两端开口的圆筒形结构，一端连接电子束源，另一端安装准直器；准直器安装于接地外壳一端的内壁处，准直器一端设置真空电缆座，准直器的另一端连接采样电阻一端；采样电阻的另一端连接金属支架；金属支架中心嵌套有垂直于电子束入射方向的电荷收集体。本发明提供的法拉第探测器整体结构紧凑、电阻分布均匀、回路电感低、噪声小，满足亚纳秒量级前沿脉冲电子束的测量，拓宽了法拉第探测器的测量范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲电子束测量装置，具体涉及一种适用于亚纳秒量级前 沿脉冲电子束测量的法拉第探测器。

背景技术

法拉第探测器是一种结构简单的带电粒子测量装置，是加速器产生电子束 流诊断系统中的常见测量装置。当带电粒子照射到法拉第探测器上，被电荷收 集体接受，产生激励电流，电流流经采样电阻，形成回路，通过测量电阻上产 生的压降可以算出激励电流的强度，进而得出带电粒子的强度。基于这种测量 原理的法拉第探测器在等离子体物理和束流物理中经常使用，根据测量对象和 测量目的的不同，出现了多种结构和形式。但是受回路电感、电阻分布、时间 响应和整体结构紧凑性等因素影响，一般的法拉第探测器只能测量纳秒量级前 沿脉冲的电子束流，存在测量范围的缺陷，不能满足更快前沿电子束流的测量 要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于亚纳秒量级前沿脉冲电子束测量的法拉第 探测器，解决了现有探测设备测量范围有限的技术问题。

本发明的技术解决方案是：所提供的探测器包括接地外壳、准直器、采样 电阻、金属支架和电荷收集体；所述接地外壳为两端开口的圆筒形结构，一端 连接电子束源，另一端安装准直器；所述准直器安装于接地外壳一端的内壁处， 准直器一端设置真空电缆座，准直器的另一端连接采样电阻一端；采样电阻的 另一端连接金属支架；所述金属支架中心嵌套有垂直于电子束入射方向的电荷 收集体，用于收集入射来的电子，并转化为激励电流。

上述准直器的外圆周面上设置有密封槽，用于安装密封圈。

上述准直器的外圆周面上设置有螺旋管电磁衬垫槽，用于安装金属类螺旋 管电磁衬垫，连接采样电阻和接地外壳。

上述准直器和金属支架均为铜材质，导电能力强。

上述电荷收集体为石墨材质，升华温度高、热容量大、耐束流冲击、导电 性能良好。

上述采样电阻采用多个氧化膜无感电阻并联的方式均匀焊接于准直器和金 属支架之间，降低了探测器电感。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的法拉第探测器整体结构紧凑、电阻分布均匀、回路电感 低、噪声小，满足亚纳秒量级前沿脉冲电子束的测量，拓宽了法拉第探测器的 测量范围。

(2)本发明通过密封圈与同轴电缆配合保证法拉第探测器与外界大气隔 离，使法拉第探测器内部处在真空环境中。

(3)本发明的准直器和金属支架均采用铜材质，导电能力强，加工方便， 有利于采样电阻的焊接。

(4)本发明使用石墨材料作为电荷收集体，升华温度高、热容量大、耐束 流冲击、导电性能良好而且能够承受一定的机械强度。

附图说明

图1为本发明较佳实施例结构示意图；

图2为电子束流测量系统示意图；

图3为本发明实验测得的电子束流波形。

具体实施方式

参见图1，本发明较佳实施例的探测器整体呈轴对称结构。接地外壳8为 两端开口的圆筒形结构，一端连接电子束源9，另一端安装准直器1。准直器1 采用金属铜材料，外径为50mm，安装于接地外壳8一端的内壁处，作用是保 证整个探测器与设备平行。准直器1朝向外侧的一端设置真空电缆座7，通过 连接同轴电缆将束流信号传送至示波器，其另外一个作用是保证法拉第探测器 与外界大气隔离，使法拉第探测器处在真空环境中。准直器1朝向内侧的一端 端面上焊接采样电阻2的管脚一端。采样电阻2的管脚另一端焊接于金属支架 3的后端。金属支架3采用导电能力较强的金属铜材料，前端中心嵌套有电荷 收集体4，并保证其与入射电子垂直。电荷收集体4采用升华温度高、热容量 大、耐束流冲击、导电性能良好的石墨材料，用于收集入射来的电子，并转化 为激励电流，激励电流流经采样电阻2后形成压降。准直器1与接地外壳8相 接触的外圆周面上设置有密封槽6和螺旋管电磁衬垫槽5。塑料密封圈放置在 密封槽6内，采用径向密封方式，使探测器内部处在真空环境下，真空度需低 于1×10^-2帕。金属衬垫圈放置在螺旋管电磁衬垫槽5内，为了减小电感，在保 证采样电阻2可以焊接的条件下，螺旋管电磁衬垫槽5的直径为1.6mm，与接 地外壳8相连。采样电阻2采用16个1Ω的氧化膜无感电阻并联方式，为了减 小电感，电阻均匀焊接在准直器1和金属支架3之间，且尽可能地靠近边缘， 电阻尺寸要小，本实施例中电阻的长度为3mm，直径1mm。金属支架3的外 径应尽可能地接近50mm，本实施例中使用46mm。电荷收集体4外径为39mm， 厚3mm，选用散射和辐射损失小、升华温度高(3700摄氏度)、热容量大、耐 束流冲击、导电性能良好和能承受一定的机械强度的石墨材料。通过4个直径 3mm的螺丝将真空电缆座7固定在准直器1上，电缆头的芯线与金属支架3的 中心相连。

参见图2，电子束流测量系统整体结构由TPG700加速器、法拉第探测器、 真空泵、真空计、数据采集系统和计算机组成。通过法拉第探测器收集带电粒 子，利用真空泵抽取真空，利用数据采集系统获取电子束流强度，再与计算机 通过GPIB卡相连，可实现远距离控制、测量和数据处理。

实验过程中，电子束源9发射电子，垂直照射到探测器上，电子被电荷收 集体4吸收，与收集体物质发生电离相互作用而被阻止时产生激励电流，此电 流流过取样电阻2产生压降，在电感可以忽略不计的情况下，此压降与电流成 正比，通过同轴电缆线传输至示波器。

参见图3，使用本发明提供的法拉第探测器在西北核技术研究所的TPG700 加速器上进行实验并测得电子束流波形。实验中，法拉第探测器的真空度为8.8 ×10^-3Pa，馈源真空度4.1×10^-2Pa，电子束流强度5kA，脉冲前沿为0.9ns，这 表明本发明提供的法拉第探测器测得了亚纳秒量级脉冲前沿的电子束流，弥补 了现有法拉第探测器存在测量范围不足的缺陷，满足了更快前沿电子束流的测 量要求。