法拉第筒阵列探测器在电子束束流均匀度测量中的应用.docx

法拉第筒阵列探测器在电子束束流均匀度测量中的应用徐治国1,王金川1,肖国青1,郭忠言1,武丽杰1,张力2,毛瑞士1(1.中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;2.北京大学物理学院,北京100871)摘要:描述一种法拉第筒阵列探测器,其由拦截式法拉第筒、抑制电极、绝缘层和底座等组成。应用该探测器测量了电子加速器的束流均匀度,计算了被辐照样品的吸收剂量,将为电子加速器的改造、生物辐照、材料辐照提供重要参数。关键词:法拉第筒阵列;束流均匀度;吸收剂量中图分类号:TL81文献标识码:A文章编号:025820934(2005)0420439203束流诊断系统是任何加速器的重要组成部分,它是束流品质和行为的“感觉”元件,是保证加速器稳定运行,对加速器有关参量进行设置以及改进加速器的基础。描述束流的品质和行为的物理量包括粒子种类、平均动能、束流强度、功率、脉冲频率、横向尺度、平行度和能散等1。法拉第筒在加速器产生的初期就被人们利用来测定束流的强度,它实际上是一个金属筒体,一般用黄铜制成,束流打在法拉第筒上被完全阻止而使其带电,把筒体接地就会有电流产生,这个电流的大小就反映了束流的强弱。将法拉第筒接到I?V转换放大器,就可以使其出来的电流讯号转换成电压讯号,再接入A?D转换器通过计算机就可以得到束流强度的数值。所以法拉第筒作为电荷积分器,能给出束流强度的绝对值,比束流变压器更为准确、直观、简便,而且它可以用来测很弱的束流。如果束流很强,带电粒子的能量很高,则会损坏阻止材料,而且这时粒子的射程很大。要求法拉第筒的底部要有几个cm的厚度,否则不能全部收集束流所带的电荷,这时拦截式法拉第筒就不再适用。法拉第筒阵列是由多个独立的法拉第筒组成。这些法拉第筒均匀地分布在一个二维的区域内,通过对每个法拉第筒测到的信号进行计算拟合就可以得到这一区域内束流强度的分布。国际上法拉第筒阵列探测器在束流诊断上有过几次使用。日本京都大学高能研究所制作的微型法拉第筒阵列由21个Υ1.8mm的拦截式法拉第筒、抑制电极、绝缘层、支架和后面的动力系统构成,整个圆形阵列的Υ30mm,主要用以测量束流的横截面形状2。中国科学院近代物理研究所的电子加速器提供的电子束流被用于生命科学、材料科学的有关样品的辐照实验。这个电子加速器产生的大面积电子束分布在100cm(10cm的区域里,这样大面积的二维束流的均匀度只能用法拉第筒阵列才能得到精确测量。为此设计并研制了这个法拉第筒阵列,它用于测量电子加速器的束流均匀度和照射样品时不同位置的吸收剂量分布。这一阵列探测器可以为辐照加工实验和生物辐照实验等研究提供准确的剂量测量,为电子加速器的改造提供重要参数,可以预计在多个领域有重要应用价值。法拉第筒阵列探测器的结构和设计11.1探测器结构:如图1所示,法拉第筒阵列探测器主要由50个小型的拦截式法拉第筒、抑制电极、绝缘层和底座等组成。绝缘底座由110cm×10cm,439收稿日期:2004212210作者简介:徐治国(1980-),男,陕西岐山人,研究实习员,从事核物理实验工作厚2cm的G10板加工而成,50个法拉第筒按5×10的方式通过底座上的圆孔均匀固定在底座上。50只相同的法拉第筒都是由黄铜制作而成,每个筒的内径Υ7mm,长50mm,底厚5mm。在阵列的最上面是形状和底座一样厚1cm的黄铜板做成的抑制电极,电极上面对应每个法拉第筒有一个Υ7mm的圆孔以便束流进入筒内;电极上加100V的负偏压,用以增加电子的收集效率。绝缘层加在底座和抑制电极之间,它是结构和抑制电极一样,由厚3mm的环氧树脂做成。用于电子辐照剂量测量的法拉第筒阵列,跟辐照样品一样是放在空气中的。图1是阵列底部朝上照到的实物照片(a)及其剖面示意图(b)。图1法拉第筒阵列探测器图(a)及其剖面示意图(b)1.2法拉第筒对入射粒子的阻止对于法拉第筒,为了完全把带电粒子阻止在筒底,筒底需一定的厚度,这个厚度必须大于带电粒子在筒底的射程R,其中其中Υ为出射线与筒底表面的夹角。使法拉第筒长度与筒直径相比足够的长,逸出筒外的电子所占比例很小以至于对所测得的束流强度值贡献变的很小。假设粒子束正好打在法拉第筒的筒底中心位置,法拉第筒的长度为b,筒底的EdE=∫0(dx)-1dE(1)R半径为a,对于法拉第筒筒底中心位置被打出的在AtomicData3中给出了各种能量的电子在不同元素中的射程。我们所采用的1.5MeV的电子束在黄铜中的射程R约为1.1mm,远小于5mm厚的筒底。n个电子,沿Υ方向出射的电子数与cos2Υ成正比。Υ为电子出射的轨道和筒底的夹角。不妨把电子出射的轨道与法拉第筒轴向的夹角记为Η,则Η=(Π?2)-Υ,则出射的电子又满足sin2Η分布。取半径为r的圆面,在取微元dΗ,dΗ所对应的立体角表示为2ΠrsinΗrrd