质子注量率测量装置及系统的制作方法

1.本公开涉及质子测量技术领域，尤其涉及一种质子注量率测量装置及系统。


背景技术：

2.航空航天器件进行中能质子(几十mev～几百mev)单粒子效应辐照实验所需的质子注量率范围一般为106～108cm
‑2·
s
‑1，针对该范围的质子注量率测试一般需要采用法拉第筒进行。现有技术中，针对测量100mev质子的法拉第筒一般采用铜材料的筒状结构作为质子收集筒，透射准直孔的直径一般为0.5cm～2cm，吸收体的厚度为2cm，以确保100mev质子能够完全被阻止在吸收体中。其中，当整个法拉第筒放置于真空管道中，可以排除收集筒内空气电离造成的测量误差。
3.虽然上述类型的法拉第筒的质子注量率测量较为准确，但在实际应用中往往存在如下问题：在进行100mev质子辐照过程中，由于质子与材料铜发生核反应产生大量的伽马辐射，而且伽马辐射剂量相对较高，一般为几十～几百μsv/h。若要降低或消除伽马辐射的上述参与剂量，则往往需要数月甚至几年。然而，实际试验中基本仅等待几个小时就需要进行辐照器件等结构元件的人力更换，显然，这对于后续试验人员造成极大的剂量安全隐患。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.为解决现有技术中采用法拉第筒进行质子注量率测量时，造成的因伽马辐射剂量较高，使得试验人员在测试过程中面临极大的辐射安全隐患，本公开提供了一种质子注量率测量装置及系统。
6.(二)技术方案
7.本公开的一个方面提供了一种质子注量率测量装置，其中包括吸收结构和补偿结构，吸收结构用于吸收入射的质子束流；补偿结构沿质子束流的入射方向设置于吸收结构之前，在测量质子束流注量率过程中为吸收结构提供二次电子发射补偿；其中，吸收结构和补偿结构采用的材料均为石墨。
8.根据本公开的实施例，吸收结构为沿垂直于质子束流的入射方向设置的柱状结构。
9.根据本公开的实施例，当质子束流能量为100mev时，吸收结构在入射方向上的厚度为d0，d0≥7cm。
10.根据本公开的实施例，补偿结构包括补偿元件，补偿元件为垂直于质子束流的入射方向设置的片状结构。
11.根据本公开的实施例，补偿元件在入射方向上的厚度为d1，d1≤0.5mm。
12.根据本公开的实施例，补偿结构还包括准直元件，准直元件沿质子束流的入射方向设置于补偿元件之前，用于使得入射的质子束流具有准直特性。
13.根据本公开的实施例，准直元件的内侧表面与补偿元件的外侧表面贴合设置。
14.根据本公开的实施例，当质子束流能量为100mev时，准直元件在入射方向上的厚度为d2，d2≥7cm。
15.根据本公开的实施例，准直元件包括准直孔，准直孔为沿质子束流的入射方向透穿于准直元件的贯穿孔。
16.根据本公开的实施例，准直孔在垂直于入射方向上的直径为r1，r1≥1cm。
17.根据本公开的实施例，补偿结构为一中间具有盲孔的柱状结构，盲孔用于使得入射的质子束流具有准直特性。
18.根据本公开的实施例，盲孔在入射方向上的长度为h1，补偿结构在入射方向上的厚度为d3，h1＜d3。
19.根据本公开的实施例，该装置还包括绝缘元件，绝缘元件设置于吸收结构和补偿结构之间。
20.根据本公开的实施例，绝缘元件的外侧表面贴合于补偿结构的内侧表面，绝缘元件的内侧表面贴合于吸收结构的外侧表面。
21.根据本公开的实施例，绝缘元件在入射方向上的厚度为d4，d4≤0.1mm。
22.根据本公开的实施例，该装置还包括筒状结构，筒状结构为单侧开口的壳体结构，用于为装置提供支撑。
23.根据本公开的实施例，吸收结构设置于筒状结构的底部，吸收结构的外壁面与筒状结构的内壁面贴合设置。
24.根据本公开的实施例，筒状结构包括连接孔，连接孔设置于筒状结构的底部，用于作为吸收结构的引出孔。
25.根据本公开的实施例，该装置还包括引出电极，引出电极设置于连接孔上，并与吸收结构接触连接，用于导出吸收结构的测量电信号。
26.根据本公开的实施例，筒状结构的材料为聚四氟乙烯。
27.本公开的另一方面提供了一种质子注量率测量系统，其中包括上述的装置和静电计；静电计与装置的引出电极连接，用于测量并显示引出电极导出的测量电信号。
28.(三)有益效果
29.本公开提供了一种质子注量率测量装置及系统，其中该装置包括吸收结构和补偿结构，吸收结构用于吸收入射的质子束流；补偿结构沿质子束流的入射方向设置于吸收结构之前，在测量质子束流注量率过程中为吸收结构提供二次电子发射补偿；其中，吸收结构和补偿结构采用的材料均为石墨。通过本公开实施例的质子注量率测量装置，可以通过二次电子发射补偿，避免高压电源的使用，在方便操作的同时，还确保了测量的准确率。同时，由于补偿结构和吸收结构的材料均采用石墨，使得该装置在大气下即可以实现质子注量率的测量，同时极大地降低了残余伽马辐射剂量，降低了探测过程中的电离辐射，确保试验人员的安全。
附图说明
30.图1为现有技术中的法拉第筒的剖面结构组成图；
31.图2示意性示出了本公开实施例的质子注量率测量装置的立体外观图；
32.图3示意性示出了本公开实施例的质子注量率测量装置的剖面结构图；
33.图4示意性示出了本公开实施例的补偿结构和吸收结构的技术原理图；
34.图5示意性示出了本公开另一实施例的质子注量率测量装置的剖面结构图；
35.图6示意性示出了本公开实施例的质子注量率测量装置的立体外观图；
36.图7示意性示出了本公开实施例的质子注量率测量系统的组成图；
37.图8示意性示出了本公开实施例的质子注量率测量装置的本底电流随时间的变化关系；
38.图9示意性示出了本公开实施例的质子注量率测量装置的注量率测量结果。
具体实施方式
39.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
40.需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
41.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
42.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
43.再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
44.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
45.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的代替特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
46.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、
图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
47.法拉第筒的基本结构参数包括：透射准直孔直径(即透射孔径)、吸收体厚度、内筒直径和长度。其中，透射孔径反映了测量面积的大小，测量面积较大则测量电流也较大；吸收体厚度取决于入射离子(质子)在吸收体金属中的射程，与质子能量有关，可以根据能量与射程的关系通过程序计算选取；内筒直径没有特殊要求，一般参照透射孔径或按常规法拉第筒结构设计。
48.如图1所示，现有技术中的法拉第筒一般为筒状结构，现有技术中的法拉第筒在上方装有两个环，即上环110和下环120。其中，上环110接地以保持地电位，下环接负300v高压，从而形成筒状结构的收集筒130中形成屏蔽电场，以保证外部杂散电子无法进入由筒状结构构成的收集筒130，使得收集筒130内部由入射离子产生的二次电子不能溅射出去。因此，收集筒130所收集到的电荷就是入射离子所带的电荷。理想状况下，法拉第筒能够完全捕获所有进入收集筒130的离子电荷以及收集筒130内部所产生的二次电子。
49.然而，此种类型的法拉第筒由于主要采用金属材料制备，需要放置于真空管道或者真空箱中保持真空状态才能进行质子注量率的测量，使得除产生剂量较高的伽马辐射之外，对真空度的要求也更高(例如至少达到10
‑5pa)。也即，这就对采用法拉第筒进行质子注量率测试所采用的真空系统提出了较高的要求，通常需要采用高昂的成本来提高测量真空度。
50.为解决现有技术中采用法拉第筒进行质子注量率测量时，造成的因伽马辐射剂量较高，使得试验人员在测试过程中面临极大的辐射安全隐患，本公开提供了一种质子注量率测量装置及系统。
51.如图2
‑
图6所示，本公开的一个方面提供了一种质子注量率测量装置200，其中包括吸收结构210和补偿结构220，吸收结构210沿测量质子束流的入射方向e设置，用于吸收入射的质子束流，以形成相应的测量电信号；补偿结构220沿质子束流的入射方向e设置于吸收结构210之前，用于在测量质子束流注量率过程(即质子辐照过程)中为吸收结构210提供二次电子发射补偿；其中，吸收结构210和补偿结构220的材料为石墨。
52.其中，由于石墨材料为原子序数较小的碳材料，将其作为吸收体结构210和补偿结构220，能够进一步减少质子与装置相互作用所产生残余伽马剂量，降低探测器产生的电离辐射。而且，因此也可以实现质子注量率在大气环境中的直接测试，使得本公开实施例的质子注量率测量装置200不再需要对真空度的要求，极大地节约了测试时间和成本，提高了测试效率。
53.此外，同补偿结构220对吸收结构210在质子辐照过程中所提供的二次电子发射补偿，使得本公开实施例的质子注量率测量装置200实现了对高能质子数的精确测量。
54.通过本公开实施例的质子注量率测量装置，可以通过二次电子发射补偿，避免高压电源的使用，在方便操作的同时，还确保了测量的准确率。同时，由于补偿结构和吸收结构的材料均采用石墨，使得该装置在大气下即可以实现质子注量率的测量，同时极大地降
低了残余伽马辐射剂量，降低了探测过程中的电离辐射，确保试验人员的安全。
55.如图2
‑
图6所示，根据本公开的实施例，该质子注量率测量装置还包括筒状结构230，筒状结构230为单侧开口201的壳体结构，用于为装置200提供测量支撑结构。
56.具体地，筒状结构230可以是圆柱体或棱柱体，以中心线a
‑
a
′
作为质子束流的入射方向，该入射方向所指的方向如图2
‑
图6所示的箭头e，该质子束流具有高能质子，e可以同时代表质子束流的能量值。其中，本公开实施例的质子注量率测量装置可以构成法拉第筒，并应用于质子束流的注量率测试。
57.如图2
‑
图6所示，根据本公开的实施例，吸收结构210设置于筒状结构230的底部，吸收结构210的外壁面与筒状结构230的内壁面贴合设置，其中，当质子束流能量为100mev时，吸收结构210在入射方向e上的厚度为d0，d0≥7cm。
58.具体地，吸收结构210作为收集极，为沿垂直于质子束流的入射方向e设置的柱状结构，如石墨柱，用于吸收高能质子束流，以受束流能量激发产生质子辐照电信号。吸收结构210可以相当于现有技术中法拉第筒的吸收体。吸收结构210具体为一直径可以为90mm、厚度为70mm的柱体状石墨吸收体。当质子束流能量为100mev时，吸收结构210的厚度d0≥7cm，可以保证质子束流不会透射吸收结构210，以免对注量率测量的精确度造成影响。
59.如图2
‑
图6所示，根据本公开的实施例，补偿结构220包括准直元件221，准直元件221沿筒状结构230的开口201边缘设置于筒状结构230中，具体为沿质子束流的入射方向设置于补偿元件之前，用于使得入射的质子束流具有准直特性。
60.根据本公开的实施例，当质子束流能量为100mev时，准直元件221在入射方向e上的厚度为d2，d2≥7cm。
61.根据本公开的实施例，准直元件221包括准直孔(如开口201所指的准直元件221的开孔)，准直孔对应筒状开口201、沿入射方向e穿设于准直元件221上。
62.根据本公开的实施例，准直孔在垂直于入射方向e上的直径为r1，r1≥1cm。
63.具体地，准直元件221可以为一准直器，主要用于对沿入射方向e进行辐照的高能质子束流进行辐照面积的限制，使得该束流具有准直特性，并辐照至吸收结构210上的面积保持一定，以便于实现对测量率的精确计算。当质子束流能量为100mev时，准直元件221的厚度d2≥7cm，可以使得准直元件221不易被质子束流透射，d2可以为70mm。
64.此外，准直孔可以为沿入射方向e透穿于准直元件221的贯穿孔，用于起到对质子束流的准直作用。准直孔与筒状开口201设置，准直孔的直径尺寸r1与开口201的直径尺寸一致，为确保质子束流的准直特性更好，准直孔的直径r1≥1cm，r1可以为20mm。
65.如图2
‑
图6所示，根据本公开的实施例，补偿结构220还包括补偿元件222，补偿元件222为垂直于入射方向e设置于筒状结构230中的片状结构，如石墨片，用于为吸收结构210在质子辐照过程中提供二次电子发射补偿。
66.根据本公开的实施例，补偿元件222在入射方向e上的厚度为d1，d1≤0.5mm。
67.其中，如图4所示，补偿元件222具体可以为一石墨薄片，用于进行二次电子的补偿过程如下：高能质子束流通过准直元件221的准直孔照射至补偿元件222的外侧表面上，穿过补偿元件222的质子到达吸收结构210时，在补偿元件222的外侧表面和内侧表面的两个表面以及吸收结构210的外侧表面均有二次电子发射，其中，补偿元件222的外侧表面发射二次电子y1，补偿元件222的内侧表面发射二次电子y2，其中y2入射到吸收结构210的外侧
表面上，y2的质子能量与吸收结构210的外侧表面出射的二次电子y3的能量基本相同。由于，此三个表面的表面状态一致，则三个表面最终产生的二次电子发射系数均相等。因此，在吸收结构210的外侧表面产生和发射的二次电子数可以实现相互补偿(即通过补偿元件222的二次电子y2补偿吸收结构210所损失的二次电子y3)。也即，补偿吸收结构210外侧表面自身发射的二次电子数与补偿元件222发射并到达吸收结构210的二次电子数应相等，达到吸收结构210的电子出入平衡，以此实现对收集极发射二次电子的补偿，借此可以实现收集极对高能质子数的精确测量。
68.需要说明的是，外侧表面为元件(例如补偿元件、准直元件、吸收结构等)朝向筒状结构230开口的侧表面，内侧表面为元件背向筒状结构230开口的侧表面。
69.进一步地，为确保中高能质子穿过补偿元件222后能量损失及角度歧离均较小可忽略，补偿效果更好，使得测量精确度更高，本公开实施例的补偿元件的厚度d1≤0.5mm，其中d1可以为0.1mm。
70.如图2
‑
图6所示，根据本公开的实施例，该质子注量率测量装置200还包括绝缘元件240，绝缘元件240设置于吸收结构210和补偿结构220的补偿元件222之间。
71.根据本公开的实施例，绝缘元件240在入射方向e上的厚度为d4，d4≤0.1mm。
72.为防止补偿结构220与吸收结构210之间的接触，以减少补偿结构220上的质子激发电子对吸收结构210的激发电信号造成影响，避免测量率的测试无效或精确度降低，需要通过绝缘元件将补偿结构220与吸收结构210进行绝缘隔开。但是绝缘元件可以通过质子，以避免对质子辐照效果的影响。其中，为确保质子注量率的测量准确度，绝缘元件的厚度d4≤0.1mm，d4可以为10μm。其中，绝缘元件240可以为kapton绝缘膜层。
73.如图2
‑
图6所示，根据本公开的实施例，绝缘元件240朝向补偿结构220的外侧表面贴合于补偿元件222内侧表面，朝向吸收结构210的内侧表面贴合于吸收结构210的外侧表面。
74.根据本公开的实施例，补偿元件222的外侧表面贴合于准直元件221的内侧表面。
75.为防止筒状结构中准直元件221与吸收结构210之间具有空气，影响本公开实施例的装置的测量率的测量准确度，需要使得准直元件221、补偿元件222、绝缘元件240、吸收结构210紧密贴合在一起。
76.如图5所示，根据本公开的另一实施例，补偿结构220为一中间具有盲孔的柱状结构，盲孔可以作为准直孔，用于使得入射的质子束流具有准直特性。
77.根据本公开的另一实施例，盲孔在入射方向上的长度尺寸为h1，补偿结构在入射方向上的厚度为d3，h1＜d3。
78.如图5所示，在本公开的另一实施例中，补偿结构220为一柱状体结构，中间的盲孔开设于补偿结构220朝向开口201的外侧表面上，盲孔并非是透穿设置于补偿结构220上的贯穿孔。也即，补偿结构220背向开口201的内侧表面没有被打穿。在本公开的另一实施例中，准直元件与补偿元件为一体成型设计的结构。而为确保补偿结构220的二次电子发射补偿效果，保证测量率的测量准确度，补偿结构在入射方向的厚度d3和盲孔的长度尺寸(即孔深度)h1满足h1＜d3。为与上述实施例对应，其中，h1与上述准直元件221的厚度d2相同，因此，上述补偿元件222的厚度与(d3
‑
h1)的差值相同。
79.如图2
‑
图6所示，根据本公开的实施例，筒状结构230的材料为聚四氟乙烯。在满足
绝缘效果的同时，可以防止质子束流的穿射，同时确保壳体结构的轻便和密封特性。
80.如图5
‑
图6所示，根据本公开的实施例，筒状结构230包括连接孔202，连接孔202设置于筒状结构230的底部，用于作为吸收结构210的引出孔。
81.根据本公开的实施例，该质子注量率测量装置200还包括引出电极250，引出电极250设置于连接孔202上，并与吸收结构210接触连接，用于导出吸收结构210的测量电信号。其中，引出电极250借助连接孔202穿射于筒状结构230上，同时将筒状结构23自底部密封。
82.如图7所示，本公开的另一方面提供了一种质子注量率测量系统，其中包括上述的质子注量率测量装置200和静电计300；静电计300与质子注量率测量装置200的引出电极250连通，用于测量并显示引出电极250导出的测量电信号。其中，静电计300可以为皮安表，或被替换为皮安表。
83.本公开的实施例的静电计300可以为电流测量范围为10
‑
17
～10
‑2a的测试显示设备，质子注量率测量装置200与静电计300之间通过同轴低噪声电缆连接，整体连接如图7所示。通过该测量系统对质子束流进行辐照测试，质子注量率测量装置200的本底电流仅为10
‑
14
a量级，完全满足pa量级质子束流的测量，可测最大电流达ma量级，因此还解决了宽量程质子注量率探测的问题。
84.如图8所示，为本公开实施例中上述测量系统进行二次电子发射补偿型大气质子注量率测量装置200的本底电流，测试时间100s。对于传统的法拉第筒，一般本底电流强度在几个pa到零点几个pa之间，而本公开实施例的二次电子发射补偿型质子注量率测量装置200的本底流强变化范围约在
‑
0.05pa～+0.05pa之间，可见，其具有较小的本底波动，因此探测下限范围较传统真空型法拉第筒扩展了约一个量级。
85.如图9所示为1
×
106～1
×
108p/cm
‑2·
s
‑1范围内的注量率测量，该质子注量率测量装置200能够实时反映出测量束流的强度波动变化情况，完全满足中能质子辐照实验束流测量的需求。而且，通过实验测量发现束流强度在1微安以内时，测量得到的质子束流注量率均可重复性测量且结果一致。同时，实验结束后5小时测量该质子注量率测量装置的残余伽马剂量约为几个μsv/h，处于安全剂量范围之内。与之对应的，而传统金属铜法拉第筒在相同束流强度辐照相同时间，停束5小时后残余伽马剂量约为几十μsv/h，伽马辐射残余剂量较高。最后，通过本公开实施例的大气环境下的质子注量率测量装置200与传统真空法拉第筒进行了测试结果的对比，二者测试结果误差在5％以内，满足中能质子辐照实验束流强度测量误差在20％以内的要求。也即，与本公开实施例的质子注量率测量装置能够满足大气测试环境，无需真空度的要求，极大地节约了测试的时间和成本，提高了测试效率。
86.因此，与传统技术相比，现有真空法拉第筒测量带电粒子流强度需要在真空环境下进行，操作复杂，且需要使用高压电源在抑制极加负偏压抑制二次电子的溢出，同时因中能质子辐照到金属材质的传统法拉第筒会产生较高剂量的残余伽马辐射，对实验操作人员产生较大的电离辐射危害。而采用上述本公开实施例的质子注量率测量装置作为法拉第筒进行中能质子测量率的测试，无需真空要求，在大气中就能进行很准确的测量，操作简便，节约时间和成本，成本大约仅是传统法拉第筒成本的10％。
87.同时，本公开实施例提供的质子注量率测量装置中，由于吸收结构和补偿结构采用的材料均为石墨，使得伽马辐射参与基本处在安全剂量范围之内，从而在保障人员安全的情况下提高了实验效率。实际上，该质子注量率测量装置还可以安放在样品架上，进行位
置的移动从而实现束流均匀性的测量，实现了功能多样化。
88.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。
89.需要说明的是，除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
90.虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
91.虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
92.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。