一种电子束发散角分布测量装置及测量方法与流程

本发明涉及强流直线感应加速器研制及产生的电子束束参数测量领域，具体涉及一种电子束发散角分布测量装置及测量方法。

背景技术：

在直线感应加速器的研制领域，所产生的强流电子束的束参数的测量一直是一个比较艰难的工作，包括测量技术本身及测量精度两个方面。电子束束参数中的电子束发散角及分布是一个重要的束品质参数，但要准确测量这个参数也是一个极其困难的工作。在以前的测量工作中，没有一种发散角或其分布的直接测量方法，主要通过间接测量的形式来获得：如基于光学渡越辐射原理的测量方法，并且这种方法需要在事先假设电子束的分布参数的情况下进行数据拟合才能得到电子束发散角的一种统计意义上的结果，也只能大体了解电子束发散角的方差值而不能反应电子束散角分布的情况，是远不够精细的。另一种基于胡椒孔法的测量方法也存在一些缺陷，如空间电荷效应、胡椒孔板的存在改变束本身的参数、孔的分布及其限制性等的影响，使得基于这种测量方法的使用受到严重限制。这些方法本身会受到电子束本身参数的限制，如电子束能量、束斑的尺寸等的限制，需要事先进行电子束参数模型的假设以便进行数据拟合，且得到的结果也只是一个统计意义上的方差值，不能得到可以反应电子束发散角真实情况的分布参数，均不是适应性较好的测量方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电子束发散角分布测量装置及测量方法，解决目前电子束发散角测量需要在假设电子束参数的情况下进行且只能得到发散角方差值的问题，测量装置满足以较高的时间分辨能力获得电子束发散角分布的要求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种电子束发散角分布测量装置，包括密封真空靶室，在密封真空靶室内安装有一个转换靶，在所述密封真空靶室内还安装有一个防散射遮光筒，在密封真空靶室上设置有与防散射遮光筒对应的光线输出窗口，还包括一个成像系统，电子束轰击转换靶后产生切伦科夫辐射光，切伦科夫辐射光进入防散射遮光筒后通过光线输出窗口输出，经过窄带滤光片滤光后在成像系统上成像。本发明是一套全新的电子束发散角分布测量装置，利用电子束轰击转换靶后产生切伦科夫辐射光，进入防散射遮光筒后通过光线输出窗口输出，经过窄带滤光片滤光后在成像系统上进行焦平面成像，利用焦平面的成像进行反演推算出电子束的发散角分布，本装置根据直线感应加速器电子束发散角不是很小的特点以及切伦科夫辐射光子的方向性与入射电子具有严格的一一对应关系的特点，先进行了测量方法大量的理论模拟，证明了所选取的测量方法是可行的，在理论模拟结论的指导下进行了发散角分布测量技术及系统的研究，并设计了一种可以利用切伦科夫辐射光子方向来测量电子束发散角分布的测量装置，对于发散角不是很小的电子束而言，用这种方法进行电子束发散角及分布的测量具有满足要求的一定测量精度。

所述的转换靶包括支架座，在支架座上设置有支架框，支架环将石英薄片固定在支架框上。所述的转换靶采用叠放的靶环压环、橡皮垫、橡皮圈、薄膜、靶环座配合后形成一体结构。

本发明转换靶的材料选择以其对电子束发散角影响程度而定，如果电子束发散角较大，可以选择石英薄片，如果电子束发散角较小，则应该选择mylar薄膜。转换靶安装于具有方位调节的支座上，并将制作成的转换靶安装在电子束的入射路径中，并且需要使电子束以与转换靶表面成特定的角度入射到转换靶上，以使产生的切伦科夫辐射光可以以近似垂直的角度射出转换靶，减少偏角对测量结果的影响。

所述的转换靶安装在一个旋转光具座，还包括一个用于调整旋转光具座转换靶位置的旋钮调节机构。为了准确调整转换靶的平面角度位置，将靶的方位调节到与电子束入射方向成特定夹角，可以采用将转换靶安装在一个旋转光具座，并设置一个用于调整旋转光具座转换靶位置的旋钮调节机构的方式，或者采用简单的楔块进行夹角角度的确定，从而调整转换靶的角度，达到精确调整的目的。

在所述的密封真空靶室内壁、防散射遮光筒内壁均设置有防散射内框吸收层。进一步讲，在电子束发散角的测量中，由于测量的是来至物空间的光线的方位角信息，环境中的散射光线不仅是增加本底或背景光的问题，这些光线还对散角分布的测量产生巨大的影响，需要进行尽可能的抑制，首先针对整个密封真空靶室内壁进行的处理，实验效果证明简单的发黑处理效果是不够的，因为简单的吸收不够，需要更强烈的散射抑制措施；而本发明采用的是在内壁上粘贴一种具有非常强烈的散射吸收材料作为防散射内框吸收层，具体采用的是acktar公司的metalvelettm涂层材料，这种材料几乎可以将照射到其上的光线全部吸收，但不限于该公司的产品，具有类似功能的材料均可使用作散射吸收材料，其次，在转换靶输出光线的通道上，进一步采用了防散射遮光筒的措施来遮挡成像光路外可能的散射光线进入成像系统的路径，并且在防散射遮光筒内壁也粘贴了散射吸收材料作为防散射内框吸收层，上述两种散射抑制措施的采用，极大幅度地降低了测量装置中的散射光线对测量结果的影响，提高了测量图像的对比度。

所述的成像系统安装在一个以转换靶的中心位置为圆心的圆形导轨上。由于测量装置现场安装的原因，通常不会一次就安装在准确的位置上，而发散角测量对角度的要求较高，需要准确对位，稍有偏差就会在像面上得不到有效图像，为了将电子束发散角图像尽可能成像在像面的中间位置，需要在现场具有发散角图像位置的调节能力；为此，本发明通过设置一个圆形导轨来完成这个功能，将测量装置中的光学测量成像系统整体安装在一个平台上，而平台安装在上述圆形导轨上，圆形导轨的中心与转换靶的中心重合，推动平台在圆形导轨上的滑动就可以调整发散角图像位于像面的中心位置，由于圆形导轨的采用，使得调整工作效率高、简单而轻松。

本发明的成像系统包括两种实现方式：

第一种，两分幅成像结构：所述的成像系统包括成像平台，在成像平台上设置有与窄带滤光片对应的测量镜头，测量镜头的输出光线经过一个分光棱镜，分光棱镜的两路光线分别成像在相互垂直的两个iccd相机上，iccd相机置于成像平台上的屏蔽铅围屋体。

第二种，多分幅成像结构：所述的成像系统包括成像平台，在成像平台上设置有与窄带滤光片对应的测量镜头，测量镜头的输出光线先成像在一个磨砂毛玻璃上，然后由多幅分幅相机对毛玻璃上的像再次进行成像，多幅分幅相机置于成像平台上的屏蔽铅围屋体。

以上两种成像结构各有优点和使用环境，两分幅成像结构中，在测量镜头后采用了放置一个分光棱镜的方式以获得空间上分开的两个成像光路，并最终在各自的聚焦面上获得发散角分布图像，在这两个聚焦面上放置两台iccd相机，通过iccd相机在导轨上的位置的调节可以使其光敏面与聚焦面重合，则在相机上可以直接获得发散角分布图像，这种成像方式光学效率最高，可以满足信号较弱的成像需要，其中的屏蔽铅围屋体用于测量系统在具有较强的x光辐射环境里使用，以保护iccd相机，通过对iccd相机的快门进行控制，包括触发后的延迟时间1或2的调节，影响获取电子束脉冲不同时刻的发散角；快门时间1或2的调节，影响发散角测量的持续时间，以在不同的时刻进行发散角图像的拍摄，则可以获得电子束脉冲的两个时间分辨的测量结果，这是一种直接探测的成像方式，具有光学效率最高的性能，适合弱流电子束的发散角分布测量，但受限于光学系统的结构限制，只适合较少数幅数的图像拍摄；针对需要获得更多时间分辨测量结果的要求，可以采用多分幅成像结构，在该测量系统中，则采用了多幅的分幅相机，由多幅分幅相机来获取多个图像数据；在这样的系统中，磨砂毛玻璃必须放置于测量镜头的焦平面上，多幅分幅相机对准毛玻璃进行成像，这是一种间接成像的方式，因此这种测量方式的效率相对较低，但可以获得较多的图像幅数。

一种电子束发散角分布测量方法，包括以下步骤：

(a)电子束轰击转换靶后产生切伦科夫辐射光，切伦科夫辐射光进入防散射遮光筒后通过光线输出窗口输出，经过窄带滤光片滤光后在测量镜头的焦平面上形成发散角分布的图像；

(b)对焦平面上形成发散角分布的图像，根据测量布局，通过光线追踪的方法由测量到的发散角图像反推出入射电子束发散角的分布。

本发明的另一个目的是提供一种新的电子束发散角分布测量方法，电子束轰击转换靶后，在靶内产生切伦科夫辐射光子，这些光子将基本以垂直于靶面的角度射出转换靶，沿着图示的中心线进入成像系统，最后成像在测量系统镜头的焦平面上形成发散角分布的图像，对这个图像进行数据处理即可得到电子束的发散角的分布曲线，本发明的方法在无需进行电子束束参数假设的情况下实现了电子束发散角连续分布的测量，相比于过去的测量装置及测量技术需要进行假设且只能获得发散角的方差值而言，体现了多个方面的进步，无需束参数的假设，避免了参数模型束缚导致测量误差很大的情况，也避免假设模型对真实分布的处理的约束，电子束发散角分布参数是一个更加精确反应电子束品质的参数，相比于过去不能获得分布参数或分辨率为数mrad的测量技术，发散角连续分布参数的可测量能力，代表了本发明在电子束发散角测量技术在精度及数据量上的一大进步，本发明的测量装置采用了便于使用的结构及调节机构的设计，使得在现场使用具有极大的方便性，解决了以往测量装置在现场使用时存在的精密调节不便的难题。

所述步骤(b)的反推过程如下：

(b1)沿散角分布的电子束发射角照片中的纵向方向获取曲线数据，电子束发散角的分布曲线，取曲线的峰值处为0散角对应的位置；

(b2)假设曲线上的某一点对应输出散角θo的光线，其距离0散角光线的位置为h。根据光学成像原理，有：h＝f·tg(θo)，其中f为测量镜头的焦距，计算输出光线lo的方向θo；

(b3)在输出密封玻璃窗口的前后界面上，由折射率原理，有：n0·sin(θo)＝n·sin(θ3)及n·sin(θ3)＝n0·sin(θ2)，其中n0为空气的折射率，n为玻璃的折射率，θ3为输出光线在玻璃中的方向，θ2为输出光线在入射玻璃前的方向，也是光线从靶射出的方向；

(b4)在光线输出转换靶的界面上，由折射率原理，有：n0·sin(θ2)＝n·sin(θ1)，其中θ1为光线射出转换靶的角度，也是切伦科夫辐射光子的方向角度；

(b5)由于测量装置在安装时要求电子入射角度θe为特定的切伦科夫辐射角，这样可以保证电子的散角θi等于θ1，通过上述各个步骤由散角分布曲线上的各个点的位置h及测量系统的参数f计算出电子的散角θi及分布。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种电子束发散角分布测量装置及测量方法，利用电子束轰击转换靶后产生切伦科夫辐射光，进入防散射遮光筒后通过光线输出窗口输出，经过窄带滤光片滤光后在成像系统上进行焦平面成像，利用焦平面的成像进行返衍推算出电子束的发散角分布，本装置根据直线感应加速器电子束发散角不是很小的特点以及切伦科夫辐射光子的方向性与入射电子具有严格的一一对应关系的特点，先进行了测量方法大量的理论模拟，证明了所选取的测量方法是可行的，在理论模拟结论的指导下进行了发散角分布测量技术及系统的研究，并设计了一种可以利用切伦科夫辐射光子方向来测量电子束发散角分布的测量装置，对于发散角不是很小的电子束而言，用这种方法进行电子束发散角及分布的测量具有满足要求的一定测量精度；

2、本发明一种电子束发散角分布测量装置及测量方法，将测量装置中的光学测量成像系统整体安装在一个平台上，而平台安装在上述圆形导轨上，圆形导轨的中心与转换靶的中心重合，推动平台在圆形导轨上的滑动就可以调整发散角图像位于像面的中心位置，由于圆形导轨的采用，使得调整工作效率高、简单而轻松；

3、本发明一种电子束发散角分布测量装置及测量方法，在无需进行电子束束参数假设的情况下实现了电子束发散角连续分布的测量，相比于过去的测量装置及测量技术需要进行假设且只能获得发散角的方差值而言，体现了多个方面的进步，无需束参数的假设，避免了参数模型束缚导致测量误差很大的情况，也避免假设模型对真实分布的处理的约束，电子束发散角分布参数是一个更加精确反应电子束品质的参数，相比于过去不能获得分布参数或分辨率为数mrad的测量技术，发散角连续分布参数的可测量能力，代表了本发明在电子束发散角测量技术在精度及数据量上的一大进步，本发明的测量装置采用了便于使用的结构及调节机构的设计，使得在现场使用具有极大的方便性，解决了以往测量装置在现场使用时存在的精密调节不便的难题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明测量装置的总体布局原理图；

图2为本发明实施例一中采用石英薄片的转换靶结构示意图；

图3为本发明实施例二中采用薄膜的转换靶结构示意图；

图4为本发明实施例一中二分幅成像系统中快门的时序控制示意；

图5为本发明实施例二中转换靶面角度定位的实施示意图；

图6为本发明实施例二中成像系统采用多幅分幅相机的结构示意图；

图7为本发明切伦科夫辐射光子输出路径的光线追踪等效示意图；

图8为本发明实施例一中典型的电子束发散角的分布图像示意图；

图9为本发明实施例一中典型的电子束发散角的分布曲线示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-电子束，2-密封真空靶室，3-防散射内框吸收层，4-转换靶，5-防散射遮光筒，6-光线输出窗口，7-电子吸收石墨块，8-窄带滤光片，9-测量镜头，10-分光棱镜，11-iccd相机，12-屏蔽铅围屋体，13-成像平台，14-圆形导轨，15-磨砂毛玻璃，16-多幅分幅相机，17-旋转光具座，18-旋钮调节机构，401-支架座，402-支架框，403-支架环，404-石英薄片，411-靶环压环，412-橡皮垫，413-橡皮圈，414-薄膜，415-靶环座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本发明一种电子束发散角分布测量装置，包括密封真空靶室2，在密封真空靶室2内安装有一个转换靶4，穿过转换靶4的电子束1将被放置于后端的电子吸收石墨块7吸收，减少电子束1对真空靶室及测量系统的影响，并降低测量环境的辐射水平，转换靶4安装在一个旋转光具座17，还包括一个用于调整旋转光具座17转换靶4位置的旋钮调节机构18，通过设置的旋钮调节机构18将转换靶4的方位调节到与电子束1入射方向成特定夹角，如图2所示的转换靶4包括支架座401，在支架座401上设置有支架框402，支架环403将石英薄片404固定在支架框402上，为了保证转换靶4的中心位置与测量中心位置一致，采用在旋转光具座17底面设置一个定位孔的形式，直接将支架座401扣于孔上即可，以简单的方式达到要求的定位精度，本实施例中的转换靶采用的是石英片制成的，采用石英材料的转换靶4，其制作难度主要在研磨加工上，需要将石英片研磨至0.1mm以下的厚度且两面抛光才具有可用性，在使用时需要对其表面进行清洗，才不会对测量结果产生较大的影响；这个厚度上的石英薄片的直径不可能做得较大，清洗也容易损坏，一般在30mm左右，再大就存在很大的难度了，电子束1轰击转换靶4后产生切伦科夫辐射光，切伦科夫辐射光进入防散射遮光筒5，在电子束发散角的测量中，由于测量的是来至物空间的光线的方位角信息，环境中的散射光线不仅是增加本底或背景光的问题，这些光线还对散角分布的测量产生巨大的影响，需要进行尽可能的抑制，首先针对整个密封真空靶室2内壁进行的处理，实验效果证明简单的发黑处理效果是不够的，因为简单的吸收不够，需要更强烈的散射抑制措施；而本实施例采用的是在内壁上粘贴一种具有非常强烈的散射吸收材料作为防散射内框吸收层，具体采用的是acktar公司的metalvelettm涂层材料，这种材料几乎可以将照射到其上的光线全部吸收，但不限于该公司的产品，具有类似功能的材料均可使用作散射吸收材料，其次，在转换靶输出光线的通道上，进一步采用了防散射遮光筒的措施来遮挡成像光路外可能的散射光线进入成像系统的路径，并且在防散射遮光筒内壁也粘贴了散射吸收材料作为防散射内框吸收层，上述两种散射抑制措施的采用，极大幅度地降低了测量装置中的散射光线对测量结果的影响，提高了测量图像的对比度，在密封真空靶室2上设置有与防散射遮光筒5对应的光线输出窗口6，经过窄带滤光片8滤光后在成像系统上成像，本实施例采用的是两分幅成像结构：包括成像平台13，在成像平台13上设置有与窄带滤光片8对应的测量镜头9，测量镜头9的输出光线经过一个分光棱镜10，分光棱镜10的两路光线分别成像在相互垂直的两个iccd相机11，iccd相机11置于成像平台13上的屏蔽铅围屋体12，测量镜头9后放置一个分光棱镜10的方式以获得空间上分开的两个成像光路，并最终在各自的聚焦面上获得发散角分布图像，在这两个聚焦面上放置两台iccd相机11，通过iccd相机在导轨上的位置的调节可以使其光敏面与聚焦面重合，则在相机上可以直接获得发散角分布图像，这种成像方式光学效率最高，可以满足信号较弱的成像需要，其中的屏蔽铅围屋体12用于测量系统在具有较强的x光辐射环境里使用，以保护iccd相机11，通过对iccd相机的快门进行控制如图4所示，包括触发后的延迟时间1或2的调节，影响获取电子束脉冲不同时刻的发散角；快门时间1或2的调节，影响发散角测量的持续时间，以在不同的时刻进行发散角图像的拍摄，则可以获得电子束脉冲的两个时间分辨的测量结果，这是一种直接探测的成像方式，具有光学效率最高的性能，适合弱流电子束的发散角分布测量，但受限于光学系统的结构限制，只适合较少数幅数的图像拍摄；由于测量装置现场安装的原因，通常不会一次就安装在准确的位置上，而发散角测量对角度的要求较高，需要准确对位，稍有偏差就会在像面上得不到有效图像，为了将电子束发散角图像尽可能成像在像面的中间位置，需要在现场具有发散角图像位置的调节能力；为此，本发明通过设置一个圆形导轨14来完成这个功能，将测量装置中的光学测量成像系统的成像平台13安装在圆形导轨14上，圆形导轨的中心与转换靶的中心重合，推动平台在圆形导轨14上的滑动就可以调整发散角图像位于像面的中心位置，由于圆形导轨14的采用，使得调整工作效率高、简单而轻松；电子束1轰击转换靶4后产生切伦科夫辐射光，切伦科夫辐射光进入防散射遮光筒5后通过光线输出窗口6输出，经过窄带滤光片8滤光后在测量镜头9的焦平面上形成发散角分布的图像；对焦平面上形成发散角分布的图像，根据测量布局，通过光线追踪的方法由测量到的发散角图像反推出入射电子束发散角的分布，其具体步骤如下所述：

(b1)沿散角分布图像8的纵向方向获取曲线数据，如图9所示，取曲线的峰值处为0散角对应的位置。

(b2)假设曲线上的某一点对应输出散角θo的光线，其距离0散角光线的位置为h。根据光学成像原理，有：h＝f·tg(θo)，其中f为测量镜头的焦距。由此可计算输出光线lo的方向θo。如图7所示。

(b3)在输出密封玻璃窗口的前后界面上，由折射率原理，有：n0·sin(θo)＝n·sin(θ3)及n·sin(θ3)＝n0·sin(θ2)，其中n0为空气的折射率，n为玻璃的折射率，θ3为输出光线在玻璃中的方向，θ2为输出光线在入射玻璃前的方向，也是光线从靶射出的方向。如图7所示。

(b4)在光线输出转换靶的界面上，由折射率原理，有：n0·sin(θ2)＝n·sin(θ1)，其中θ1为光线射出转换靶的角度，也是切伦科夫辐射光子的方向角度。如图7所示。

(b5)由于测量装置在安装时要求电子入射角度θe为特定的切伦科夫辐射角，这样可以保证电子的散角θi等于θ1，如图7所示。因此，通过上述各个步骤由散角分布曲线上的各个点的位置h及测量系统的参数f可以计算出电子的散角θi及分布。

实施例二

如图1所示本实施例与实施例一的原理基本相同，其区别仅在于：1如图3所示的转换靶4结构不同，本实施例电子束发散角较小，则应该选择mylar薄膜，先将橡皮圈413嵌入靶环座415内的圆环槽内，再将无破损及划痕等缺陷的薄膜414展平铺设在靶环座415表面，然后缓慢地将靶环压环411压在薄膜上，在压的过程中保持平衡以使薄膜均匀地被压下去并保持表面的平整，这个压的过程也是将薄膜撑开并涨紧的过程，在确认薄膜撑开的效果达到要求后，将螺钉通过靶环压环411中的开孔进行紧固，可以保持薄膜的镜面支撑效果以用于测量实验，薄膜撑展效果主要由嵌在靶环座415及靶环压环411内的橡皮圈413的松紧程度决定，需要反复实验及仔细调节，这种薄膜靶相对可以制作得比较大，镜面效果良好的薄膜靶的直径比较容易地达到100mm左右；2转换靶4的角度调节结构不同，如图5所示，由于采用了切伦科夫辐射原理，其辐射的可见光光子将以与入射电子束特定的夹角的方向产生，并且为了便于观察或测量，其出射方向需要尽量与靶片垂直，这就要求靶面的方位调节相对精确，在测量现场，考虑到测量装置的复杂情况及操作的方便性，本实施例采用的是根据切伦科夫辐射角度、与电子束能量、石英材料的折射率相关，制作一个互补角度的楔块，在安装转换靶时，将楔块边沿对齐在底面事先已刻画好的标线，该标线实际上也是电子束入射的轴线，调节靶面方位直到靶面与楔块贴合，并固定转换靶，针对特定的角度，这种方法具有快速、操作简单、精度符合要求的特点；3本实施例针对需要获得更多时间分辨测量结果的要求，采用图6所示的多分幅成像结构：包括成像平台13，在成像平台13上设置有与窄带滤光片8对应的测量镜头9，测量镜头9的输出光线成像在一个磨砂毛玻璃15上，再由多幅分幅相机16对其上的像再次成像，多幅分幅相机16置于成像平台13上的屏蔽铅围屋体12，，在该测量系统中，则采用了多幅的分幅相机16，由多幅分幅相机来获取多个图像数据；在这样的系统中，磨砂毛玻璃15必须放置于测量镜头9的焦平面上，多幅分幅相机16对准毛玻璃进行成像，这是一种间接成像的方式，因此这种测量方式的效率相对较低，但可以获得较多的图像幅数。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。