强流脉冲电子束入射角二维分布测量探头、装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于应用于电子束与物质相互作用研究领域，涉及一种能够实现强流电子 束与物质相互作用时，电子束轰击物质表面时的入射角分布测量的方法和实现装置，尤其 涉及一种强流脉冲电子束入射角二维分布测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 强流电子束与物质相互作用时，其入射角度分布是一重要参数，为了得到这一参 数，目前采用内过滤法拉第筒来进行测量。其原理是：电子束入射到3个轴向排列的不同厚 度的石墨过滤片上，利用过滤片外套的自积分罗氏线圈可以测得总的入射电子束流和透过 不同厚度过滤片的电子束流。求出每一时刻电子束流透过各个过滤片的透射系数，通过关 联二极管间隙电压得到对应时刻的电子束能量，在限定时刻，假定电子束以某一固定入射 角与实验靶作用，依此入射角基于蒙特卡罗法计算出各个过滤片的透射系数，如果实验测 量结果与数值计算结果能够很好地吻合，这一假定角度即称为该时刻的入射靶面的电子束 等效入射角。
[0003] 在邱爱慈等所著的《几种诊断高能注量电子束参数的方法》一文中有关于内过滤 法拉第筒测量强流电子束有效入射角的介绍，简要讲述了内过滤法拉第筒的装置结构及在 "闪光二号" kj二极管上进行有效入射角测量的结果。但是其并未介绍选择内过滤法拉第 筒测量强流电子束入射角的限制。实际上，利用内过滤法拉第筒进行电子束入射角测量是 在以下前提下完成的：（1)对入射电子束流和透射电子束流的确定，是假设电子束在靶面 物质表面均匀分布。但是根据时间分辨的电子束截面束流密度分布和束能密度分布测量结 果可知，这种假设误差较大。（2)电子束流透过第一层石墨过滤片后，入射电子能量已改变。 但改变后的入射能量无法测量，为进行数据处理只能假设其能量不变。（3)受结构限制，过 滤片阵列设计加工难度大。因直径偏大，过滤片层数、厚度以及材质可选余地较小。如果在 实验中可以使用更薄、层数更多的过滤片，测量结果会更精细。但由第二点可知，过滤片层 数愈多，同时也会引入更多的误差。
【发明内容】
[0004] 为了克服内过滤法拉第筒法测量强流电子束时须假设靶面束流均匀、入射电子能 量保持不变等限制，本发明提出了一种强流脉冲电子束入射角二维分布测量装置及测量方 法。本发明将现有方法中的轴向排列的同一厚度的过滤片，替换成按阵列放置不同厚度的 衰减片。入射强流电子束同时轰击不同厚度的衰减片，用法拉第筒收集透过各衰减片的电 子数目，可得出该条件下的电子束透射系数。入射角度分布不同，透射系数不同。在此基础 上可求出各时刻下该位置处的电子束入射角分布。该方法只须要求阵列范围的电子束均 匀，与实际情况较为相符。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种强流脉冲电子束入射角二维分布测量探头，包括不锈钢阳极、有机玻璃模块 托体、1个简易法拉第筒、N+1个SSMA型同轴转接器、N个衰减片，N多2 ;上述有机玻璃模 块托体设置在不锈钢阳极内；上述不锈钢阳极包括准直板，上述准直板位于有机玻璃模块 托体前方；上述有机玻璃模块托体3设置有N+1个蜂窝状分布的法拉第筒安装孔，简易法 拉第筒放置在中心的安装孔内，N个结构相同的法拉第筒放置在其余的法拉第筒安装孔内； 法拉第筒由内向外依次由高纯石墨收集体、有机玻璃绝缘套筒和不锈钢屏蔽筒组成；简易 法拉第筒由高纯石墨收集体组成；高纯石墨收集体加正偏压，其前端面中心设置有盲孔的 内底面刻有多个齿槽，其后端面分别接SSM型同轴转接器，用于引出信号；上述准直板设 置有N+1个准直孔；每个准直孔均与一个法拉第筒安装孔同轴心设置；N个衰减片分别放置 在N个法拉第筒和相应的准直孔之间，衰减片厚度互不相同；
[0007] 上述高纯石墨收集体前端的盲孔内底面刻有多个齿槽；
[0008] 上述齿槽数量为5个，齿槽角度为60° ;
[0009] 上述准直孔为V型准直孔，所述衰减片为铝膜衰减片；
[0010] 上述N = 4 ;4个法拉第筒均布在简易法拉第套筒圆周。
[0011] 一种强流脉冲电子束入射角二维分布测量探头的测量装置，包括至少三个测量探 头，分别位于实验靶靶面的不同位置；
[0012] 上述测量探头的数量为三个，分别位于实验靶靶面的靶心、边缘以及二者之间的 中间区域。
[0013] -种强流脉冲电子束入射角二维分布的测量方法，包括以下步骤：
[0014] 1)建立关联数据库：
[0015] I. 1)建立单能电子束轰击一定厚度衰减片蒙特卡罗模型，得到能量为E束流强度 为I的电子束以不同入射角轰击厚度为d的衰减片后的透射束流强度i (E，d，Θ );
[0016] 1. 2)定义i与I之比为透射系数，记为α (E, d, Θ );
[0017] 1. 3)在能量E和衰减片材料确定的前提下，建立起透射系数α、衰减片厚度d与 入射角Θ间的关联数据库；
[0018] 2)将测量装置装配到强流电子束二极管上，进行实验，测量得到二极管间隙电 压；通过至少一个强流脉冲电子束入射角二维分布测量探头，测量强流脉冲电子束束流强 度I (t)和轰击不同厚度衰减片后的束流强度i (t，d)，得到实测的各个t时刻下的透射系数 a exp (E, d)；
[0019] 3)求出限定靶面位置处t时刻电子束入射角分布：3. 1)关联t时刻二极管间隙电 压，得到该时刻下入射电子束能量E ;
[0020] 3. 2)利用式（1)或式（2)，代入透射系数数据库α (E，d，Θ )，通过穷举法或者人 为设定Ρ(θ)并进行反复迭代逼近，得到使式⑴或式⑵成立的ρ(θ)。该ρ(θ)即是限 定靶面位置处时刻t下的归一化入射角分布；
[0024] f ( θ )为电子束入射角分布函数；
[0025] Θ max为最大积分角度，由V型准直孔角度确定；
[0026] ρ(θ)为归一化的电子以Θ角入射的概率。
[0027] 本发明的优点是：
[0028] 1、本发明提出了一种新的测量强流电子束入射角分布的MMLS法，即覆盖不同厚 度衰减片的微型法拉第筒阵列法。该方法可获得具有时域特性和位置分布的入射角分布， 即阳极靶面不同位置处不同时刻下的入射角分布，拓展了强流脉冲电子束入射角的研究范 围。
[0029] 2、本发明提出了用于MMLS法测量强流电子束入射角分布的微型法拉第筒阵列。 单个法拉第筒耐压750V，最高可测电流30Α，最大可测束流密度38Α ·πιπι-2。通过优化准直板 结构、模块化装配等措施，克服了精确对中、信号串扰等困难，测量回路标定结果显示，对于 上升时间为40ns的信号，法拉第筒时间响应较好，一致性满足实验要求。采取了简易法拉 第筒与阵列共用屏蔽层的方式，将由5个微型法拉第筒组成的阵列总直径缩小到Φ22_。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明纵剖面结构示意图；
[0031] 图2是本发明单个模块剖面示意图；
[0032] 图3是本发明MMLS法原理示意图；
[0033] 图4是本发明入射角分布测量靶面探头布置示意图；
[0034] 图5是本发明电子束入射角测量装置简化示意图；
[0035] 图6是本发明电子束入射角分布计算算法流程图；
[0036] 图7是本发明单个法拉第筒结构示意图；
[0037] 其中，1-不锈钢阳极、2-V型准直孔、3-带有多个安装孔的有机玻璃模块托体、 4_不锈钢屏蔽筒、5-有机玻璃绝缘套筒、6-铝膜衰减片、7-高纯石墨收集体、8-SSMA型同轴 转接器安装孔，9-齿槽，10-准直板（与阳极成整体）。
【具体实施方式】
[0038] 参见图1-7, 一种强流脉冲电子束入射角二维分布测量探头，包括不锈钢阳极1、 有机玻璃模块托体3、1个简易法拉第筒、（Ν+1)个SSM型同轴转接器、N个衰减片，N彡2 ; 有机玻璃模块托体3设置在不锈钢阳极1内；不锈钢阳极1包括准直板10,准直板10位于 有机玻璃模块托体3前方；有机玻璃模块托体3设置有（Ν+1)个蜂窝状分布的法拉第筒安 装孔，简易法拉第筒放置在中心的安装孔内，N个结构