专利名称：一种离子束流自动测量系统及测量方法
技术领域：
本发明是一种离子束流自动测量系统及测量方法，涉及离子源、束流光学、离子注入技术、粒子加速器、核能等领域。
背景技术：
对于离子束流，对其束流强度、发射度、能散度和单原子离子比的测 量是具有很重要意义的。在离子源的研究中，离子束流的这些参数直接反映了离子源性能的好坏。离子注入技术是用能量为IOOkeV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能，在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用。在离子注入技术中，离子束流的这些参数也直接影响着离子注入的效果。在粒子加速器领域中，将离子的能量加速到一定量级，从而利用高能离子束进行基础研究或放射治疗。被加速的离子束，要求束流强度大、发射度低、能散度低、单原子离子比高。另外，在核能领域中，加速器驱动的次临界系统(ADS系统)是先进核能研究的一个重要方面，其中，氘离子束由离子源产生，经过加速器加速成高能氘离子束，最终打在旋转氚靶上，发生氘氚聚变反应，产生能量为14MeV量级的中子。现行的离子束流的测量方法，对于束流强度，有法拉第筒法、二次电子补偿法、直流束流变压器(DCCT)等。其中，DCCT法允许离子束流无截止通过，但价格昂贵，二次电子补偿法对材料制备要求较高，从经济适用角度考虑，目前测量非电子的离子束流的束流强度，一般采用法拉第筒法，其结构简单、造价低、适用范围广，且精度较高。对于发射度的测量，多采用缝丝法，用缝和丝分别获取单元束流的位置和发射角的信息。其分为多缝单丝法和单缝单丝法，其中多缝单丝法，结构较为简单，但是产生的多个单元束流之间会有相互影响，单缝单丝法能避开相邻束流间的相互影响，精确度较高，但是此方法既要对极板电压进行扫描，又要对截面位置进行扫描，故结构较为复杂，测量速度相对较慢。对于能散度的测量，有电场减速法和电场偏转法，其中电场偏转法测量精度更高。对于单原子离子比的测量，主要有电场偏转法和磁场偏转法，根据不同荷质比的粒子在电场或磁场中运动的轨迹不同，将一束离子束流中不同的粒子分开，从而测量其各种离子所占的比例。离子束流的束流强度、发射度、能散度和单原子离子比，都有相应的测量方法。但是，目前的技术中，对离子束流的束流强度、发射度、能散度和单原子离子比的测量均是由完全独立的系统完成的，没有一个集成的系统，用来测量离子束流的束流强度、发射度、能散度和单原子离子比。在某些情况下，对离子束流的这四个参数都非常关心，需要获取离子束流这四个参数的信息。但是，由于没有一个集成的系统，所以对每一个参数进行测量，都需要先将离子源装置与该参数的测量装置通过接口法兰连接，还要保证束流所经过空间维持一定的真空度。要进行另一参数的测量，需要先停闭离子源系统，并将先前的测量装置拆卸，再安装此参数的测量装置。此种测量方法，由于需要多次的安装与拆卸、离子源系统的关闭与启动，费时、费力、对离子源和参数测量装置的损耗较大，同时影响了离子源系统的稳定性。所以，一种可以在离子源稳定运行不停机的状态下完成对离子源离子束流所有参数的测量的系统是必要的。
发明内容
本发明的技术解决问题克服 现有技术的不足，提供一种离子束流的参数测量系统，该系统具有操作方便、测量速度快、测量精度高、利于设备的维护等特点。本发明的技术解决方案一种离子束流自动测量系统，包括离子源系统I、接口法兰2、真空室3、束流强度测量探头4、发射度测量探头5、能散度测量探头6、单原子离子比测量探头7、束流截止装置8、第一步进电机驱动装置9、第二步进电机驱动装置16、第一步进电机10、第二步进电机12、第三步进电机17、第四步进电机21、第一扫描电场电源14、第二扫描电场电源19、扫描磁场电源23、第一 A/D卡11、第二 A/D卡15、第三A/D卡20、第四A/D卡24、第五A/D卡25、第一 D/A卡13、第二 D/A卡18、第三D/A卡22和计算机26 ；离子束流从离子源系统I引出后，由连接真空室3的接口法兰2进入真空室3，真空室3中在束流线的两侧安装了束流强度测量探头4、发射度测量探头5、能散度测量探头6和单原子离子比测量探头7，在真空室3中分别单独完成对离子束流的束流强度、发射度、能散度、单原子离子比的自动测量；计算机26通过第一步进电机驱动装置9和第一步进电机10控制束流强度测量探头4进入和撤离束流线，束流强度测量探头4得到的电流信号通过第一A/D卡11转换成数字信号传输到计算机26中，计算机26对此信号进行滤波与成形处理并予以显示；计算机26通过第一步进电机驱动装置9和第二步进电机12控制发射度测量探头5进入和撤离束流线，计算机26发出的数字指令由第一 D/A卡13转换成模拟信号后，控制第一扫描电场电源14对发射度测量探头5中扫描电场的电压进行扫描,发射度测量探头5得到的电流信号、束流位置信号和第一扫描电场电源14得到的电压信号通过第二 A/D卡
15转换成数字信号输入到计算机26，计算机26进行发射度计算，并将计算结果予以显示；计算26通过第二步进电机驱动装置16和第三步进电机17控制能散度测量探头6进入和撤离束流线，计算机26发出的数字指令由第二 D/A卡18转换成模拟信号后，控制第二扫描电场电源19对能散度测量探头6中扫描电场的电压进行扫描，能散度测量探头6的电流信号以及第二扫描电场电源19输出的电压信号通过第三A/D卡20转换成数字信号后传输到计算机26，计算机26进行能散度计算，并将计算结果予以显示；计算机26通过第二步进电机驱动装置16和第四步进电机21控制单原子离子比测量探头7进入和撤离束流线，计算机26发出的数字指令由第三D/A卡22转换成模拟信号后，控制扫描磁场电源23对单原子离子比测量探头7中磁场的场强进行扫描，单原子离子比测量探头7得到的电流信号以及扫描磁场电源23输出的电压信号通过第四A/D卡24转换成数字信号传输到计算机26，计算机26计算单原子离子比，并将计算结果予以显示；束流截止装置8中的电流信号经第五A/D卡25转换成数字信号传输到计算机26中，计算机26对此信号进行滤波与成形处理并予以显示，由显示的波形的稳定性判断束流是否达到稳定状态。本发明中的一种离子束流自动测量系统，由于束流强度测量探头4、发射度测量探头5、能散度测量探头6、单原子离子比测量探头7散热能力的限制，所述离子束流的能量应低于200keV,离子束流强度低于180mA。
本发明中一种离子束流自动测量系统的工作流程测量方法如下第一步，将离子源系统I通过连接法兰2与真空室3连接；第二步，测量离子束流的束流强度通过计算机26向第一步进电机驱动装置9发出指令，控制第一步进电机10，将束流强度测量探头4移动到束流线上，束流强度测量探头4得到的电流信号通过第一 A/D卡11转换成数字信号传输到计算机26中，计算机26对此信号进行滤波与成形处理并予以显示；测量完毕后，第一控制步进电机10将束流强度测量探头4还原到束流强度测量探头4的初始位置；第三步，测量离子束流的发射度通过计算机26向第一步进电机驱动装置9发出指令，控制第二步进电机12，将发射度测量探头5移动到束流线上，计算机26按照已编写的 发射度测量程序，通过第一 D/A卡13控制第一扫描电场电源14，以控制对发射度测量探头5极板电压的扫描，另外，计算机26向第一步进电机驱动装置9发出指令，控制第二步进电机12，以控制发射度测量探头5的微动，从而完成发射度测量探头5位置的扫描，发射度测量探头5得到的电流信号、束流位置信号和第一扫描电场电源14得到的电压信号通过第二A/D卡15转换成数字信号输入到计算机26，计算机26进行发射度计算，并将计算结果予以显示；测量完毕后，第二步进电机12将发射度测量探头5还原到发射度测量探头5的初始位置；第四步，测量离子束流的能散度通过计算机26向第二步进电机驱动装置16发出指令，控制第三步进电机17，将能散度测量探头6移动到束流线上，通过第二 D/A卡18控制第二扫描电场电源19，以控制对能散度测量探头6极板电压的扫描，能散度测量探头6的电流信号以及第二扫描电场电源19输出的电压信号通过第三A/D卡20转换成数字信号后传输到计算机26，计算机26进行能散度计算，并将计算结果予以显示。测量完毕后，第三步进电机17将能散度测量探头6还原到能散度测量探头6的初始位置；第五步，测量离子束流的单原子离子比通过计算机26向第二步进电机驱动装置16发出指令，控制第四步进电机21，将单原子离子比测量探头7移动到束流线上，通过第三D/A卡22控制扫描磁场电源23，以对单原子离子比测量探头7磁场强度进行扫描，单原子离子比测量探头7得到的电流信号以及扫描磁场电源23输出的电压信号通过第四A/D卡24转换成数字信号传输到计算机26，计算机26计算单原子离子比，并将计算结果予以显示；测量完毕后，第四步进电机21将单原子离子比测量探头7还原到单原子离子比测量探头7的初始位置；第六步，离子束流未稳定、测量参数更换或未对离子束流进行测量时，离子束流直接打在束流截止装置8上，电流信号经第五A/D卡25转换成数字信号传输到计算机26中，计算机26对此信号进行滤波与成形处理并予以显示，由显示的波形的稳定性判断束流是否达到稳定状态；第七步，所有参数测量完毕，先关闭离子源系统I的运行，再断开束流截止装置8电源，最后关闭真空系统3电源。上述步骤中第二步到第五步没有先后顺序之分。所述的束流强度测量探头4为一个法拉第筒，其结构包括第一极板29、第二极板30、圆孔28、筒体31、进水口 32、冷却水流动槽33、出水口 34 ;圆孔28开在第一极板29和第二极板30上，第一极板29位于第二极板30前，筒体31位于第二极板30后，冷却水流动槽33缠绕分布在筒体31外侧，进水口 32位于筒体31前端，出水口 34位于筒体31后端。所述发射度测量探头5包括第一入射缝37、第一出射缝40、第一上极板38、第一下极板39、第二法拉第筒41 ;第一上极板38和第一下极板39平行放置，位于第一入射缝37和第一出射缝40之间，第一入射缝37和第一出射缝40的开口方向平行于第一上极板38和第一下极板39，第二法拉第筒41位于第一出射缝40之后。所述能散度测量探头6包括第二入射缝43、第二出射缝49、第二上极板45、第二下极板46、第三法拉第筒50，第二上极板45和第二下极板4 6平行放置，第二上极板45接地，第二上极板45上开有第三入射缝47和第三出射缝48，第三入射缝47和第三出射缝48平行，且与第二入射缝43和第二出射缝49平行，第三法拉第筒50位于第二出射缝49后。所述单原子离子比测量探头7由第四入射缝52、第四出射缝55、偏转磁铁54和第四法拉第筒56组成，偏转磁铁54为圆心角为90°的环形，第四入射缝52在偏转磁铁54前方，平行于偏转磁铁54截面放置，第四出射缝55在偏转磁铁54后方，平行于偏转磁铁54放置，第四法拉第筒56在第四出射缝55之后。所述的真空室3，其压强应维持在低于5X 10_3Pa。本发明的有益效果为(I)本发明的结构中，并非为束流强度测量探头4、发射度测量探头5、能散度测量探头6、单原子离子比测量探头7各自通过接口法兰与离子源系统I连接，这样解决了在对离子束流多个参数测量时所遇到的频繁拆卸和安装参数测量装置的问题，减轻了由于经常安装和拆卸而对离子源和参数测量装置的损坏，有利于对设备的维护，简化了测量步骤，节省了测量时间，使测量过程简便、快速、易行。(2)本发明的结构可以在离子源稳定运行不停机的状态下完成对离子束流所有参数的测量，并且对离子束流的束流强度、发射度、能散度、单原子离子比的测量都在同一物理环境中，提高了测量结果的可信度。另外，由于四个测量探头更换时，不需要停止离子源的运行，使得对各个参数的测量是在同一束离子束流上进行，降低了束流不稳定性对测量结果的影响，提高测量结果的精确性。
图I为本发明中一种离子束流自动测量系统的结构�？橥迹煌�2为本发明中一种离子束流自动测量系统的束流强度测量探头(法拉第筒)示意图；图3为本发明中一种离子束流自动测量系统的发射度测量探头示意图；图4为本发明中一种离子束流自动测量系统的能散度测量探头示意图；图5为本发明中一种离子束流自动测量系统的单原子离子比测量探头示意图；图6为本发明中一种离子束流自动测量系统的束流截止装置示意图。
具体实施例方式如图I所示，本发明实施例一种离子束流自动测量系统包括离子源系统I、接口法兰2、真空室3、束流强度测量探头4、发射度测量探头5、能散度测量探头6、单原子离子比测量探头7、束流截止装置8、第一步进电机驱动装置9、第二步进电机驱动装置16、第一步进电机10、第二步进电机12、第三步进电机17、第四步进电机21、第一扫描电场电源14、第二扫描电场电源19、扫描磁场电源23、第一 A/D卡11、第二 A/D卡15、第三A/D卡20、第四A/D卡24、第五A/D卡25、第一 D/A卡13、第二 D/A卡18、第三D/A卡22和计算机26 ；离子束流从离子源系统I引出后，由连接真空室3的接口法兰2进入真空室3，真空室3中在束流线的两侧安装了束流强度测量探头4、发射度测量探头5、能散度测量探头6和单原子离子比测量探头7，在真空室3中分别单独完成对离子束流的束流强度、发射度、能散度、单原子离子比的自动测量；计算机26通过第一步进电机驱动装置9和第一步进电机10控制束流强度测量探头4进入和撤离束流线，束流强度测量探头4得到的电流信号通过第一A/D卡11转换成数字信号传输到计算机26中，计算机26对此信号进行滤波与成形处理并予以显示；计算机26通过第一步进电机驱动装置9和第二步进电机12控制发射度测量探头5进入和撤离束流线，计算机26发出的数字指令由第一 D/A卡13转换成模拟信号后，控制第一扫描电场电源14对发射度测量探头5中扫描电场的电压进行扫描,发射度测量探头5得到的电流信号、束流位置信号和第一扫描电场电源14得到的电压信号通过第二 A/D卡15转换成数字信号输入到计算机26，计算机26进行发射度计算，并将计算结果予以显示；计算机26通过第二步进电机驱动装置16和第三步进电机17控制能散度测量探头6进入和撤离束流线，计算机26发出的数字指令由第二 D/A卡18转换成模拟信号后，控制第二扫描电场电源19对能散度测量探头6中扫描电场的电压进行扫描，能散度测量探头6的电流信号以及第二扫描电场电源19输出的电压信号通过第三A/D卡20转换成数字信号后传输 到计算机26，计算机26进行能散度计算，并将计算结果予以显示；计算机26通过第二步进电机驱动装置16和第四步进电机21控制单原子离子比测量探头7进入和撤离束流线，计算机26发出的数字指令由第三D/A卡22转换成模拟信号后，控制扫描磁场电源23对单原子离子比测量探头7中磁场的场强进行扫描，单原子离子比测量探头7得到的电流信号以及扫描磁场电源23输出的电压信号通过第四A/D卡24转换成数字信号传输到计算机26，计算机26计算单原子离子比，并将计算结果予以显示；束流截止装置8中的电流信号经第五A/D卡25转换成数字信号传输到计算机26中，计算机26对此信号进行滤波与成形处理并予以显示，由显示的波形的稳定性判断束流是否达到稳定状态。本发明中的一种离子束流自动测量系统，由于束流强度测量探头4、发射度测量探头5、能散度测量探头6、单原子离子比测量探头7散热能力的限制，所述离子束流的能量应低于200keV，离子束流强度应低于180mA。如图2所示，本发明中的束流强度测量探头4为法拉第筒，包括第一极板29、第二极板30、圆孔28、筒体31、进水口 32、冷却水流动槽33、出水口 34。法拉第筒的基本结构为圆筒状结构，用来收集束流及其打在筒壁溅射出来的二次电子，并避免其它电子进入到收集筒中。束流27从第一极板29和第二极板30中的圆孔28进入，极板29接地，保持地电位，极板30接负高压，从而形成屏蔽电�。员Ｖね獠康缱游薹ń敕ɡ谕玻夷诓拷ι� 的二次电子不能逃逸出去。筒体31采用流线型锥形结构，有利于增大束流的接收面积，从而避免束流在小区域内堆积，提高散热效率。另外，为了加快散热，对筒体31采取水冷措施。冷却水由进水口 32进入，经过冷却水流动槽33，从出水口 34流出，以很快带走法拉第筒壁上的热量。冷却水的流速越快，沟槽覆盖面积越大，就能越快带走筒体的热量，对筒体的冷却效果就越好。对离子束流的束流强度的测量过程为，束流稳定后，计算机26向第一步进电机驱动装置9发出指令，控制第一步进电机10推动束流强度测量探头4进入到束流线上，离子束流27由圆孔28进入筒体31，被筒壁接收，使筒体带电荷，将电荷引出形成电流信号，此电流信号即是束流强度，经A/D卡11将模拟信号转变为数字信号传递到计算机26，由计算机26进行滤波与成形处理并予以显示。·如图3所示，本发明的发射度测量探头5结构包括第一入射缝37、第一出射缝40、发射度测量探头的外部支撑36、第一上极板38、第一下极板39、第二法拉第筒41 ;第一上极板38和第一下极板39平行放置,位于第一入射缝37和第一出射缝40之间,第一入射缝37和第一出射缝40与第一上极板38和第一下极板39平行，第二法拉第筒41位于第一出射缝40之后。其测量原理为缝丝法中的单缝单丝法。离子束流35由测量装置的第一入口缝37进入装置内部，离子束流在第一上极板38和第一下极板39之间的偏转电场中发生偏转，经过第一出口缝40进入第二法拉第筒41。第一上极板38和第一下极板39长度为L，距离为D，之间加扫描电压V。第一入口缝37很窄，宽度约为20um，只能在束流截面上截取一小簇束流。假设离子束的能量为E，只有离子运动方向与束流中心轴线夹角Θ (离子偏角)与扫描电压V满足关系式tan Θ = VL/4ED(I)时才可以通过第一出口缝41，被第二法拉第筒41接收，并由第二法拉第筒41后端的电子学系统弓I出电流信号。在束流截面的不同位置X处，扫描第一上极板38与第一下极板39间所加的偏转电压V，在位置X处截取的一簇束流中偏角Θ与扫描偏转电压V满足关系式(I)的离子可以通过第一出口缝40进入第二法拉第筒41，这样当偏转电压V扫描一个周期后，该簇束流中各个偏角的离子将在对应的偏转电压下进入第二法拉第筒41，第二法拉第筒41引出电流的大小反映该偏角离子的多少，进而得到束流截面X处偏角Θ的分布。发射度测量探头5微动的步长为d，在束流截面X处完成偏转电压的扫描后，发射度测量探头5步进到下一个位置x+d处，截取束流截面x+d处束流，扫描偏转电压，得到束流截面x+d处偏角Θ的分布。完成对束流截面位置X的扫描后，可以得到束流截面上各X处离子偏角Θ的分布。发射度的一种常见定义是束流的相面积除以π，由下式得到ε (mm · mrad) = (I/ π ) f f ￡2dxdx/ (2)离子动量p在X方向的分量为Px，在束流运动方向z方向的分量为Pz，上式中V
为Px与Pz之比，即
Pxx----U
Pz由于离子偏角Θ很�。杂薪乒叵�= ~~ = tan Θ ^ Θ(4)
Pz结合式(I)可得，X' = VL/4ED(5)完成对束流截面位置X的扫描后得到的束流截面上各X处离子偏角Θ的分布，也就是束流截面上各X处V的分布。由式(2)得到离子束流的发射度。对离子束流的发射度的测量过程为，计算机26向第一步进电机驱动装置9发出指令，控制第二步进电机12推动发射度测量探头5进入束流线上，当第一入口缝37即将达到束流线35的边缘时，发射度测量探头5的运动状态变化为微小移动，使第一入口缝37从束流35截面的一端按照一定的步长d缓慢步进到另一端，实现对束流横截面方向的不同位置X的扫描。第二步进电机12步进的步长精度在um量级。测量时通过计算机26中已编写的测量程序设定第二步进电机12的运行参数。当第二步进电机12停在一个测量位置时，第一入口缝37处于束流35的截面X处时，截取了一小簇束流，偏压电源14向第一上极板38和第一下极板39提供极性相反的阶梯形电压，使截取的一小簇束流中速度方向与束中心线有不同夹角的离子依次经过第一出口缝40进入第二法拉第筒41，从而实现对束流散 角的扫描。第一扫描电源14输出电压的变化由第一 D/A卡13控制，扫描电压的阶梯变化量可根据需要进行调整。通过第二法拉第筒41测量到的束流电流信号经过放大后输入A/D卡15，与此电流信号相对应的上下极板偏转电压也同时输入第二 A/D卡15。束流信号、第一上极板38与第一下极板39间所加的偏转电压V、该测量位置的电机走步数三者同时被计算机26采集。完成电压的扫描后，计算机26中已编写测量程序设定第二控制步进电机12运行到下一个测量位置x+d处，重复以上步骤。整个测量过程完成后，可通过程序选择电机复位或者沿反方向继续测量。束流信号、第一上极板38与第一下极板39间所加的偏转电压V、电机走步数三者同时被计算机26采集后，束流截面位置X由电机走步数给出，在束流截面位置X处，当束流信号的值I大于设定的阈值Itl (I0为本底和噪声带来的电流值)时，表示此时有离子通过第一出口缝40进入第二法拉第筒41，与此束流信号的值I相对应的V值，与V有关系式(5)，从而可以建立束流截面位置X处X'的分布，计算机26绘制此分布图，即发射相图，并通过式(2 )得到束流发射度的值。如图4所示，本发明的能散度测量探头6，结构包括第二入射缝43、第二出射缝49、第二上极板45、第二下极板46、第三法拉第筒50、能散度测量探头外部支撑结构44，第二上极板45和第二下极板46平行放置，第二上极板45接地，第二上极板45上开有第三入射缝47和第三出射缝48，第三入射缝47和第三出射缝48平行，第三法拉第筒50位于第二出射缝49后。其测量原理基于带电离子束流在电场中的偏转。离子束流42由第二入射缝43进入测量装置内部，由第二上极板45的第三入射缝47进入偏转电�。诘诙霞�45和第二下极板46之间加有扫描电压V，离子束流发生偏转，离子束流中不同能量的离子在偏转电场中发生偏转的程度不同，只有当离子的能量与偏转电压满足一定条件时，离子才能通过第二上极板45的第三出射缝48和第二出射缝49进入第三法拉第筒50。对离子束流的能散度的测量过程为，计算机26向第二步进电机驱动装置16发出指令，控制第三步进电机17推动能散度测量探头6进入束流线上，离子束流由第二入射缝43和第三入射缝47进入偏转电�。诙璧缭�19对第二上极板45和第二下极板46提供极性相反的阶梯形电压，使不同能量的离子在不同的偏转电压下经过第三出射缝48和第二出射缝49进入第三法拉第筒50。第二扫描电源19输出电压的变化由计算机26通过第二 D/A卡18进行控制，由第三法拉第筒50引出的电流信号，与同此束流信号相对应的极板电压信号一起，经过第三A/D卡20传输到计算机26中，由计算机26进行数据的处理，得到不同能量离子的束流强度分布，即能谱分布。此分布近似为高斯分布，记分布曲线中束流强度为最大值的一半处的能量宽度(半高宽)为Λ ε1/2，束流强度最大值处所对应的能量为％，则得到离子束流的能散度值K为
权利要求
1.一种离子束流自动测量系统，其特征在于包括离子源系统(I)、接口法兰(2)、真空室(3)、束流强度测量探头(4)、发射度测量探头(5)、能散度测量探头(6)、单原子离子比测量探头(7)、束流截止装置(8)、第一步进电机驱动装置(9)、第二步进电机驱动装置(16)、第一步进电机(10)、第二步进电机(12)、第三步进电机(17)、第四步进电机(21)、第一扫描电场电源(14)、第二扫描电场电源(19)、扫描磁场电源(23)、第一 A/D卡(11)、第二 A/D卡(15)、第三 A/D 卡(20)、第四 A/D 卡(24)、第五 A/D 卡(25)、第一 D/A 卡(13)、第二 D/A 卡(18)、第三D/A卡(22)和计算机(26);离子束流从离子源系统(I)引出后，由连接真空室(3)的接口法兰(2)进入真空室(3)，真空室(3)中在束流线的两侧安装了束流强度测量探头(4)、发射度测量探头(5)、能散度测量探头(6)和单原子离子比测量探头(7)，在真空室(3)中分别单独完成对离子束流的束流强度、发射度、能散度、单原子离子比的自动测量；计算机(26 )通过第一步进电机驱动装置(9 )和第一步进电机(10 )控制束流强度测量探头(4)进入和撤离束流线，束流强度测量探头(4)得到的电流信号通过第一 A/D卡(11)转换成数字信号传输到计算机(26)中，计算机(26)对此信号进行滤波与成形处理并予以显示；计算机(26)通过第一步进电机驱动装置(9)和第二步进电机(12)控制发射度测量探头(5)进入和撤离束流线，计算机(26 )发出的数字指令由第一 D/A卡(13 )转换成模拟信号后，控制第一扫描电场电源(14)对发射度测量探头(5)中扫描电场的电压进行扫描,发射度测量探头(5)得到的电流信号、束流位置信号和第一扫描电场电源(14)得到的电压信号通过第二A/D卡(15)转换成数字信号输入到计算机(26)，计算机(26)进行发射度计算，并将计算结果予以显示；计算机(26)通过第二步进电机驱动装置(16)和第三步进电机(17)控制能散度测量探头(6)进入和撤离束流线，计算机(26)发出的数字指令由第二 D/A卡(18)转换成模拟信号后，控制第二扫描电场电源(19)对能散度测量探头(6)中扫描电场的电压进行扫描，能散度测量探头(6)的电流信号以及第二扫描电场电源(19)输出的电压信号通过第三A/D卡(20 )转换成数字信号后传输到计算机(26 )，计算机(26 )进行能散度计算，并将计算结果予以显示；计算机(26)通过第二步进电机驱动装置(16)和第四步进电机(21)控制单原子离子比测量探头(7 )进入和撤离束流线，计算机(26 )发出的数字指令由第三D/A卡(22)转换成模拟信号后，控制扫描磁场电源(23)对单原子离子比测量探头(7)中磁场的场强进行扫描，单原子离子比测量探头(7)得到的电流信号以及扫描磁场电源(23)输出的电压信号通过第四A/D卡(24)转换成数字信号传输到计算机(26)，计算机(26)计算单原子离子比，并将计算结果予以显示；束流截止装置(8)中的电流信号经第A/D卡(25)转换成数字信号传输到计算机(26)中，计算机(26)对此信号进行滤波与成形处理并予以显示，由显示的波形的稳定性判断束流是否达到稳定状态。
2.根据权利要求I所述的一种离子束流自动测量系统，其特征在于所述离子束流的能量应低于200keV，离子束流强度低于180mA。
3.根据权利要求I所述的一种离子束流自动测量系统，其特征在于所述的束流强度测量探头(4)为一个法拉第筒，其结构包括第一极板(29)、第二极板(30)、圆孔(28)、筒体(31)、进水口( 32 )、冷却水流动槽(33 )、出水口( 34 );圆孔(28 )开在第一极板(29 )和第二极板(30)上，第一极板(29)位于第二极板(30)前，筒体(31)位于第二极板(30)后，冷却水流动槽(33)缠绕分布在筒体(31)外侧，进水口( 32)位于筒体(31)前端，出水口( 34)位于筒体(31)后端。
4.根据权利要求I所述的一种离子束流自动测量系统，其特征在于所述发射度测量探头(5)包括第一入射缝(37)、第一出射缝(40)、第一上极板(38)、第一下极板(39)、第二法拉第筒(41);第一上极板(38)和第一下极板(39)平行放置，位于第一入射缝(37)和第一出射缝(40 )之间，第一入射缝(37 )和第一出射缝(40 )的开口方向平行于第一上极板(38)和第一下极板(39)，第二法拉第筒(41)位于第一出射缝(40)之后。
5.根据权利要求I所述的一种离子束流自动测量系统，其特征在于所述能散度测量探头(6)包括第二入射缝(43)、第二出射缝(49)、第二上极板(45)、第二下极板(46)、第三法拉第筒(50)，第二上极板(45)和第二下极板(46)平行放置，第二上极板(45)接地，第二上极板(45)上开有第三入射缝(47)和第三出射缝(48)，第三入射缝(47)和第三出射缝(48)平行，且与第二入射缝(43)和第二出射缝(49)平行，第三法拉第筒(50)位于第二出射缝(49)后。
6.根据权利要求I所述的一种离子束流自动测量系统，其特征在于所述单原子离子比测量探头(7 )由第四入射缝(52 )、第四出射缝(55 )、偏转磁铁(54 )和第四法拉第筒(56 )组成，偏转磁铁(54)为圆心角为90°的环形，第四入射缝(52)在偏转磁铁(54)前方，平行于偏转磁铁(54)截面放置，第四出射缝(55)在偏转磁铁(54)后方，平行于偏转磁铁(54)放置，第四法拉第筒(56 )在第四出射缝(55 )之后。
7.根据权利要求I所述的一种离子束流自动测量系统，其特征在于所述真空室(3)为圆柱形，其压强应低于5X10_3Pa。
8.根据权利要求3-6任意之一所述的一种离子束流自动测量系统，其特征在于所述第一法拉第筒(4)、第二法拉第筒(41)、第三法拉第筒(50)、第四法拉第筒(56)的筒体采用流线型锥形结构，以增大束流的接收面积，加快筒体的散热；筒体外壁刻有冷却水流动沟槽，以冷却筒体。
9.一种离子束流自动测量方法，其特征在于实现步骤如下 第一步，将离子源系统(I)通过连接法兰(2 )与真空室(3 )连接； 第二步，测量离子束流的束流强度通过计算机(26)向第一步进电机驱动装置(9)发出指令，控制第一步进电机(10)，将束流强度测量探头(4)移动到束流线上，束流强度测量探头(4 )得到的电流信号通过第一 A/D卡(11)转换成数字信号传输到计算机(26 )中，计算机(26 )对此信号进行滤波与成形处理并予以显示；测量完毕后，第一控制步进电机(10 )将束流强度测量探头(4)还原到束流强度测量探头(4)的初始位置； 第三步，测量离子束流的发射度通过计算机(26)向第一步进电机驱动装置(9)发出指令，控制第二步进电机(12)，将发射度测量探头(5)移动到束流线上，计算机(26)按照已编写的发射度测量程序，通过第一 D/A卡(13)控制第一扫描电场电源(14)，以控制对发射度测量探头(5)极板电压的扫描，另外，计算机(26)向第一步进电机驱动装置(9)发出指令，控制第二步进电机(12)，以控制发射度测量探头(5)的微动，从而完成发射度测量探头(5)位置的扫描，发射度测量探头(5)得到的电流信号、束流位置信号和第一扫描电场电源(14)得到的电压信号通过第二 A/D卡(15)转换成数字信号输入到计算机(26)，计算机(26)进行发射度计算，并将计算结果予以显示；测量完毕后，第二步进电机(12)将发射度测量探头(5)还原到发射度测量探头(5)的初始位置； 第四步，测量离子束流的能散度通过计算机(26)向第二步进电机驱动装置(16)发出指令，控制第三步进电机(17)，将能散度测量探头(6)移动到束流线上，通过第二 D/A卡(18)控制第二扫描电场电源(19)，以控制对能散度测量探头(6)极板电压的扫描，能散度测量探头(6)的电流信号以及第二扫描电场电源(19)输出的电压信号通过第三A/D卡(20)转换成数字信号后传输到计算机(26)，计算机(26)进行能散度计算，并将计算结果予以显示。测量完毕后，第三步进电机(17)将能散度测量探头(6)还原到能散度测量探头(6)的初始位置； 第五步，测量离子束流的单原子离子比通过计算机(26)向第二步进电机驱动装置(16)发出指令，控制第四步进电机(21)，将单原子离子比测量探头(7)移动到束流线上，通过第三D/A卡(22 )控制扫描磁场电源(23 )，以对单原子离子比测量探头(7 )磁场强度进行扫描，单原子离子比测量探头(7)得到的电流信号以及扫描磁场电源(23)输出的电压信号通过第四A/D卡(24)转换成数字信号传输到计算机(26 )，计算机(26 )计算单原子离子比，并将计算结果予以显示；测量完毕后，第四步进电机(21)将单原子离子比测量探头(7)还原到单原子离子比测量探头(7)的初始位置； 第六步，离子束流未稳定、测量参数更换或未对离子束流进行测量时，离子束流直接打在束流截止装置(8)上，电流信号经第A/D卡(25)转换成数字信号传输到计算机(26)中，计算机(26)对此信号进行滤波与成形处理并予以显示，由显示的波形的稳定性判断束流是否达到稳定状态； 第七步，所有参数测量完毕，先关闭离子源系统(I)的运行，再断开束流截止装置(8)电源，最后关闭真空系统(3)电源。
全文摘要
一种离子束流自动测量系统及测量方法，将离子束流的四个参数(束流强度、发射度、能散度、单原子离子比)的测量探头有机集成在一个真空室中，用来测量离子束流的束流强度、发射度、能散度和单原子离子比。四个参数的测量探头是可运动的，其运动由步进电机驱动，并由计算机控制步进电机的运行、测量数据的采集与处理。本发明的优点在于(1)可以在离子源稳定运行不停机的状态下完成对离子束流所有参数的测量；(2)减少了各个参数测量装置的安装与拆卸工序，降低对离子源和各参数测量装置的损坏，同时使测量过程方便、快速；(3)降低环境因素的影响，提高参数测量的精度。
文档编号G01T1/29GK102819033SQ20121031338
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者陈学勇, 宋逢泉, 祝庆军, 廖燕飞, 宋钢 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院
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