高分辨率丝阵型束流截面测量装置的丝阵结构及测量装置

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，具体涉及一种高分辨率丝阵型束流截面测量装置的丝阵结构及包含该丝阵结构的测量装置。

背景技术

束流截面是束流的一个重要参数，束流截面测量不仅可以直观的给出束流的中心位置、束流包络和横向均匀性分布，也可以结合四极铁扫描等方法给出束流的发射度，对加速器的调试以及终端用户实验至关重要。

在低能质子束的束流截面测量领域，主要有基于光学的方法、基于丝扫描的方法和基于丝阵的方法。

其中，基于光学的方法最常用的是荧光屏。当束流打在与束流入射方向呈45度角的荧光屏上时，荧光材料受激发光，发光量与入射处粒子密度呈正比。在另外一个45度方向上设置一个观察窗，用CCD像机捕捉荧光屏上的光斑图像，就可以反映束流的截面分布。这种方法的优点是结构简单，造价便宜。但荧光屏是一种阻挡式的测量方法，而且只能粗略的确定束流的位置和截面，存在对比度不够、无法对束晕进行精确测量等缺点。基于丝扫描的方法可以实现精确的步长调节，也可以测量束晕，对束流正常传输影响较小，在针对强流束测量时可以避免被熔断，也是低能强流质子束流截面测量中常用的方法。但是单丝扫描法存在扫描时间长，脉冲束需要同步信号等问题，主要针对稳定性好的束流。基于丝阵的方法仅需一个脉冲就可实现束流截面的完整测量，对束流稳定性无要求，可以一次性得到束流横截面上的分布情况。由于其实时性，还可以用于研究束流截面密度分布的瞬时变化情况。但这种方法的缺点在于：当束流包络较小时，要想得到较为准确的测量结果，就需要多根探测丝紧密排布，以提高测量分辨率，这给工艺实现带来了较大难度。特别是该方法对丝阵中丝的垂直度和平行度要求较高，对于通常采用的几十微米金属丝来说，过于绷紧则容易拉断，不绷紧则无法保持其垂直度和平行度，而且丝阵通常需要在真空中使用，抽真空时两侧支撑框架间的距离会缩短，在束流轰击探测丝时会使探测丝受热变形，这些因素使得丝阵无法维持在抽真空前的绷紧状态。如果抽真空前丝阵上的应力过大，在抽真空时的气流又有可能导致丝的拉断。这些问题使得丝阵型束流截面探测器制作和维护起来十分困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分辨率丝阵型束流截面测量装置的丝阵结构及包含该丝阵结构的测量装置，以解决现有基于丝阵型束流截面测量装置的丝阵结构中，探测丝过于绷紧容易拉断、不绷紧则无法保持其垂直度和平行度，在束流轰击探测丝时会使探测丝受热变形，以及束流包络较小时，需要多根探测丝紧密排布，使工艺难度加大等问题。

本发明的解决方案是：

一种高分辨率丝阵型束流截面测量装置的丝阵结构，包括探测丝、第一绷紧弹簧、第一绝缘调节块和第二绝缘调节块，所述探测丝的一端通过第一绷紧弹簧，与第一绝缘调节块连接，探测丝的另一端与第二绝缘调节块连接。

进一步地，所述的丝阵结构还包括绝缘导向块，绝缘导向块位于第一绝缘调节块与第二绝缘调节块之间，绝缘导向块上设置有凹槽，探测丝卡在凹槽中，保证了探测丝与探测丝之间存在一定的距离，改变凹槽之间的间距可以控制测量分辨率，实现探测丝的准确定位。

进一步地，所述的探测丝为横竖两层探测丝，两层探测丝分别卡在绝缘导向块两个对称面上的凹槽中，每层探测丝中的探测丝之间互相平行，两层探测丝之间互相垂直而不相交。

进一步地，所述探测丝与第二绝缘调节块连接的一端设置有第二绷紧弹簧，探测丝通过第二绷紧弹簧与第二绝缘调节块连接。

进一步地，所述的第一绷紧弹簧和第二绷紧弹簧由探测丝在细杆上手工绕制而成，其上带有一定的回复力。

进一步地，所述的第一绷紧弹簧和第二绷紧弹簧分别通过调节螺钉连接在第一绝缘调节块和第二绝缘调节块上，第一绝缘调节块和第二绝缘调节块上设置有与调节螺钉相适配的螺纹孔，通过调节螺钉可以调节探测丝的松紧。

进一步地，所述的探测丝的两端，与第一绷紧弹簧和第二绷紧弹簧连接处，还分别设置具有安装孔的第一绝缘绷紧块和第二绝缘绷紧块，探测丝两端分别穿过第一绝缘绷紧块和第二绝缘绷紧块上设置的安装孔，与第一绷紧弹簧和第二绷紧弹簧连接，所述探测丝为镀金钨丝。

进一步地，所述的第一绝缘绷紧块和第二绝缘绷紧块上设置的安装孔，高低错落排布，保证安装孔与安装孔之间有足够的距离，避免绷紧弹簧安装时互相干涉。

进一步地，所述的第一绝缘绷紧块和第二绝缘绷紧块上的安装孔与绝缘导向块上的凹槽有高度差，利用这一高度差可使探测丝在绷紧状态时不会滑出绝缘导向块上的凹槽。

同时，本发明还提供了一种高分辨率丝阵型束流截面测量装置，包括丝阵结构，其特殊之处在于，所述丝阵结构为上述结构的丝阵结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明涉及在线测量束流横向截面分布的测量装置，其丝阵结构中每根探测丝两端各采用一个绷紧弹簧和一个调节螺钉固定在绝缘调节块上，在钳装时，在绝缘调节块上，调节螺钉可以调节拉直探测丝，绷紧弹簧保证丝上存在一定的预应力；在真空状态和受热状态下，这个预应力将保证探测丝能够自动适应绝缘支架间距离的变化，始终保持绷紧拉直状态。

2、绝缘导向块上设置有凹槽，探测丝卡在凹槽中，保证丝与丝之间存在一定的距离，探测丝可以在狭小的空间中紧密排布，改变凹槽之间的间距可以控制测量分辨率。从而实现了更高的测量分辨率，当束流包络较小时，能够实现探测丝的准确定位。

3、本发明涉及丝阵结构是横竖两层探测丝形成的丝阵，每层探测丝中的每个探测丝之间互相平行，横竖两层探测丝之间互相垂直而不相交，能够一次性测量得到两个X、Y方向上束流截面的分布情况，特别适用于低能质子束流截面的非拦截式测量。

4、丝阵结构中，每根探测丝两端的绷紧弹簧由探测丝在细杆上手工绕制而成，探测丝本身作为弹簧结构，减少了一道焊接工艺，连接的可靠性得到了大幅度提升，另外，弹簧与丝材料的直径完全相同，在传导电流信号时不会因阻抗不匹配而产生电流反射。

5、绝缘调节块上的螺纹孔和绝缘绷紧模块上的安装孔，均高低错落排布，保证螺纹孔与螺纹孔、安装孔与安装孔之间有足够的距离，避免绷紧弹簧安装时互相干涉；同时绝缘绷紧块上的安装孔与绝缘导向块上的凹槽有一定的高度差，利用这一高度差可使探测丝在绷紧状态时不会滑出绝缘导向块上的凹槽，同时，保证每根探测丝都有足够的绷紧及调节空间，进而实现丝阵测量的高分辨率。

6、本发明采用的探测丝材料强度高、耐高温，可用于测量高功率束流。

7、本发明结构简单可靠，测量速度快，信号处理方便。

附图说明

图1为丝阵结构示意图；

图2为绷紧弹簧和调节螺钉在绝缘调节块上连接示意图；

附图标记说明：1-探测丝、2-绝缘导向块、3-第一绝缘绷紧块、4-第二绝缘绷紧块、5-第一绝缘调节块、6-第二绝缘调节块、7-第一绷紧弹簧、8-第二绷紧弹簧；9-调节螺钉。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明涉及的丝阵结构包括探测丝1、第一绷紧弹簧7、第一绝缘调节块5和第二绝缘调节块6，所述的探测丝1的一端通过第一绷紧弹簧7，与第一绝缘调节块5连接，探测丝1的另一端与第二绝缘调节块6连接。

为了达到更好的绷紧效果，从图1可以看出，探测丝1与第二绝缘调节块6连接的一端还设置有第二绷紧弹簧8，探测丝1通过第二绷紧弹簧8与第二绝缘调节块6连接；第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8均由探测丝1在细杆上手工绕制而成，用探测丝1本身作为绷紧弹簧结构，即解决了小尺寸弹簧在市面上无现成产品的问题，又在探测丝与弹簧直接连接处，减少了一道焊接工艺，机械连接和电气连接的可靠性都得到了大幅度提升。同时由于绷紧弹簧与探测丝1的材料和直径完全相同，在传导电流信号时，不会因阻抗不匹配而产生电流反射。

此外，第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8的一端分别焊接有调节螺钉9，第一绝缘调节块5和第二绝缘调节块6上设置与调节螺钉9相适配螺纹孔，通过调节螺钉9连接在第一绝缘调节块5和第二绝缘调节块6上，为了使调节螺钉9在螺纹孔中安装和调节方便，螺纹孔高低错落排布。在钳装时，利用第一绷紧弹簧7、第二绷紧弹簧8和调节螺钉9拉直探测丝1，并保证探测丝上存在一定的预应力；在真空状态下，这个预应力将保证探测丝1能够自动适应第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8之间距离的变化，使其始终保持绷紧拉直状态，不会因探测丝1形变对测量结果产生不良影响。

丝阵结构还设置了绝缘导向块2，绝缘导向块2前后两对称面均匀刻有凹槽，每根探测丝卡在一个凹槽中，紧密排布；凹槽保证了探测丝与探测丝之间的距离关系。通过改变凹槽之间的间距可以控制束流截面测量的分辨率，当束流包络较小时能够实现探测丝的准确定位；同时，探测丝1的两端，与第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8连接处，还分别设置有第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4，探测丝1两端分别穿过第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4上设置的安装孔，与第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8连接。第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4上设置的安装孔与第一绝缘调节块5和第二绝缘调节块6上的螺纹孔排布一致，均高低错落排布，并与绝缘导向块2前后对称面上的凹槽有一定的高度差，通过绝缘导向块2上刻凹槽及第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4上设置的安装孔与绝缘导向块2之间的高度差，保证了每根探测丝1有足够的安装空间，使得探测丝1可以在狭小的空间中紧密排布，不会滑出绝缘导向块2上的凹槽，保证了安装孔与安装孔之间有足够的距离，避免第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8安装时互相干涉。从而实现了更高的测量分辨率。

为了能够一次性测量得到X、Y两个方向上束流截面的分布情况，本发明丝阵结构设置为横竖两层探测丝1，每层探测丝1穿过绝缘导向块2的两个对称面，分别卡在绝缘导向块2两个对称面的凹槽中，每层探测丝1之间互相平行，两层探测丝1之间互相垂直而不相交，每层探测丝1的一端焊接在一起，接入高压，用于增加二次电子产额，提高二次电子电流强度，从而提高信噪比，另外一端则通过多芯真空接头引出作为信号极，探测丝网与束流方向垂直。本发明装置，特别适用于低能质子束流截面的非拦截式测量。

实施例

本实施例中，高分辨丝阵型束流截面测量装置所采用的丝阵结构，包括横竖两层探测丝，每根探测丝1为直径50μm的镀金钨丝，水平和垂直方向各有25根镀金钨丝构成，在绝缘导向块2前后两个对称面上刻有凹槽，使中心13根丝间距为0.75mm，两边缘各六根探测丝1间距1.5mm。每根镀金钨丝两端分别穿过第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4上设置的安装孔，第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4上设置的安装孔高低错落排布，保证了安装孔与安装孔之间有足够的距离，并与绝缘导向块2上的凹槽有一定的高度差，镀金钨丝穿过第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4后，在一根直径2mm的细杆上手工绕制成第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8，使其上带有一定的回复力，第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8的另一端分别焊接有调节螺钉9，调节螺钉9为M2螺钉，探测丝1的两端分别通过调节螺钉9安装在第一绝缘调节块5和第二绝缘调节块6上，每个调节螺钉9穿过螺纹孔后，焊接在直径为50μm的镀金钨丝一端，镀金钨丝的另一端用于连接外部线路。丝阵结构中，绝缘导向块、绝缘绷紧块、绝缘调节块均由陶瓷材料制成。

在钳装过程中，利用第一绷紧弹簧7、第二绷紧弹簧8、调节螺钉9拉直探测丝1，探测丝1两端的调节螺钉9旋入第一绝缘调节块5和第二绝缘调节块6的螺纹孔中，使第一绷紧弹簧7和第二绷紧弹簧8均处于拉伸状态，保证探测丝1上存在一定的预应力。预应力的大小需要通过反复试验确定，即要保证丝不被拉断，又要保证在真空状态下，丝始终保持绷紧拉直状态。获得一定经验后，通过调节螺钉旋入螺纹的深度即可保证每根丝上带有基本相同的预应力。这个预应力将保证探测丝能够自动适应抽真空时第一绝缘绷紧块3和第二绝缘绷紧块4之间距离的变化及受束流轰击发热时丝的长度变化，始终保持绷紧拉直状态，解决了探测丝在真空中变形的问题。

丝阵结构每层探测丝1外侧两端，其中一端焊接在一起，接1000V高压，用于增加二次电子产额，提高二次电子电流强度，从而提高信噪比，另外一端则通过多芯真空接头引出作为信号极，本实施例中，束流截面测量装置总测量面积为27mm×27mm，丝阵结构中心处的最大的分辨率达到了0.75mm。在工作状态下，将丝阵中心对准束流中心，丝阵结构平面面垂直于束流中心。当束流轰击至探测丝时，由于二次电子发射效应，丝上会产生二次电子电流信号，其强度正比于入射粒子密度。在信号引出极接多通道微弱电流读出电路，即可得到XY两个方向上的一维束流截面分布。

本发明采用弹簧预紧式结构，能够使探测丝实现自适应式绷紧，保证了探测丝在真空中及受热状态下始终保持绷直状态，不会因形变对测量结果产生不良影响；能够实现在线实时给出束流截面的测量结果，可用于瞬时束流密度分布变化情况监测。主要针对低能质子束流的截面密度分布进行在线测量，结构简单可靠，测量速度快，可实时给出X、Y两个方向上的截面密度测量结果，测量分辨率高，对束流影响小，信号处理方便。