专利名称：一种用于低能重离子的束团参数测量系统，以及一种频率谐振选能能量测量方法
技术领域：
本发明涉及低能重离子的束团参数测量，更具体地涉及一种用于低能重离子的束团参数测量系统，以及一种频率谐振选能能量测量方法。
背景技术：
一般而言，需要对离子源输出的束团，进行各种束团参数，如发射度、能散度以及离子比等参数的诊断，以便合理设计各种加速器参数对该束团进行利用。对于电子机器而言，输出的电子束由于其静止能量较小，电子枪输出的束团β值已经接近1，诊断时可以不考虑空间电荷效应的影响，可以在足够的空间距离上安排各种诊断仪器对其进行各种参数的测量。但对于重离子源输出的低能重离子束团而言，由于能量一般仅数十keV，束团β值一般远小于1，束团内部存在比较严重的空间电荷效应，即束团外围的离子受到其内部离子的静电排斥作用，该静电排斥作用将随着时间，或者说离子漂移距离的增加而线性增加，由此导致束团参数的恶化。因此，在尽可能短的漂移距离内完成各种束团参数的诊断，成为低能重离子源的迫切需求。目前，对于重离子源的发射度测量，主要采用Alison电偏转平台方案，参见P.ff.Allison, J.D.Sherman, et.al., “An Emittance Scanner for Intense Low-Energy1n Beams”IEEE Transactions on Nuclear Science, 1983，30 (4): 2204,该方案可以在几百毫米的漂移距离之内完成发射度测量。但是该方案的缺点是只能实现对束团的发射度测量，如果需要完成能散度、离子比测量，则需增加新的测量设备，占用更多纵向空间，导致空间电荷效应增加。对于能散度、离子比测量，则采用偏转磁铁方案，需要的漂移距离主要由能散度的测量分辨率决定，一般而言，具有能量偏差的重离子，通过偏转磁铁后的束团尺寸变化，由能量偏差ΛΕ/Ε+Ε。及速度偏差Λν/ν=ΛΕ/2Ε决定，其中Etl是该种离子的静止能量，E是该离子束团的平均动能。由于静止能量远大于平均动能，一般而言，通过偏转磁铁后的束团尺寸变化主要由速度偏差决定，也就是Λ σ/σ=ΛΕ/2Ε，其中，σ是离子束半径。如果需要得到0.1%的能散度测量分辨率，则需要束团尺寸的测量分辨率为0.05%，而由于较强的空间电荷效应导致的束团弥散，使得实现此种程度的束团尺寸测量分辨率成为几乎不可能完成的任务，进而导致该低能重离子的能散度达不到一定的分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低能重离子的束团参数测量系统，以及一种频率谐振选能能量测量方法，从而解决现有技术中空间电荷效应导致束团弥散，进而导致低能重离子源的能散度的测量分辨率不高，以及需要分别通过增加新的设备才能实现对能散度、发射度、离子比三种参数的测量的缺陷。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:本发明提供一种用于低能重离子的束团参数测量系统，所述测量系统包括:步进电机驱动平台，真空内测量探头，数据采集系统以及外部激励源，其中，所述真空内测量探头包括:由低能重离子依次穿过的前位置选择狭缝、前平板激励电极、后平板激励电极以及后位置选择狭缝；以及位于所述后位置选择狭缝之后的法拉第筒(Faraday Cup);其中，所述前平板激励电极和后平板激励电极分别包括一对平行设置的上电极板和下电极板，所述上电极板和下电极板分别设置于所述低能重离子的束流中轴线的上方和下方，所述前平板激励电极和后平板激励电极之间间隔一漂移段；其中，所述真空内测量探头装载于所述步进电机驱动平台上，所述外部激励源分别与所述前平板激励电极和后平板激励电极电连接，并受所述数据采集系统控制，以输出激励信号，所述数据采集系统与所述法拉第筒相连。所述外部激励源包括扫频激励源和三角波激励源。所述前平板激励电极和后平板激励电极的所述上、下电极板的电极间距在汽缸或电机的驱动下改变。所述电极间距在5mm和15mm两档之间切换，分别用于能散度和发射度的测量。所述前位置选择狭缝和后位置选择狭缝的宽度均为20 μ m。所述前平板激励电极和后平板激励电极的长度与所述漂移段的长度均为100mm。本发明还提供一种频率谐振选能能量测量方法，所述方法包括使用如上所述的测量系统，其中，低能重离子进入所述真空内测量探头，依次穿过前位置选择狭缝、前平板激励电极、后平板激励电极以及后位置选择狭缝，通过所述外部激励源调整施加到所述前平板激励电极和后平板激励电极上的谐振频率，所述真空内测量探头在所述步进电机驱动平台的驱动下完成对所述低能重离子的束团参数的测量。所述束团参数的测量包括能散度、发射度以及离子比的测量。所述能散度的测量包括以下步骤:1)分别调整所述前、后平板激励电极的电极间距，通过步进电机驱动平台驱动真空内测量探头至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得所述法拉第筒度数最大，然后将外部激励源切换至扫频激励源，并使得所述前、后平板激励电极上所加激励信号反相；2)在不同激励频率fE下记录法拉第筒读数的最大值Qm，得到完整的fE Qm曲线；3)通过数据拟合得到所述fE Qm曲线的半高全宽σ f，通过。E2=0f2-0(12计算束团的能散度σΕ，其中，％为所述测量系统的能量分辨率。σ。主要由狭缝的宽度、激励电压以及法拉第筒在该流强下的随机误差决定，可通过多离子模拟得到，也可通过多次试验测试得到。所述发射度的测量包括以下步骤:1)分别调整所述前、后平板激励电极的电极间距，通过步进电机驱动平台驱动真空内测量探头至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得所述法拉第筒读数最小，然后将外部激励源切换至三角波激励源，并使得所述前、后平板激励电极上所加激励信号同相；2)驱动所述步进电机驱动平台，固定真空内测量探头在位置P，在第i个激励电压V。下记录法拉第筒读数的最大值Qiip，得到该点的\ρ ％，ρ曲线；3)将所述步进电机驱动平台的位置从束团的一个边缘朝向束团中心位置方向逐点改变，直到所述法拉第筒读数至噪音水平，从而得到全部行程范围内的的\ρ Qiip曲线；4)通过数据拟合即可得到三维曲面的积分面积ε ν，由此即可得到该束团的发射度。所述离子比的测量包括以下步骤:1)分别调整前、后平板激励电极的电极间距，通过步进电机驱动平台驱动真空内测量探头至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得所述法拉第筒读数最大，然后将外部激励源切换至扫频激励源，并使得所述前、后平板激励电极上所加激励信号反相；2)根据预知离子种类，设置不同激励频率fk及带宽fBD，在不同激励频率下记录法拉第筒读数的最大值Qm，得到完整的fk Qm曲线；3)对不同频率峰值处的法拉第筒读数进行曲线积分，该积分值正比于该种离子的数量，所有峰值附近积分值的和即总离子数量，对总数量进行归一化处理，从而得到束团内部各种离子的离子比。本发明所提供的频率谐振选能能量测量方法是一种基于飞行时间法提出的能量测量方案。具体而言，就是不同能量的离子具有不同的飞行速度，从而通过同等空间距离的时间不等，S卩Λν/ν=ΛΕ/2Ε，从而ΛΤ/Τ=Λν/ν，也就是ΛΤ/Τ=ΛΕ/2Ε，T是所费时间，当激励频率等于1/Τ时，待测离子具有最大通过概率。本发明从而把束团能量的测量，转化成谐振频率的测量；把束团尺寸变化的测量，转化成离子通过概率的测量，从而避免了空间电荷效应的影响，并且将束团能散度测量的分辨率提高到0.01%的极高水平。在提高束团能散度测量分辨率的同时，本发明所提供的束团参数测量系统无需另外增加新的测量探测器，仅仅将激励功率从谐波激励切换为三角波激励，即可实现低能重离子的发射度测量；仅仅改变谐振频率，即可用于束团内部不同离子的离子比测量。本发明所提供的束团参数测量系统以及相应的频率谐振选能能量测量方法的有益效果在于:I)将能量测量转化为频率测量，采用法拉第筒测量离子的通过概率，取代了常规能散度测量时对束团尺寸的测量，从而避免了空间电荷效应的干扰，显著提高低能重离子的能散度测量分辨率；2)将激励功率从谐波激励切换为三角波激励，即可实现低能重离子的发射度测量；仅仅改变谐振频率，即可用于束团内部不同离子的离子比测量；3)通过单一测量设备节省了测量设备占用的束团纵向传输空间，从而降低了空间电荷效应对束团性能的影响，实现高分辨率的束团能散度、离子比、发射度三种参数的测量。本发明中，所涉及的激励电极设计、法拉第筒设计、信号采集系统，均可参考目前常规发射度测量、能散度测量等成熟技术获得，技术实现难度小。
图1是根据本发明所提供的一个优选实施例的用于低能重离子的束团参数测量系统的结构示意图；图2是本发明用于能量测量时离子飞行轨迹有限元模拟结果示意图；图3是未考虑加工误差情况下能散度测量的有限元模拟结果；图4是考虑一定加工误差情况下能散度测量的有限元模拟结果；图5是离子比测量时，D2+的扫频测量结果，中心能量频率为18.3MHz。
具体实施例方式下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。如图1所示，是根据本发明的一个优选实施例的用于低能重离子的束团参数测量系统，所述测量系统包括:步进电机驱动平台1，真空内测量探头2，数据采集系统3以及外部激励源4，其中，所述真空内测量探头2包括:由低能重离子依次穿过的前位置选择狭缝21，前平板激励电极23，后平板激励电极24，后位置选择狭缝22，以及设置于所述后位置选择狭缝22之后的法拉第筒25。所述前平板激励电极23和后平板激励电极24分别包括一对平行设置的上电极板和下电极板，所述上电极板和下电极板分别设置于所述低能重离子的束流中轴线M的上方和下方，所述前平板激励电极23和后平板激励电极24之间间隔一漂移段26 ;其中，所述真空内测量探头2装载于所述步进电机驱动平台I上，所述外部激励源4分别与所述前平板激励电极23和后平板激励电极24电连接，并受所述数据采集系统3控制以输出合适激励信号，所述数据采集系统3与所述法拉第筒25相连。低能重离子进入所述真空内测量探头2，通过所述外部激励源4调整施加到所述前、后平板激励电极23，24上的谐振频率，所述真空内测量探头2在所述步进电机驱动平台I的驱动下分别完成对所述低能重离子的能散度、发射度以及离子比的测量。根据本发明的一个优选实施例，其中，基本束团参数如下:离子源输出的离子为平均能量为70keV的氘离子，包括D+、D2+、D3+离子，束团直径3-10mm ( σ max=5mm)，发射度约
0.1 mm.mrad,最大横向偏角约0.1rad,平均流强150mA。基于以上束团参数,考虑到前、后位置选择狭缝21，22宽度越大，激励电压越小，则有能量偏差的离子通过探测器的概率也越大，因此系统分辨率Otl将变差；反过来，宽度越小，通过探测器后的总离子数也越少，从而法拉第筒读数误差也越大，导致系统分辨率σ ^也变差。因此具体的狭缝宽度选择必须综合考虑二者的平衡，本实施例中的前、后位置选择狭缝21,22宽度均为20μηι,通过狭缝21，22的峰值电流在0.3mA ImA左右，信号强度足以使用法拉第筒25进行相关测量。前、后平板激励电极23，24长度 及两平板激励电极间漂移段26的长度均为100mm，前、后平板激励电极23,24的电极间距选为5mm及15mm两档。其中5mm档用于能散度测量,此时电极所加电压为中心频率约25.8MHz扫频电压，峰值电压约150V ;15mm档用于发射度测量，此时电极电压则为三角波偏转电压，最大电压约为1050V，最小-1050V。实施例1能散度测量调整前、后平板激励电极23，24的电极间距至5mm档，通过步进电机驱动平台I将真空内测量探头2调整至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得所述束团通过前、后位置选择狭缝21，22的效率最高，即法拉第筒25的读数最大；再将外部激励源4切换为扫频激励源41，此时扫频激励源41发出峰值电压为150V的扫频激励功率，且通过接线使得前、后平板激励电极23，24上所加激励信号反相。图2是本发明用于能散度测量时，具有理想能量及一定能量偏差的离子飞行轨迹有限元模拟的结果示意图，具体的，理想能量E与激励频率f的关系为:^=-MnL2Zo2
2 0 J0 ( )其中，Mtl是离子静止质量，L表示离子通过的空间距离，此时，可以通过前位置选择狭缝21的离子横向动量很小。对于处于中心能量的理想离子，其在前平板激励电极23中的飞行时间Tb等于偏转电压周期I；。则其在前平板激励电极23中受到一个完整周期的偏转电压作用。通过前平板激励电极23后，该理想离子的横向动量不变，仅残余一与相位相关的横向偏移。当离子通过漂移段26，到达后平板激励电极24时，感受到的偏转电压反相，则此时的横向偏移与其在前平板激励电极23中的位移相反。因此最终理想离子到达后位置选择狭缝22时的净横向偏移为O，从而得以通过后位置选择狭缝22，进而被法拉第筒25接收。而对于偏能离子而言，由于其在前、后平板激励电机23，24中的飞行时间大于或者小于T。，因此通过前、后平板激励电极23，24后的横向偏移无法完全抵消，最终难以通过后位置选择狭缝22，因此也不会被法拉第筒25接收。不同的偏转信号频率，对应于不同能量的理想离子，具有最大的通过概率，则在后位置选择狭缝22之后的法拉第筒25将包含束流能谱的信息。图3为没有加工误差情况下，束流通过该测量系统的概率函数的多离子模拟结果，中心能量对应的扫频频率为25.8MHz。离子通过狭缝的概率函数与束团能谱的卷积即为法拉第筒25的测量结果。在不同激励频率&下记录法拉第筒25读数的最大值Qm，最后得到完整的4 0>曲线。通过数据拟合即可得到该曲线的半高全宽of，其与概率函数的半高宽σ ^以及束团能散度σ Ε满足如下关系:σ Ε2= σ f2- σ 02 (2)通常，σ ^由探测器的几何参数及激励电压的幅度决定，也就是本发明的束团能散度测量分辨率。由图3可以看出，横坐标是离子能量，纵坐标是通过概率，当不同能量离子通过概率下降到一半时，对应的能量偏差就是Otl，此时的能散度测量分辨率约为15eV。图4则为最大加工误差0.5%时，各种随机加工误差组合情况下的多离子通过概率的模拟结果。由图可见，此时离子通过探测器的概率函数分布基本不变，但中心能量的测量则存在一定漂移。也就是说存在一定的系统零点漂移，但不影响探测系统分辨率。在适当提高激励电压的情况下，可以预期本发明的能散度测量的分辨率可达0.01%,同时，由于用离子通过概率的测量取代了束斑尺寸的测量，空间电荷效应对本发明的能散度测量影响完全可以忽略。实施例2发射度测量 通过步进电机驱动平台I将真空内测量探头2调整至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得此时束团通过前、后位置选择狭缝21，22效率最低，即法拉第筒25读数最小，同时，记录下此时大致的束团中心位置；再将外部激励源4切换为三角波激励源42，且此时前、后平板激励电极23，24上所加激励信号同相。显然，此时的系统工作状态等同于P.W.Allison等人的文献中描述的Alison电偏转发射度测量装置。在某一确定的扫描电压下，离子能通过后位置选择狭缝22的选择条件，就是离子在到达前平板激励电极23末端处时达到其最大横向位移，同时横向动量为零；这样当离子通过后平板激励电极24后，横向动量则与初始动量反向，但横向位移互相抵消，最终得以通过后位置选择狭缝22，也就是不同的电压对应不同的横向动量V。不考虑激励电极边缘场效应时，电极所加电压U与X’满足如下关系:
权利要求
1.一种用于低能重离子的束团参数测量系统，其特征在于，所述测量系统包括:步进电机驱动平台(1)，真空内测量探头(2)，数据采集系统(3)以及外部激励源(4)，其中，所述真空内测量探头(2)包括: 由低能重离子依次穿过的前位置选择狭缝(21)、前平板激励电极(23)、后平板激励电极(24)以及后位置选择狭缝(22);以及 位于所述后位置选择狭缝(22)之后的法拉第筒(25)； 其中，所述前平板激励电极(23)和后平板激励电极(24)分别包括一对平行设置的上电极板和下电极板，所述上电极板和下电极板分别设置于所述低能重离子的束流中轴线(M)的上方和下方，所述前平板激励电极(23)和后平板激励电极(24)之间间隔一漂移段(26)； 其中，所述真空内测量探头(2 )装载于所述步进电机驱动平台(I)上，所述外部激励源(4 )分别与所述前平板激励电极(23 )和后平板激励电极(24 )电连接，并受所述数据采集系统(3)控制，以输出激励信号，所述数据采集系统(3)与所述法拉第筒(25)相连。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述外部激励源(4)包括扫频激励源(41)和三角波激励源(42)。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述前平板激励电极(23)和后平板激励电极(24)的所述上、下电极板的电极间距在汽缸或电机的驱动下改变。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述电极间距在5mm和15mm两档之间切换，分别用于 能散度和发射度的测量。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述前位置选择狭缝(21)和后位置选择狭缝(22)的宽度均为20 μ m。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述前平板激励电极(23)和后平板激励电极(24)的长度以及所述漂移段(26)长度均为100_。
7.—种频率谐振选能能量测量方法，其特征在于，所述方法包括使用根据权利要求1-6中任意一项所述的测量系统，其中，低能重离子进入所述真空内测量探头(2)，依次穿过前位置选择狭缝(21)、前平板激励电极(23)、后平板激励电极(24)以及后位置选择狭缝(22)，通过所述外部激励源(4)调整施加到所述前平板激励电极(23)和后平板激励电极(24)上的谐振频率，所述真空内测量探头(2)在所述步进电机驱动平台(I)的驱动下完成对所述低能重离子的束团参数的测量。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述束团参数的测量包括能散度、发射度以及离子比的测量。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述能散度的测量包括以下步骤: 1)分别调整所述前、后平板激励电极(23，24)的电极间距，通过步进电机驱动平台(I)驱动真空内测量探头(2)至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得所述法拉第筒(25)读数最大，然后将外部激励源(4)切换至扫频激励源(41)，并使得所述前、后平板激励电极(23，24)上所加激励信号反相； 2)在不同激励频率fE下记录法拉第筒(25)读数的最大值Qm，得到完整的fE Qm曲线.3)通过数据拟合得到所述fE Qm曲线的半高全宽Qf，通过σΕ2=σ/-0(ι2计算束团的能散度σΕ，其中，σ ^为所述测量系统的能量分辨率。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述发射度的测量包括以下步骤:1)分别调整所述前、后平板激励电极(23，24)的电极间距，通过步进电机驱动平台(I)驱动真空内测量探头(2)至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得所述法拉第筒(25)读数最小，然后将外部激励源(4)切换至三角波激励源(42)，并使得所述前、后平板激励电极(23，24)上所加激励信号同相； 2)驱动所述步进电机驱动平台(1)，固定真空内测量探头在位置P，在第i个激励电压Vi,p下记录法拉第筒(25)读数的最大值(^。，得到该点的^。 ^,。曲线； 3)将所述步进电机驱动平台(I)的位置从束团的一个边缘朝向束团中心位置方向逐点改变，直到所述法拉第筒(25)读数至噪音水平，从而得到全部行程范围内的\ρ Qiip曲线.4)通过数据拟合得到所述曲线的积分面积εν，即为所述束团的发射度。
11.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述离子比的测量包括以下步骤: 1)分别调整前、后平板激励电极(23，24)的电极间距，通过步进电机驱动平台(I)驱动真空内测量探头(2)至合适位置，在不加任何激励功率的情况下，使得所述法拉第筒(25)读数最大，然后将外部激励源(4)切换至扫频激励源(41)，并使得所述前、后平板激励电极(23，24)上所加激励信号反相； 2)根据预知离子种类，设置不同激励频率fk及带宽fBD，在不同激励频率下记录法拉第筒(25)读数的最大值Qm，得到完整的fk Qm曲线； 3)对不同频率峰值处的法 拉第筒(25)读数进行曲线积分，该积分值正比于该种离子的数量，所有峰值附近积分值的和即总离子数量，对总数量进行归一化处理，从而得到束团内部各种离子的离子比。
全文摘要
本发明提供一种用于低能重离子的束团参数测量系统，以及一种频率谐振选能能量测量方法。该测量系统包括步进电机驱动平台，真空内测量探头，数据采集系统以及外部激励源，所述真空内测量探头包括前、后位置选择狭缝，前、后平板激励电极，以及法拉第筒；其中，真空内测量探头装载于步进电机驱动平台上，外部激励源分别与前、后平板激励电极电连接，数据采集系统与法拉第筒相连。本发明通过将能量测量转化为频率测量，采用法拉第筒测量离子的通过概率取代常规能散度测量时对束团尺寸的测量，避免了空间电荷效应的干扰，显著提高测量分辨率；通过单一测量设备即可同时实现高分辨率的束团能散度、离子比、发射度三种参数的测量。
文档编号G01T1/29GK103207405SQ201310161430
公开日2013年7月17日 申请日期2013年5月3日 优先权日2013年5月3日
发明者袁任贤, 周伟民, 冷用斌, 陈之初, 陈杰, 叶恺容, 俞路阳, 阎映炳 申请人:中国科学院上海应用物理研究所