專利名稱：一種離子束流自動測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種離子束流自動測量系統(tǒng)及測量方法，涉及離子源、束流光學(xué)、離子注入技術(shù)、粒子加速器、核能等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于離子束流，對其束流強度、發(fā)射度、能散度和單原子離子比的測 量是具有很重要意義的。在離子源的研究中，離子束流的這些參數(shù)直接反映了離子源性能的好壞。離子注入技術(shù)是用能量為IOOkeV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能，在半導(dǎo)體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上獲得了極為廣泛的應(yīng)用。在離子注入技術(shù)中，離子束流的這些參數(shù)也直接影響著離子注入的效果。在粒子加速器領(lǐng)域中，將離子的能量加速到一定量級，從而利用高能離子束進(jìn)行基礎(chǔ)研究或放射治療。被加速的離子束，要求束流強度大、發(fā)射度低、能散度低、單原子離子比高。另外，在核能領(lǐng)域中，加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS系統(tǒng))是先進(jìn)核能研究的一個重要方面，其中，氘離子束由離子源產(chǎn)生，經(jīng)過加速器加速成高能氘離子束，最終打在旋轉(zhuǎn)氚靶上，發(fā)生氘氚聚變反應(yīng)，產(chǎn)生能量為14MeV量級的中子?，F(xiàn)行的離子束流的測量方法，對于束流強度，有法拉第筒法、二次電子補償法、直流束流變壓器(DCCT)等。其中，DCCT法允許離子束流無截止通過，但價格昂貴，二次電子補償法對材料制備要求較高，從經(jīng)濟適用角度考慮，目前測量非電子的離子束流的束流強度，一般采用法拉第筒法，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低、適用范圍廣，且精度較高。對于發(fā)射度的測量，多采用縫絲法，用縫和絲分別獲取單元束流的位置和發(fā)射角的信息。其分為多縫單絲法和單縫單絲法，其中多縫單絲法，結(jié)構(gòu)較為簡單，但是產(chǎn)生的多個單元束流之間會有相互影響，單縫單絲法能避開相鄰束流間的相互影響，精確度較高，但是此方法既要對極板電壓進(jìn)行掃描，又要對截面位置進(jìn)行掃描，故結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，測量速度相對較慢。對于能散度的測量，有電場減速法和電場偏轉(zhuǎn)法，其中電場偏轉(zhuǎn)法測量精度更高。對于單原子離子比的測量，主要有電場偏轉(zhuǎn)法和磁場偏轉(zhuǎn)法，根據(jù)不同荷質(zhì)比的粒子在電場或磁場中運動的軌跡不同，將一束離子束流中不同的粒子分開，從而測量其各種離子所占的比例。離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度和單原子離子比，都有相應(yīng)的測量方法。但是，目前的技術(shù)中，對離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度和單原子離子比的測量均是由完全獨立的系統(tǒng)完成的，沒有一個集成的系統(tǒng)，用來測量離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度和單原子離子比。在某些情況下，對離子束流的這四個參數(shù)都非常關(guān)心，需要獲取離子束流這四個參數(shù)的信息。但是，由于沒有一個集成的系統(tǒng)，所以對每一個參數(shù)進(jìn)行測量，都需要先將離子源裝置與該參數(shù)的測量裝置通過接口法蘭連接，還要保證束流所經(jīng)過空間維持一定的真空度。要進(jìn)行另一參數(shù)的測量，需要先停閉離子源系統(tǒng)，并將先前的測量裝置拆卸，再安裝此參數(shù)的測量裝置。此種測量方法，由于需要多次的安裝與拆卸、離子源系統(tǒng)的關(guān)閉與啟動，費時、費力、對離子源和參數(shù)測量裝置的損耗較大，同時影響了離子源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，一種可以在離子源穩(wěn)定運行不停機的狀態(tài)下完成對離子源離子束流所有參數(shù)的測量的系統(tǒng)是必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服 現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種離子束流的參數(shù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有操作方便、測量速度快、測量精度高、利于設(shè)備的維護(hù)等特點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種離子束流自動測量系統(tǒng)，包括離子源系統(tǒng)I、接口法蘭2、真空室3、束流強度測量探頭4、發(fā)射度測量探頭5、能散度測量探頭6、單原子離子比測量探頭7、束流截止裝置8、第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9、第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16、第一步進(jìn)電機10、第二步進(jìn)電機12、第三步進(jìn)電機17、第四步進(jìn)電機21、第一掃描電場電源14、第二掃描電場電源19、掃描磁場電源23、第一 A/D卡11、第二 A/D卡15、第三A/D卡20、第四A/D卡24、第五A/D卡25、第一 D/A卡13、第二 D/A卡18、第三D/A卡22和計算機26 ；離子束流從離子源系統(tǒng)I引出后，由連接真空室3的接口法蘭2進(jìn)入真空室3，真空室3中在束流線的兩側(cè)安裝了束流強度測量探頭4、發(fā)射度測量探頭5、能散度測量探頭6和單原子離子比測量探頭7，在真空室3中分別單獨完成對離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度、單原子離子比的自動測量；計算機26通過第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9和第一步進(jìn)電機10控制束流強度測量探頭4進(jìn)入和撤離束流線，束流強度測量探頭4得到的電流信號通過第一A/D卡11轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26中，計算機26對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示；計算機26通過第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9和第二步進(jìn)電機12控制發(fā)射度測量探頭5進(jìn)入和撤離束流線，計算機26發(fā)出的數(shù)字指令由第一 D/A卡13轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制第一掃描電場電源14對發(fā)射度測量探頭5中掃描電場的電壓進(jìn)行掃描,發(fā)射度測量探頭5得到的電流信號、束流位置信號和第一掃描電場電源14得到的電壓信號通過第二 A/D卡
15轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機26，計算機26進(jìn)行發(fā)射度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；計算26通過第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16和第三步進(jìn)電機17控制能散度測量探頭6進(jìn)入和撤離束流線，計算機26發(fā)出的數(shù)字指令由第二 D/A卡18轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制第二掃描電場電源19對能散度測量探頭6中掃描電場的電壓進(jìn)行掃描，能散度測量探頭6的電流信號以及第二掃描電場電源19輸出的電壓信號通過第三A/D卡20轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳輸?shù)接嬎銠C26，計算機26進(jìn)行能散度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；計算機26通過第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16和第四步進(jìn)電機21控制單原子離子比測量探頭7進(jìn)入和撤離束流線，計算機26發(fā)出的數(shù)字指令由第三D/A卡22轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制掃描磁場電源23對單原子離子比測量探頭7中磁場的場強進(jìn)行掃描，單原子離子比測量探頭7得到的電流信號以及掃描磁場電源23輸出的電壓信號通過第四A/D卡24轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26，計算機26計算單原子離子比，并將計算結(jié)果予以顯示；束流截止裝置8中的電流信號經(jīng)第五A/D卡25轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26中，計算機26對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示，由顯示的波形的穩(wěn)定性判斷束流是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。本發(fā)明中的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，由于束流強度測量探頭4、發(fā)射度測量探頭5、能散度測量探頭6、單原子離子比測量探頭7散熱能力的限制，所述離子束流的能量應(yīng)低于200keV,離子束流強度低于180mA。
本發(fā)明中一種離子束流自動測量系統(tǒng)的工作流程測量方法如下第一步，將離子源系統(tǒng)I通過連接法蘭2與真空室3連接；第二步，測量離子束流的束流強度通過計算機26向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9發(fā)出指令，控制第一步進(jìn)電機10，將束流強度測量探頭4移動到束流線上，束流強度測量探頭4得到的電流信號通過第一 A/D卡11轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26中，計算機26對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示；測量完畢后，第一控制步進(jìn)電機10將束流強度測量探頭4還原到束流強度測量探頭4的初始位置；第三步，測量離子束流的發(fā)射度通過計算機26向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9發(fā)出指令，控制第二步進(jìn)電機12，將發(fā)射度測量探頭5移動到束流線上，計算機26按照已編寫的 發(fā)射度測量程序，通過第一 D/A卡13控制第一掃描電場電源14，以控制對發(fā)射度測量探頭5極板電壓的掃描，另外，計算機26向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9發(fā)出指令，控制第二步進(jìn)電機12，以控制發(fā)射度測量探頭5的微動，從而完成發(fā)射度測量探頭5位置的掃描，發(fā)射度測量探頭5得到的電流信號、束流位置信號和第一掃描電場電源14得到的電壓信號通過第二A/D卡15轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機26，計算機26進(jìn)行發(fā)射度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；測量完畢后，第二步進(jìn)電機12將發(fā)射度測量探頭5還原到發(fā)射度測量探頭5的初始位置；第四步，測量離子束流的能散度通過計算機26向第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16發(fā)出指令，控制第三步進(jìn)電機17，將能散度測量探頭6移動到束流線上，通過第二 D/A卡18控制第二掃描電場電源19，以控制對能散度測量探頭6極板電壓的掃描，能散度測量探頭6的電流信號以及第二掃描電場電源19輸出的電壓信號通過第三A/D卡20轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳輸?shù)接嬎銠C26，計算機26進(jìn)行能散度計算，并將計算結(jié)果予以顯示。測量完畢后，第三步進(jìn)電機17將能散度測量探頭6還原到能散度測量探頭6的初始位置；第五步，測量離子束流的單原子離子比通過計算機26向第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16發(fā)出指令，控制第四步進(jìn)電機21，將單原子離子比測量探頭7移動到束流線上，通過第三D/A卡22控制掃描磁場電源23，以對單原子離子比測量探頭7磁場強度進(jìn)行掃描，單原子離子比測量探頭7得到的電流信號以及掃描磁場電源23輸出的電壓信號通過第四A/D卡24轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26，計算機26計算單原子離子比，并將計算結(jié)果予以顯示；測量完畢后，第四步進(jìn)電機21將單原子離子比測量探頭7還原到單原子離子比測量探頭7的初始位置；第六步，離子束流未穩(wěn)定、測量參數(shù)更換或未對離子束流進(jìn)行測量時，離子束流直接打在束流截止裝置8上，電流信號經(jīng)第五A/D卡25轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26中，計算機26對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示，由顯示的波形的穩(wěn)定性判斷束流是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；第七步，所有參數(shù)測量完畢，先關(guān)閉離子源系統(tǒng)I的運行，再斷開束流截止裝置8電源，最后關(guān)閉真空系統(tǒng)3電源。上述步驟中第二步到第五步?jīng)]有先后順序之分。所述的束流強度測量探頭4為一個法拉第筒，其結(jié)構(gòu)包括第一極板29、第二極板30、圓孔28、筒體31、進(jìn)水口 32、冷卻水流動槽33、出水口 34 ;圓孔28開在第一極板29和第二極板30上，第一極板29位于第二極板30前，筒體31位于第二極板30后，冷卻水流動槽33纏繞分布在筒體31外側(cè)，進(jìn)水口 32位于筒體31前端，出水口 34位于筒體31后端。所述發(fā)射度測量探頭5包括第一入射縫37、第一出射縫40、第一上極板38、第一下極板39、第二法拉第筒41 ;第一上極板38和第一下極板39平行放置，位于第一入射縫37和第一出射縫40之間，第一入射縫37和第一出射縫40的開口方向平行于第一上極板38和第一下極板39，第二法拉第筒41位于第一出射縫40之后。所述能散度測量探頭6包括第二入射縫43、第二出射縫49、第二上極板45、第二下極板46、第三法拉第筒50，第二上極板45和第二下極板4 6平行放置，第二上極板45接地，第二上極板45上開有第三入射縫47和第三出射縫48，第三入射縫47和第三出射縫48平行，且與第二入射縫43和第二出射縫49平行，第三法拉第筒50位于第二出射縫49后。所述單原子離子比測量探頭7由第四入射縫52、第四出射縫55、偏轉(zhuǎn)磁鐵54和第四法拉第筒56組成，偏轉(zhuǎn)磁鐵54為圓心角為90°的環(huán)形，第四入射縫52在偏轉(zhuǎn)磁鐵54前方，平行于偏轉(zhuǎn)磁鐵54截面放置，第四出射縫55在偏轉(zhuǎn)磁鐵54后方，平行于偏轉(zhuǎn)磁鐵54放置，第四法拉第筒56在第四出射縫55之后。所述的真空室3，其壓強應(yīng)維持在低于5X 10_3Pa。本發(fā)明的有益效果為(I)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，并非為束流強度測量探頭4、發(fā)射度測量探頭5、能散度測量探頭6、單原子離子比測量探頭7各自通過接口法蘭與離子源系統(tǒng)I連接，這樣解決了在對離子束流多個參數(shù)測量時所遇到的頻繁拆卸和安裝參數(shù)測量裝置的問題，減輕了由于經(jīng)常安裝和拆卸而對離子源和參數(shù)測量裝置的損壞，有利于對設(shè)備的維護(hù)，簡化了測量步驟，節(jié)省了測量時間，使測量過程簡便、快速、易行。(2)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以在離子源穩(wěn)定運行不停機的狀態(tài)下完成對離子束流所有參數(shù)的測量，并且對離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度、單原子離子比的測量都在同一物理環(huán)境中，提高了測量結(jié)果的可信度。另外，由于四個測量探頭更換時，不需要停止離子源的運行，使得對各個參數(shù)的測量是在同一束離子束流上進(jìn)行，降低了束流不穩(wěn)定性對測量結(jié)果的影響，提高測量結(jié)果的精確性。


圖I為本發(fā)明中一種離子束流自動測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊圖；圖2為本發(fā)明中一種離子束流自動測量系統(tǒng)的束流強度測量探頭(法拉第筒)示意圖；圖3為本發(fā)明中一種離子束流自動測量系統(tǒng)的發(fā)射度測量探頭示意圖；圖4為本發(fā)明中一種離子束流自動測量系統(tǒng)的能散度測量探頭示意圖；圖5為本發(fā)明中一種離子束流自動測量系統(tǒng)的單原子離子比測量探頭示意圖；圖6為本發(fā)明中一種離子束流自動測量系統(tǒng)的束流截止裝置示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明實施例一種離子束流自動測量系統(tǒng)包括離子源系統(tǒng)I、接口法蘭2、真空室3、束流強度測量探頭4、發(fā)射度測量探頭5、能散度測量探頭6、單原子離子比測量探頭7、束流截止裝置8、第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9、第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16、第一步進(jìn)電機10、第二步進(jìn)電機12、第三步進(jìn)電機17、第四步進(jìn)電機21、第一掃描電場電源14、第二掃描電場電源19、掃描磁場電源23、第一 A/D卡11、第二 A/D卡15、第三A/D卡20、第四A/D卡24、第五A/D卡25、第一 D/A卡13、第二 D/A卡18、第三D/A卡22和計算機26 ；離子束流從離子源系統(tǒng)I引出后，由連接真空室3的接口法蘭2進(jìn)入真空室3，真空室3中在束流線的兩側(cè)安裝了束流強度測量探頭4、發(fā)射度測量探頭5、能散度測量探頭6和單原子離子比測量探頭7，在真空室3中分別單獨完成對離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度、單原子離子比的自動測量；計算機26通過第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9和第一步進(jìn)電機10控制束流強度測量探頭4進(jìn)入和撤離束流線，束流強度測量探頭4得到的電流信號通過第一A/D卡11轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26中，計算機26對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示；計算機26通過第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9和第二步進(jìn)電機12控制發(fā)射度測量探頭5進(jìn)入和撤離束流線，計算機26發(fā)出的數(shù)字指令由第一 D/A卡13轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制第一掃描電場電源14對發(fā)射度測量探頭5中掃描電場的電壓進(jìn)行掃描,發(fā)射度測量探頭5得到的電流信號、束流位置信號和第一掃描電場電源14得到的電壓信號通過第二 A/D卡15轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機26，計算機26進(jìn)行發(fā)射度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；計算機26通過第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16和第三步進(jìn)電機17控制能散度測量探頭6進(jìn)入和撤離束流線，計算機26發(fā)出的數(shù)字指令由第二 D/A卡18轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制第二掃描電場電源19對能散度測量探頭6中掃描電場的電壓進(jìn)行掃描，能散度測量探頭6的電流信號以及第二掃描電場電源19輸出的電壓信號通過第三A/D卡20轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳輸 到計算機26，計算機26進(jìn)行能散度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；計算機26通過第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16和第四步進(jìn)電機21控制單原子離子比測量探頭7進(jìn)入和撤離束流線，計算機26發(fā)出的數(shù)字指令由第三D/A卡22轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制掃描磁場電源23對單原子離子比測量探頭7中磁場的場強進(jìn)行掃描，單原子離子比測量探頭7得到的電流信號以及掃描磁場電源23輸出的電壓信號通過第四A/D卡24轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26，計算機26計算單原子離子比，并將計算結(jié)果予以顯示；束流截止裝置8中的電流信號經(jīng)第五A/D卡25轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C26中，計算機26對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示，由顯示的波形的穩(wěn)定性判斷束流是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。本發(fā)明中的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，由于束流強度測量探頭4、發(fā)射度測量探頭5、能散度測量探頭6、單原子離子比測量探頭7散熱能力的限制，所述離子束流的能量應(yīng)低于200keV，離子束流強度應(yīng)低于180mA。如圖2所示，本發(fā)明中的束流強度測量探頭4為法拉第筒，包括第一極板29、第二極板30、圓孔28、筒體31、進(jìn)水口 32、冷卻水流動槽33、出水口 34。法拉第筒的基本結(jié)構(gòu)為圓筒狀結(jié)構(gòu)，用來收集束流及其打在筒壁濺射出來的二次電子，并避免其它電子進(jìn)入到收集筒中。束流27從第一極板29和第二極板30中的圓孔28進(jìn)入，極板29接地，保持地電位，極板30接負(fù)高壓，從而形成屏蔽電場，以保證外部電子無法進(jìn)入法拉第筒，且內(nèi)部濺射 的二次電子不能逃逸出去。筒體31采用流線型錐形結(jié)構(gòu)，有利于增大束流的接收面積，從而避免束流在小區(qū)域內(nèi)堆積，提高散熱效率。另外，為了加快散熱，對筒體31采取水冷措施。冷卻水由進(jìn)水口 32進(jìn)入，經(jīng)過冷卻水流動槽33，從出水口 34流出，以很快帶走法拉第筒壁上的熱量。冷卻水的流速越快，溝槽覆蓋面積越大，就能越快帶走筒體的熱量，對筒體的冷卻效果就越好。對離子束流的束流強度的測量過程為，束流穩(wěn)定后，計算機26向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9發(fā)出指令，控制第一步進(jìn)電機10推動束流強度測量探頭4進(jìn)入到束流線上，離子束流27由圓孔28進(jìn)入筒體31，被筒壁接收，使筒體帶電荷，將電荷引出形成電流信號，此電流信號即是束流強度，經(jīng)A/D卡11將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳遞到計算機26，由計算機26進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示?！と鐖D3所示，本發(fā)明的發(fā)射度測量探頭5結(jié)構(gòu)包括第一入射縫37、第一出射縫40、發(fā)射度測量探頭的外部支撐36、第一上極板38、第一下極板39、第二法拉第筒41 ;第一上極板38和第一下極板39平行放置,位于第一入射縫37和第一出射縫40之間,第一入射縫37和第一出射縫40與第一上極板38和第一下極板39平行，第二法拉第筒41位于第一出射縫40之后。其測量原理為縫絲法中的單縫單絲法。離子束流35由測量裝置的第一入口縫37進(jìn)入裝置內(nèi)部，離子束流在第一上極板38和第一下極板39之間的偏轉(zhuǎn)電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過第一出口縫40進(jìn)入第二法拉第筒41。第一上極板38和第一下極板39長度為L，距離為D，之間加掃描電壓V。第一入口縫37很窄，寬度約為20um，只能在束流截面上截取一小簇束流。假設(shè)離子束的能量為E，只有離子運動方向與束流中心軸線夾角Θ (離子偏角)與掃描電壓V滿足關(guān)系式tan Θ = VL/4ED(I)時才可以通過第一出口縫41，被第二法拉第筒41接收，并由第二法拉第筒41后端的電子學(xué)系統(tǒng)弓I出電流信號。在束流截面的不同位置X處，掃描第一上極板38與第一下極板39間所加的偏轉(zhuǎn)電壓V，在位置X處截取的一簇束流中偏角Θ與掃描偏轉(zhuǎn)電壓V滿足關(guān)系式(I)的離子可以通過第一出口縫40進(jìn)入第二法拉第筒41，這樣當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓V掃描一個周期后，該簇束流中各個偏角的離子將在對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)電壓下進(jìn)入第二法拉第筒41，第二法拉第筒41引出電流的大小反映該偏角離子的多少，進(jìn)而得到束流截面X處偏角Θ的分布。發(fā)射度測量探頭5微動的步長為d，在束流截面X處完成偏轉(zhuǎn)電壓的掃描后，發(fā)射度測量探頭5步進(jìn)到下一個位置x+d處，截取束流截面x+d處束流，掃描偏轉(zhuǎn)電壓，得到束流截面x+d處偏角Θ的分布。完成對束流截面位置X的掃描后，可以得到束流截面上各X處離子偏角Θ的分布。發(fā)射度的一種常見定義是束流的相面積除以π，由下式得到ε (mm · mrad) = (I/ π ) f f ￡2dxdx/ (2)離子動量p在X方向的分量為Px，在束流運動方向z方向的分量為Pz，上式中V
為Px與Pz之比，即
Pxx----U
Pz由于離子偏角Θ很小，所以有近似關(guān)系= ~~ = tan Θ ^ Θ(4)
Pz結(jié)合式(I)可得，X' = VL/4ED(5)完成對束流截面位置X的掃描后得到的束流截面上各X處離子偏角Θ的分布，也就是束流截面上各X處V的分布。由式(2)得到離子束流的發(fā)射度。對離子束流的發(fā)射度的測量過程為，計算機26向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置9發(fā)出指令，控制第二步進(jìn)電機12推動發(fā)射度測量探頭5進(jìn)入束流線上，當(dāng)?shù)谝蝗肟诳p37即將達(dá)到束流線35的邊緣時，發(fā)射度測量探頭5的運動狀態(tài)變化為微小移動，使第一入口縫37從束流35截面的一端按照一定的步長d緩慢步進(jìn)到另一端，實現(xiàn)對束流橫截面方向的不同位置X的掃描。第二步進(jìn)電機12步進(jìn)的步長精度在um量級。測量時通過計算機26中已編寫的測量程序設(shè)定第二步進(jìn)電機12的運行參數(shù)。當(dāng)?shù)诙竭M(jìn)電機12停在一個測量位置時，第一入口縫37處于束流35的截面X處時，截取了一小簇束流，偏壓電源14向第一上極板38和第一下極板39提供極性相反的階梯形電壓，使截取的一小簇束流中速度方向與束中心線有不同夾角的離子依次經(jīng)過第一出口縫40進(jìn)入第二法拉第筒41，從而實現(xiàn)對束流散 角的掃描。第一掃描電源14輸出電壓的變化由第一 D/A卡13控制，掃描電壓的階梯變化量可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。通過第二法拉第筒41測量到的束流電流信號經(jīng)過放大后輸入A/D卡15，與此電流信號相對應(yīng)的上下極板偏轉(zhuǎn)電壓也同時輸入第二 A/D卡15。束流信號、第一上極板38與第一下極板39間所加的偏轉(zhuǎn)電壓V、該測量位置的電機走步數(shù)三者同時被計算機26采集。完成電壓的掃描后，計算機26中已編寫測量程序設(shè)定第二控制步進(jìn)電機12運行到下一個測量位置x+d處，重復(fù)以上步驟。整個測量過程完成后，可通過程序選擇電機復(fù)位或者沿反方向繼續(xù)測量。束流信號、第一上極板38與第一下極板39間所加的偏轉(zhuǎn)電壓V、電機走步數(shù)三者同時被計算機26采集后，束流截面位置X由電機走步數(shù)給出，在束流截面位置X處，當(dāng)束流信號的值I大于設(shè)定的閾值Itl (I0為本底和噪聲帶來的電流值)時，表示此時有離子通過第一出口縫40進(jìn)入第二法拉第筒41，與此束流信號的值I相對應(yīng)的V值，與V有關(guān)系式(5)，從而可以建立束流截面位置X處X'的分布，計算機26繪制此分布圖，即發(fā)射相圖，并通過式(2 )得到束流發(fā)射度的值。如圖4所示，本發(fā)明的能散度測量探頭6，結(jié)構(gòu)包括第二入射縫43、第二出射縫49、第二上極板45、第二下極板46、第三法拉第筒50、能散度測量探頭外部支撐結(jié)構(gòu)44，第二上極板45和第二下極板46平行放置，第二上極板45接地，第二上極板45上開有第三入射縫47和第三出射縫48，第三入射縫47和第三出射縫48平行，第三法拉第筒50位于第二出射縫49后。其測量原理基于帶電離子束流在電場中的偏轉(zhuǎn)。離子束流42由第二入射縫43進(jìn)入測量裝置內(nèi)部，由第二上極板45的第三入射縫47進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，在第二上極板45和第二下極板46之間加有掃描電壓V，離子束流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，離子束流中不同能量的離子在偏轉(zhuǎn)電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的程度不同，只有當(dāng)離子的能量與偏轉(zhuǎn)電壓滿足一定條件時，離子才能通過第二上極板45的第三出射縫48和第二出射縫49進(jìn)入第三法拉第筒50。對離子束流的能散度的測量過程為，計算機26向第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置16發(fā)出指令，控制第三步進(jìn)電機17推動能散度測量探頭6進(jìn)入束流線上，離子束流由第二入射縫43和第三入射縫47進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，第二掃描電源19對第二上極板45和第二下極板46提供極性相反的階梯形電壓，使不同能量的離子在不同的偏轉(zhuǎn)電壓下經(jīng)過第三出射縫48和第二出射縫49進(jìn)入第三法拉第筒50。第二掃描電源19輸出電壓的變化由計算機26通過第二 D/A卡18進(jìn)行控制，由第三法拉第筒50引出的電流信號，與同此束流信號相對應(yīng)的極板電壓信號一起，經(jīng)過第三A/D卡20傳輸?shù)接嬎銠C26中，由計算機26進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，得到不同能量離子的束流強度分布，即能譜分布。此分布近似為高斯分布，記分布曲線中束流強度為最大值的一半處的能量寬度(半高寬)為Λ ε1/2，束流強度最大值處所對應(yīng)的能量為％，則得到離子束流的能散度值K為
權(quán)利要求
1.一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于包括離子源系統(tǒng)(I)、接口法蘭(2)、真空室(3)、束流強度測量探頭(4)、發(fā)射度測量探頭(5)、能散度測量探頭(6)、單原子離子比測量探頭(7)、束流截止裝置(8)、第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(9)、第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(16)、第一步進(jìn)電機(10)、第二步進(jìn)電機(12)、第三步進(jìn)電機(17)、第四步進(jìn)電機(21)、第一掃描電場電源(14)、第二掃描電場電源(19)、掃描磁場電源(23)、第一 A/D卡(11)、第二 A/D卡(15)、第三 A/D 卡(20)、第四 A/D 卡(24)、第五 A/D 卡(25)、第一 D/A 卡(13)、第二 D/A 卡(18)、第三D/A卡(22)和計算機(26);離子束流從離子源系統(tǒng)(I)引出后，由連接真空室(3)的接口法蘭(2)進(jìn)入真空室(3)，真空室(3)中在束流線的兩側(cè)安裝了束流強度測量探頭(4)、發(fā)射度測量探頭(5)、能散度測量探頭(6)和單原子離子比測量探頭(7)，在真空室(3)中分別單獨完成對離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度、單原子離子比的自動測量；計算機(26 )通過第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(9 )和第一步進(jìn)電機(10 )控制束流強度測量探頭(4)進(jìn)入和撤離束流線，束流強度測量探頭(4)得到的電流信號通過第一 A/D卡(11)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(26)中，計算機(26)對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示；計算機(26)通過第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(9)和第二步進(jìn)電機(12)控制發(fā)射度測量探頭(5)進(jìn)入和撤離束流線，計算機(26 )發(fā)出的數(shù)字指令由第一 D/A卡(13 )轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制第一掃描電場電源(14)對發(fā)射度測量探頭(5)中掃描電場的電壓進(jìn)行掃描,發(fā)射度測量探頭(5)得到的電流信號、束流位置信號和第一掃描電場電源(14)得到的電壓信號通過第二A/D卡(15)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機(26)，計算機(26)進(jìn)行發(fā)射度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；計算機(26)通過第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(16)和第三步進(jìn)電機(17)控制能散度測量探頭(6)進(jìn)入和撤離束流線，計算機(26)發(fā)出的數(shù)字指令由第二 D/A卡(18)轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制第二掃描電場電源(19)對能散度測量探頭(6)中掃描電場的電壓進(jìn)行掃描，能散度測量探頭(6)的電流信號以及第二掃描電場電源(19)輸出的電壓信號通過第三A/D卡(20 )轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳輸?shù)接嬎銠C(26 )，計算機(26 )進(jìn)行能散度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；計算機(26)通過第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(16)和第四步進(jìn)電機(21)控制單原子離子比測量探頭(7 )進(jìn)入和撤離束流線，計算機(26 )發(fā)出的數(shù)字指令由第三D/A卡(22)轉(zhuǎn)換成模擬信號后，控制掃描磁場電源(23)對單原子離子比測量探頭(7)中磁場的場強進(jìn)行掃描，單原子離子比測量探頭(7)得到的電流信號以及掃描磁場電源(23)輸出的電壓信號通過第四A/D卡(24)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(26)，計算機(26)計算單原子離子比，并將計算結(jié)果予以顯示；束流截止裝置(8)中的電流信號經(jīng)第A/D卡(25)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(26)中，計算機(26)對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示，由顯示的波形的穩(wěn)定性判斷束流是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述離子束流的能量應(yīng)低于200keV，離子束流強度低于180mA。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述的束流強度測量探頭(4)為一個法拉第筒，其結(jié)構(gòu)包括第一極板(29)、第二極板(30)、圓孔(28)、筒體(31)、進(jìn)水口( 32 )、冷卻水流動槽(33 )、出水口( 34 );圓孔(28 )開在第一極板(29 )和第二極板(30)上，第一極板(29)位于第二極板(30)前，筒體(31)位于第二極板(30)后，冷卻水流動槽(33)纏繞分布在筒體(31)外側(cè)，進(jìn)水口( 32)位于筒體(31)前端，出水口( 34)位于筒體(31)后端。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)射度測量探頭(5)包括第一入射縫(37)、第一出射縫(40)、第一上極板(38)、第一下極板(39)、第二法拉第筒(41);第一上極板(38)和第一下極板(39)平行放置，位于第一入射縫(37)和第一出射縫(40 )之間，第一入射縫(37 )和第一出射縫(40 )的開口方向平行于第一上極板(38)和第一下極板(39)，第二法拉第筒(41)位于第一出射縫(40)之后。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述能散度測量探頭(6)包括第二入射縫(43)、第二出射縫(49)、第二上極板(45)、第二下極板(46)、第三法拉第筒(50)，第二上極板(45)和第二下極板(46)平行放置，第二上極板(45)接地，第二上極板(45)上開有第三入射縫(47)和第三出射縫(48)，第三入射縫(47)和第三出射縫(48)平行，且與第二入射縫(43)和第二出射縫(49)平行，第三法拉第筒(50)位于第二出射縫(49)后。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述單原子離子比測量探頭(7 )由第四入射縫(52 )、第四出射縫(55 )、偏轉(zhuǎn)磁鐵(54 )和第四法拉第筒(56 )組成，偏轉(zhuǎn)磁鐵(54)為圓心角為90°的環(huán)形，第四入射縫(52)在偏轉(zhuǎn)磁鐵(54)前方，平行于偏轉(zhuǎn)磁鐵(54)截面放置，第四出射縫(55)在偏轉(zhuǎn)磁鐵(54)后方，平行于偏轉(zhuǎn)磁鐵(54)放置，第四法拉第筒(56 )在第四出射縫(55 )之后。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述真空室(3)為圓柱形，其壓強應(yīng)低于5X10_3Pa。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-6任意之一所述的一種離子束流自動測量系統(tǒng)，其特征在于所述第一法拉第筒(4)、第二法拉第筒(41)、第三法拉第筒(50)、第四法拉第筒(56)的筒體采用流線型錐形結(jié)構(gòu)，以增大束流的接收面積，加快筒體的散熱；筒體外壁刻有冷卻水流動溝槽，以冷卻筒體。
9.一種離子束流自動測量方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下 第一步，將離子源系統(tǒng)(I)通過連接法蘭(2 )與真空室(3 )連接； 第二步，測量離子束流的束流強度通過計算機(26)向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(9)發(fā)出指令，控制第一步進(jìn)電機(10)，將束流強度測量探頭(4)移動到束流線上，束流強度測量探頭(4 )得到的電流信號通過第一 A/D卡(11)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(26 )中，計算機(26 )對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示；測量完畢后，第一控制步進(jìn)電機(10 )將束流強度測量探頭(4)還原到束流強度測量探頭(4)的初始位置； 第三步，測量離子束流的發(fā)射度通過計算機(26)向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(9)發(fā)出指令，控制第二步進(jìn)電機(12)，將發(fā)射度測量探頭(5)移動到束流線上，計算機(26)按照已編寫的發(fā)射度測量程序，通過第一 D/A卡(13)控制第一掃描電場電源(14)，以控制對發(fā)射度測量探頭(5)極板電壓的掃描，另外，計算機(26)向第一步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(9)發(fā)出指令，控制第二步進(jìn)電機(12)，以控制發(fā)射度測量探頭(5)的微動，從而完成發(fā)射度測量探頭(5)位置的掃描，發(fā)射度測量探頭(5)得到的電流信號、束流位置信號和第一掃描電場電源(14)得到的電壓信號通過第二 A/D卡(15)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機(26)，計算機(26)進(jìn)行發(fā)射度計算，并將計算結(jié)果予以顯示；測量完畢后，第二步進(jìn)電機(12)將發(fā)射度測量探頭(5)還原到發(fā)射度測量探頭(5)的初始位置； 第四步，測量離子束流的能散度通過計算機(26)向第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(16)發(fā)出指令，控制第三步進(jìn)電機(17)，將能散度測量探頭(6)移動到束流線上，通過第二 D/A卡(18)控制第二掃描電場電源(19)，以控制對能散度測量探頭(6)極板電壓的掃描，能散度測量探頭(6)的電流信號以及第二掃描電場電源(19)輸出的電壓信號通過第三A/D卡(20)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳輸?shù)接嬎銠C(26)，計算機(26)進(jìn)行能散度計算，并將計算結(jié)果予以顯示。測量完畢后，第三步進(jìn)電機(17)將能散度測量探頭(6)還原到能散度測量探頭(6)的初始位置； 第五步，測量離子束流的單原子離子比通過計算機(26)向第二步進(jìn)電機驅(qū)動裝置(16)發(fā)出指令，控制第四步進(jìn)電機(21)，將單原子離子比測量探頭(7)移動到束流線上，通過第三D/A卡(22 )控制掃描磁場電源(23 )，以對單原子離子比測量探頭(7 )磁場強度進(jìn)行掃描，單原子離子比測量探頭(7)得到的電流信號以及掃描磁場電源(23)輸出的電壓信號通過第四A/D卡(24)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(26 )，計算機(26 )計算單原子離子比，并將計算結(jié)果予以顯示；測量完畢后，第四步進(jìn)電機(21)將單原子離子比測量探頭(7)還原到單原子離子比測量探頭(7)的初始位置； 第六步，離子束流未穩(wěn)定、測量參數(shù)更換或未對離子束流進(jìn)行測量時，離子束流直接打在束流截止裝置(8)上，電流信號經(jīng)第A/D卡(25)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(26)中，計算機(26)對此信號進(jìn)行濾波與成形處理并予以顯示，由顯示的波形的穩(wěn)定性判斷束流是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)； 第七步，所有參數(shù)測量完畢，先關(guān)閉離子源系統(tǒng)(I)的運行，再斷開束流截止裝置(8)電源，最后關(guān)閉真空系統(tǒng)(3)電源。
全文摘要
一種離子束流自動測量系統(tǒng)及測量方法，將離子束流的四個參數(shù)(束流強度、發(fā)射度、能散度、單原子離子比)的測量探頭有機集成在一個真空室中，用來測量離子束流的束流強度、發(fā)射度、能散度和單原子離子比。四個參數(shù)的測量探頭是可運動的，其運動由步進(jìn)電機驅(qū)動，并由計算機控制步進(jìn)電機的運行、測量數(shù)據(jù)的采集與處理。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)可以在離子源穩(wěn)定運行不停機的狀態(tài)下完成對離子束流所有參數(shù)的測量；(2)減少了各個參數(shù)測量裝置的安裝與拆卸工序，降低對離子源和各參數(shù)測量裝置的損壞，同時使測量過程方便、快速；(3)降低環(huán)境因素的影響，提高參數(shù)測量的精度。
文檔編號G01T1/29GK102819033SQ20121031338
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者陳學(xué)勇, 宋逢泉, 祝慶軍, 廖燕飛, 宋鋼 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院