一种在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置及安装方法与流程

本发明涉及一种在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置及安装方法，属于带电粒子束检测技术领域。

背景技术：

法拉第筒是测量带电粒子束流流强的一种基本装置，其目的在于通过拦截带电离子束并收集其电荷，进而实现对束流的流强测量。

现有法拉第筒都是在高真空环境下使用的，同时还需要设置偏压装置以抑制二次电子逃逸。现有技术中的法拉第筒通常包括：密封法兰，真空传导装置，偏压环和偏压电源。由于需要较高的真空环境，故现有法拉第筒装置通常结构复杂，体型庞大，制造成本高。同时，偏压电源的引入将引起偏压电流泄露进束流流强，导致测量值不准确，尤其是对于低能强流束，其溅射效应严重，以致偏压环和信号极之间的绝缘陶瓷被污染，泄露电流更大。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置及安装方法，其可以直接在大气环境中使用，无需真空和偏压设备，成本低，体积小，且束流不易泄露，检测结果更加准确。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置，包括：薄膜电极、接地紧固环、信号收集电极、三同轴接头和接地电极，薄膜电极通过接地紧固环固定在信号收集电极上，且与信号收集电极紧密贴合，薄膜电极的束流入射面与束流出射面之间绝缘，信号收集电极的信号输出端连接三同轴接头的信号端，接地紧固环通过接地电极连接三同轴接头的接地端。

进一步，薄膜电极的束流入射面上镀有导电材料，束流出射面为绝缘材料。

进一步，束流出射面上同样镀有导电材料，但束流出射面上的导电材料不与束流入射面上的导电材料导通。

进一步，接地电极与信号收集电极同轴设置，接地电极设置在信号收集电极的外侧，且与信号收集电极间隔。

进一步，接地电极与信号收集电极之间设有保护电极，保护电极与信号收集电极同轴设置，且其输出端与三同轴接头的保护地端连接。

进一步，保护电极与信号收集电极的电势相等。

进一步，接地电极、信号收集电极与保护电极之间均设置有同轴绝缘圆环，以保证三个电极之间相互绝缘。

进一步，信号收集电极与薄膜接触的一端的倒角为圆角，接地紧固环与薄膜电极接触的一侧设置为与圆角弧度相匹配的圆弧形，以保证薄膜电极与信号收集电极贴合。

本发明还公开了一种在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置的安装方法，用于安装上述任一种的在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置，包括以下步骤：s1将第一聚乙烯环插入接地电极底部，接着将保护电极插入第一聚乙烯环，将第二聚乙烯环插入保护电极，并将第二聚乙烯环与接地电极紧固；s2将信号收集电极插入第二聚乙烯环，将薄膜电极平铺于信号收集电极上，接着盖上接地紧固环，并将接地紧固环固定在接地电极的顶部；s3将信号收集电极的引出信号线与三同轴接头的信号端焊接，将保护电极的引出线与三同轴接头的保护地端焊接，将接地电极的引出线与三同轴接头的接地端焊接，得到在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置。

本发明还公开了一种粒子束癌症治疗系统，采用以上任一种的在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明中装置可以用于大气环境下测量带电粒子束流强度，可以很方便的移动，因此可以放在任何束流经过的路径上，而无需像真空用法拉第筒那样只能安装在固定法兰口上。

2、本发明中装置不需要额外的偏压环设计和偏压设备，可以显著降低法拉第筒的经济成本。

3、本发明中装置可以测量能量小于400mev/u，每秒钟粒子数在1e6～1e8范围的带电粒子束流。

4、本发明中装置可应用在粒子束治癌领域，用于治疗开始前的剂量验证，低成本、易操作、易维护使得该法拉第筒装置可以作为一种快速、准确的剂量验证手段。

附图说明

图1是本发明一实施例中在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例中三同轴接头的结构示意图。

附图标记：

1-薄膜电极；2-接地紧固环；3-信号收集电极；4-三同轴接头；41-信号端；42-接地端；43-保护地端；5-接地电极；6-保护电极；7-第一聚乙烯环；8-第二聚乙烯环。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

本实施例公开了一种在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置，如图1、2所示，包括：薄膜电极1、接地紧固环2、信号收集电极3、三同轴接头4和接地电极5，薄膜电极1通过接地紧固环2固定在信号收集电极3上，且与信号收集电极3紧密贴合，薄膜电极1的束流入射面与束流出射面之间绝缘，信号收集电极3的信号输出端连接三同轴接头4的信号端41，接地紧固环2通过接地电极5连接三同轴接头4的接地端42，三同轴接头4用于引出信号。薄膜电极1可以隔离被带电粒子电离的大气中所包含的次级带电粒子进入，确保流强测量准确性。同时，薄膜电极1可以抑制信号收集电极3产生的二次电子，与高真空环境下使用的法拉第筒偏压效果一样。

薄膜电极1的束流入射面上镀有导电材料，束流出射面为绝缘材料。也可以在束流出射面上同样镀有导电材料，但束流出射面上的导电材料不与束流入射面上的导电材料导通。本实施例中使用的薄膜电极1是单面镀铝的开普敦膜，膜厚度为50um，铝层厚度1um，直径85mm。

接地紧固环2由无氧铜支撑，粒子束流入射孔径直径为62.5mm，外径100mm，顶部开有四个m4螺纹孔，该螺纹孔用于将接地电极5通过螺丝固定在接地紧固环2上。接地紧固环2与薄膜电极1接触的一侧设置为与圆角弧度紧密配合的圆弧形，以保证薄膜电极1与信号收集电极3贴合，并起到绷紧薄膜电极1的作用。其中，圆弧形的半径为5mm。

信号收集电极3，用于阻挡带电粒子束，因此其厚度需要大于粒子束在材料中的射程。对于400mev/u的碳离子(12c6+),该电极厚度为120mm，直径75mm。电极材料是无氧铜。覆盖薄膜电极1的一侧的倒角为圆角，该圆角半径为5mm，该圆角设计用于配合接地紧固环2，两者通过压紧配合从而绷紧并压平薄膜电极1。信号收集电极3底部开有m4的螺纹孔，用于引出信号线，引出的信号线与三同轴接头4的信号端41焊接。

接地电极5与信号收集电极3同轴设置，接地电极5设置在信号收集电极3的外侧，且与信号收集电极3间隔。接地电极5与信号收集电极3之间设有保护电极6，保护电极6与信号收集电极3同轴设置，且其输出端与三同轴接头4的保护地端43连接。保护电极6与信号收集电极3等电势，确保该技术对于弱流强测量的准确性。保护电极6的材料为不锈钢，内径38.25mm，外径39.25mm，高125mm，与信号收集电极3间隙3mm。接地电极5、信号收集电极3与保护电极6之间均设置有同轴绝缘圆环，以保证三个电极之间相互绝缘。绝缘圆环优选为聚乙烯环。

接地电极5的材料为铝，内径45mm，外径48mm，高度153mm，与保护电极6间隙4.75mm，接地电极5与保护电极6通过m4螺钉紧固。

本发明中法拉第筒装置的工作原理为：当带电粒子入射到大气中时会电离大气进而产生电子离子对，即次级粒子，如果对这部分次级粒子不加以排除则会影响法拉第筒对束流强度测量的准确性。真空环境使用的法拉第筒通过高真空环境最大可能的降低了次级粒子的产生。在大气环境下，本发明中的薄膜电极会阻挡次级粒子进入法拉第筒收集电极，因为薄膜电极在束流入射面为导电材料且与接地电极导通，因而这些带电的次级粒子不会流入收集极，确保大气环境不会对测量造成影响。同时，该薄膜电极还可以抑制信号收集电极产生的二次电子。薄膜电极紧贴信号收集电极，紧贴面为绝缘体或导体。对于绝缘体情况，束流入射到信号收集电极时产生的二次电子以很低的能量漂移至绝缘层，并在短暂时间累积在绝缘层表面，接着很快被信号收集电极导走，因此起到了抑制二次电子的作用。绝缘层表面也会产生一定量的二次电子，并漂移至信号收集电极，但是鉴于绝缘体的不导电性，二次电子的逃逸势必会导致绝缘体自身呈现出正电性，而此时信号收集电极的电子会转移至绝缘层，并使绝缘层重新恢复电中性，两个方向转移的电荷量相等，可见绝缘层表面产生的二次电子不会对测量造成影响。对于薄膜电极为导体情况，可以视作该导体与信号收集电极是一体的，因此这种情况也可以视作是薄膜电极在紧贴面为绝缘体的一种特殊情况，二者并无原理上的差别。使用时将法拉第筒装置安放在束流穿过区域，比如粒子束治癌终端，并尽可能使得束流中心与法拉第筒的轴对齐。然后将法拉第筒上的三同轴接口与测量仪器的三同轴接口通过一根三同轴线缆连接。用户可以通过测量仪器实时监测束流线流强。

本实施例中所有组件均可以在大气环境下直接使用，该法拉第筒装置能够用于粒子束癌症治疗，无需抽真空，从而降低了法拉第筒装置的使用成本，且由于不需偏压设备故不会产生电流泄露的问题，检测精度有所提高。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置的安装方法，用于安装上述实施例一中的在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置，包括以下步骤：

s1将第一聚乙烯环7插入接地电极5底部，接着将保护电极6插入第一聚乙烯环7，将第二聚乙烯环8插入保护电极6，并将第二聚乙烯环8与接地电极5紧固，本实施例中优选通过m4螺钉紧固第二聚乙烯环8与接地电极5；

s2将信号收集电极3插入第二聚乙烯环8，将薄膜电极1平铺于信号收集电极3上，接着盖上接地紧固环2，并将接地紧固环2固定在接地电极5的顶部，该接地紧固环2的圆周设有若干螺纹孔，通过m4螺钉将接地紧固环2固定在接地电极5的顶部；

s3将信号收集电极3的引出信号线与三同轴接头4的信号端41焊接，将保护电极6的引出线与三同轴接头4的保护地端43焊接，将接地电极5的引出线与三同轴接头4的接地端42焊接，得到在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置。

实施例三

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种粒子束癌症治疗系统，采用以上任一种的在大气环境下使用的无偏压法拉第筒装置。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。