[实用新型]一种脉冲电子加速器纳皮安电子束流测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电子加速器脉冲电子束流测量系统，关键涉及到毫秒脉冲的纳皮安(10^-12～10^-9A/cm²)微束流测量，属于电子辐射环境地面模拟与测试领域。

背景技术

空间高能电子所引发的介质深层带电对地球同步轨道、极轨道飞行器以及各种深空探测飞行器的工作安全性和可靠性带来了严重的威胁，进行相关的地面模拟和评价是航天器辐射防护不可缺少的一部分。目前工业和科研用电子加速器束流密度在μA/cm²量级，一般认为在空间诱发卫星内带电的高能电子束流密度在pA/cm²量级，而目前国内还缺乏对电子加速器模拟空间电子环境时微弱束流测试系统的研究。

法拉第筒、罗科夫斯基线圈、壁电流探测器、磁探针等都是常见的辐射束流测量方法。一般用于加速器束流测量时壁电流探测器、束流积分器和磁感应线圈法等测量范围都在nA-A量级，核物理实验中的金硅面垒和锂漂移半导体探测器测量的最大流强为10^-14A，而法拉第探测器是最常用的束流流强测量仪器，具有结构简单、测量范围宽的特点，由于受到带电粒子在空气中电离、二次电子发射和电磁干扰等多种因素的影响一般测量范围仅在nA～kA量级。2000年，西北核技术研究所通过合理设计法拉第筒，并选用6517A高阻计和低噪声三同轴屏蔽电缆搭建了pA级质子束流测试系统，弥补了10^-13～10^-9A/cm²质子束流强度测试的空档。但是该方法并不能适用于脉冲式电子束流的测量，主要原因是质子与电子能量范围不同，对物质作用规律也不同，因而电子收集原理和方法及设计也不同，而且其质子束流为恒定信号，相应的系统不能用于脉冲信号的测量。探测效率是对法拉第筒设计的基本要求，对电子束流而言，前者主要是抑制二次电子发射，如施加抑制电压或磁场，或者法拉第筒采用筒型而不是平板型。

发明内容

本实用新型目的是提供一种脉冲式纳皮安电子束流的实时、高精度和易用的测量系统。

本实用新型的技术方案

本实用新型由新型斜底面法拉第筒、三同轴电缆和纳皮安级电流放大器组成，测量结果可通过示波器或数据采集卡获取。其斜底面法拉第筒电子收集系统解决了高能电子(MeV)的收集效率问题，提高了收集效率；采用三同轴电缆有效降低了电磁场干扰；纳皮安级电流放大器解决了电子辐照条件下稳定的电流线形放大问题，将微弱电流信号转换为电压信号，便于示波器或数据采集卡等获取数据。本实用新型解决了纳皮安脉冲电子束流的测量问题，保证了测量的准确性、实时性和易用性。

本实用新型包括脉冲式电子加速器、真空室、斜底面法拉第筒、三同轴电缆、弱电流放大器、示波器、压板、绝缘膜、屏蔽铝箔、内筒、保护筒、内筒底、屏蔽筒、螺栓、固定块、收集极、垫块、保护极、固定座、底座。

在电子加速器的真空室内，将斜底面法拉第筒置于的样品台上，微弱电流放大器盒置于样品台侧，避免直接受到电子辐照，将斜底面法拉第筒引出的三同轴电缆与弱电流放大器相连，弱电流放大器的电源与真空室壁相应的电源针孔相连，弱电流放大器输出端与真空室壁引出针相连；在真空室外，将弱电流放大器输出对应信号用三同轴电缆引至控制间的示波器输入端，弱电流放大器电源与试验室电源相连；法拉弟筒与弱电流放大器通过三同轴电缆相连。

斜底面法拉第筒底部采用表面与筒轴线夹角大于0°且小于90°的斜面。

放大器输出信号可以与数字示波器或数据采集卡相连，显示电压信号或将其保存为数据文件。

本测试系统工作流程为：

第一步，开启电子加速器的真空系统，使其真空度优于10^-3Pa；

第二步，接通示波器和放大器电源，获取束流测量系统的本底噪声，确保系统噪声在可接受范围内；

第三步，调整电子加速器束流和能量参数，达到试验要求参数后依次开启加速器的各个部分，使其进入工作状态；

第四步，在示波器上调整获取脉冲电流波形，监测电压脉冲信号变化，并保存相应的数据文件；

第五步，取法拉第筒的收集面积为A(cm²)，放大器的放大倍数为K(V/A)，电压脉冲信号瞬时大小为U(V)，那么根据如下关系式计算实际电子束流：

J(t)＝U(t)/(KA)

第六步，根据需要进一步计算脉冲束流的平均值。设所记录数据的时间长度为T秒，那么平均值的数值积分计算公式为：