納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置制造方法
【專利摘要】一種納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其納秒脈沖電源（1）的輸入端與市電相連，納秒脈沖電源（1）的輸出端與放電腔（2）的高壓電極（6）相連。所述的高壓電極（6）與納秒脈沖電源（1）的輸出端相連；放電腔（2）的地電極（7）位于外延法蘭接口（5）和逃逸電子束流收集器的外殼（10）之間。逃逸電子束流收集器（3）同軸布置在地電極（7）的后方。逃逸電子束流收集器的外殼（10）與放電腔（2）的外延法蘭接口（5）相連，外延法蘭接口（5）與逃逸電子束流收集器的外殼（10）之間放置有密封圈A（18）；逃逸電子束流收集器的外殼（10）接地，逃逸電子束流收集器（3）的信號輸出端通過信號電纜與示波器（4）相連。
【專利說明】納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納秒脈沖氣體放電產(chǎn)生的逃逸電子束流的測量設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]納秒脈沖氣體放電是民用脈沖功率技術(shù)中最受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。納秒脈沖具有超短的上升沿，能夠有效抑制火花通道的形成，有利于在大氣壓空氣中產(chǎn)生均勻的放電，在廢固、廢液、廢氣處理、輻射改性、納米制造、中等平均功率激光、生物醫(yī)學(xué)中消毒殺菌和疾病治療等國民經(jīng)濟(jì)和國防科技領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。但是窄脈沖條件下的放電物理過程十分復(fù)雜，納秒脈沖氣體放電過程與施加脈沖的參數(shù)(幅值、上升沿、重復(fù)頻率和脈寬等)密切相關(guān)，放電機(jī)理尚未明了。近年來，高能逃逸電子與X射線共同主導(dǎo)放電發(fā)展的理論成為了當(dāng)前解釋納秒脈沖條件下放電現(xiàn)象的主要依據(jù)。但人們對放電過程中二次電子崩的產(chǎn)生和流注發(fā)展的過程尚未達(dá)成共識。因此測量納秒脈沖氣體放電產(chǎn)生的非平衡態(tài)等離子體中的高能電子形成的逃逸電子束流成為探索納秒脈沖放電機(jī)理的重要內(nèi)容。
[0003]逃逸電子束流測量的傳統(tǒng)方法是通過測量逃逸電子傳播過程中產(chǎn)生的X射線來間接反映逃逸電子束流的特征。近年來，隨著納秒脈沖電源和高速示波器測量技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)允許直接收集高能電子束流，并轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行測量。關(guān)于帶電粒子束流的直接測量有多種方式:專利CN201010194033.6介紹了質(zhì)譜儀中使用的一種離子檢測裝置，電磁屏蔽效果較好，可以檢測微弱的離子束流；專利CN200580011820.X介紹了一種電子束記錄裝置，可以較為精確地測定電子束的射束位置及其變化；專利CN200410056333.2介紹了一種帶電粒子束的曝光裝置，將電子束流倍增后測定其電流，對希望的圖形進(jìn)行曝光；專利CN200520011269.6介紹了一種應(yīng)用于半導(dǎo)體器件制造的測束法拉第裝置，用來檢測離子注入機(jī)中離子源束流的指標(biāo)。目前關(guān)于帶電粒子束的測量，大多只適用于某些特定場合下的特殊用途；對于所述的納秒脈沖氣體放電環(huán)境，則需要專門的設(shè)計(jì)和測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流的測量裝置。本發(fā)明適用于不同氣壓和不同氣氛種類下的納秒脈沖放電實(shí)驗(yàn)，獲得逃逸電子束流的時(shí)間響應(yīng)波形，以此分析逃逸電子束流的特性。
[0005]納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置基于以下原理:納秒脈沖激勵(lì)下間隙擊穿的過程中，會(huì)產(chǎn)生由高壓電極向地電極方向的逃逸電子束流。由于逃逸電子的能量很大，若地電極是較薄的鋁箔或類似結(jié)構(gòu)，則一部分逃逸電子可以穿過地電極，到達(dá)布置在地電極后方的逃逸電子束流收集器。逃逸電子束流打到電荷吸收體后，電子能量逐漸消耗在電荷吸收體中，形成電荷積累，并在電荷吸收體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓信號的幅值與逃逸電子束流的強(qiáng)度成正比。將感應(yīng)電壓信號由信號電纜送入示波器，達(dá)到測量納秒脈沖逃逸電子束流的目的。
[0006]本發(fā)明測量裝置包括納秒脈沖電源、放電腔、逃逸電子束流收集器和示波器。納秒脈沖電源的輸入端與市電相連，納秒脈沖電源的輸出端與放電腔的高壓電極相連，納秒脈沖電源的機(jī)箱接地。逃逸電子束流收集器同軸布置在放電腔的地電極遠(yuǎn)離放電腔的一側(cè)。逃逸電子束流收集器的輸出信號與示波器相連。
[0007]放電腔為同軸結(jié)構(gòu)，包括高壓電極、地電極和外延法蘭接口 ；所述的高壓電極與納秒脈沖電源的輸出端相連。所述的地電極位于外延法蘭接口的末端，夾在外延法蘭接口和逃逸電子束流收集器的外殼之間，地電極接地。逃逸電子束流收集器的外殼與放電腔的外延法蘭接口相連，外延法蘭接口與逃逸電子束流收集器外殼之間放置有密封圈A ;逃逸電子束流收集器的外殼接地。
[0008]逃逸電子束流收集器包括電荷吸收體、信號引出線、絕緣套管、同軸電纜接口接頭、同軸電纜接口引出線和換氣嘴。逃逸電子束流收集器的外殼通過螺栓和螺母與放電腔的外延法蘭接口相連。電荷吸收體的一端與信號引出線的一端相連，絕緣套管緊密包裹住信號引出線，并將信號引出線固定在收集器外殼內(nèi)側(cè)凹槽中，信號引出線的另一端與同軸電纜接口引出線相連，同軸電纜接口接頭通過螺栓固定在逃逸電子束流收集器外殼的尾端。換氣嘴固定在逃逸電子束流收集器的外殼上，用于連接氣路，以便進(jìn)行真空和不同種類氣體的測量。
[0009]本發(fā)明裝置的工作過程如下:納秒脈沖電源產(chǎn)生脈沖高壓,脈沖高壓施加在放電腔的高壓電極。放電腔的高壓與地電極之間的氣體間隙在脈沖高壓激勵(lì)下發(fā)生放電，放電中會(huì)產(chǎn)生高能逃逸電子束流，逃逸電子束流在電場作用下向地電極運(yùn)動(dòng)，并穿過地電極和金屬絲網(wǎng)后到達(dá)電荷吸收體，產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓信號通過信號引出線和同軸電纜接口引出線由同軸電纜接口接頭輸出，同軸電纜接口輸出信號通過信號電纜導(dǎo)入示波器，在示波器上顯示出納秒脈沖逃逸電子束流信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1納秒脈沖放電下逃逸電子束流測量的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中:1納秒脈沖電源，2放電腔，3逃逸電子束流收集器，4示波器；
[0011]圖2圓錐形逃逸電子束流收集器結(jié)構(gòu)圖，圖中:5外延法蘭接口(局部)，6高壓電極(局部)，7地電極，8金屬絲網(wǎng)，9電荷吸收體，10逃逸電子束流收集器的外殼，11信號引出線，12絕緣套管，13同軸電纜接口接頭，14同軸電纜接口引出線，15換氣嘴，16螺栓及螺母A, 17螺栓B，18密封圈A，19密封圈B。
[0012]圖3圓柱形逃逸電子束流收集器結(jié)構(gòu)圖，圖中:9’電荷吸收體，10’逃逸電子束流收集器外殼，15’換氣嘴。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明的測量裝置包括納秒脈沖電源I，放電腔2，逃逸電子束流收集器3和示波器4。所述的納秒脈沖電源I的輸入端與市電相連，納秒脈沖電源的輸出端與放電腔2的高壓電極相連，納秒脈沖電源I的機(jī)箱接地。放電腔2為同軸結(jié)構(gòu)，包括高壓電極
6、地電極7和外延法蘭接口 5。其中高壓電極6與納秒脈沖電源I的輸出端相連，地電極7位于外延法蘭接口 5的末端，夾在外延法蘭接口 5和逃逸電子束流收集器3的外殼之間，地電極7接地。逃逸電子束流收集器3同軸布置在地電極7的遠(yuǎn)離放電腔的一側(cè)，逃逸電子束流收集器的外殼10與放電腔2的外延法蘭接口 5相連。逃逸電子束流收集器的外殼10接地，逃逸電子束流收集器3的信號輸出端通過信號電纜與示波器4相連。
[0015]放電腔2的高壓電極6、地電極7、金屬絲網(wǎng)8和外延法蘭接口 5也在圖2中給出。圖2所示的外延法蘭接口 5和高壓極6僅為局部。放電腔2的高壓電極6為管狀電極或尖電極，高壓電極6的材料可以為不銹鋼、鋁、銅、鈦等金屬。放電腔2的外延法蘭接口 5通過螺栓及螺母16與逃逸電子束流收集器的外殼10相連，外延法蘭接口 5與逃逸電子束流收集器的外殼10之間放置有密封圈A18密封。地電極7面向逃逸電子束流收集器3的一面覆蓋有金屬絲網(wǎng)8，地電極7與金屬絲網(wǎng)8緊密貼合。地電極7為金屬箔，其制作材料可以為不銹鋼、鋁、銅、鈦等金屬，厚度一般小于ΙΟΟμπι。地電極7既為放電電極之一，又可以吸收一部分逃逸電子的能量。金屬絲網(wǎng)8的制作材料可以為不銹鋼、鋁、銅、鈦等金屬。金屬絲網(wǎng)8起到支撐作用，增加地電極7的強(qiáng)度，同時(shí)可以屏蔽激波干擾和收集更多的逃逸電子。
[0016]所述逃逸電子束流收集器3的結(jié)構(gòu)如圖2所示。逃逸電子束流收集器3包括電荷吸收體9，信號引出線11，絕緣套管12，同軸電纜接口接頭13，同軸電纜接口引線14，以及換氣嘴15。
[0017]電荷吸收體9位于逃逸電子束流收集器3內(nèi)部，與逃逸電子束流收集器外殼10同軸布置，位于金屬絲網(wǎng)8的面向逃逸電子束流收集器3的一側(cè)，與金屬絲網(wǎng)8無連接。電荷吸收體9和金屬絲網(wǎng)8之間的距離為5?7mm。電荷吸收體9與逃逸電子束流收集器的外殼10無連接，兩者之間的距離最近距離為3mm。電荷吸收體9的材料可以為不銹鋼、鋁、銅、
鈦等金屬或石墨。
[0018]電荷吸收體9與信號引出線11的一端相連,信號引出線11的另一端與同軸電纜接口引出線14相連。為了避免信號引出線11與逃逸電子束流收集器的外殼10的內(nèi)側(cè)存在電氣連接，信號引出線11與逃逸電子束流收集器的外殼10之間無連接，信號引出線11用絕緣套管12包裹。絕緣套管12的材料可以為聚四氟乙烯、環(huán)氧和聚酰亞胺等。絕緣套管12與逃逸電子束流收集器的外殼10內(nèi)側(cè)相連，除了絕緣功能外還起到支撐電荷吸收體9和信號引出線11的作用。測量信號通過同軸電纜接口引出線14引出，通過同軸電纜接入示波器4。同軸電纜接口接頭13與逃逸電子束流收集器的外殼10通過螺栓B17固定在一起，同軸電纜接口接頭13與逃逸電子束流收集器的外殼10之間放置有密封圈B19以密封。換氣嘴15位于收集器的外殼10上靠近同軸電纜接口 13的位置，與逃逸電子束流收集器的外殼10的水平方向垂直。
[0019]電荷吸收體9采用同軸錐形結(jié)構(gòu)，此時(shí)逃逸電子束流收集器的外殼10也為同軸錐形結(jié)構(gòu)，與電荷吸收體9同軸。
[0020]電荷吸收體9的結(jié)構(gòu)也可以為同軸圓柱形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。電荷吸收體9’為同軸圓柱結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的，逃逸電子束流收集器的外殼10’也為同軸圓柱結(jié)構(gòu)，換氣嘴15’位于逃逸電子束流收集器的外殼10’上靠近同軸電纜接口 13的位置。逃逸電子束流收集器3的其他組成部分及連接方式均與圖2所示相同。
[0021]本發(fā)明測量裝置的工作過程如下:進(jìn)行測量時(shí)，納秒脈沖電源I輸出高壓脈沖信號至放電腔2的高壓電極6，在高壓電極6和地電極7之間的氣隙中形成放電，并在高壓電極6處產(chǎn)生逃逸電子，在電場作用下逃逸電子向地電極7運(yùn)動(dòng)。部分逃逸電子會(huì)穿透地電極7和金屬絲網(wǎng)8，打到金屬絲網(wǎng)8后方的電荷吸收體9上，電子能量逐漸消耗在電荷吸收體9中，并在電荷吸收體9中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓信號通過信號引出線11進(jìn)入同軸電纜接口引出線14，信號由同軸電纜接口接頭13通過信號電纜導(dǎo)入示波器4，并在示波器4上顯示出測量的納秒脈沖逃逸電子束流信號。如需進(jìn)行不同氣氛環(huán)境和不同氣壓條件下的測量，只需將換氣嘴15與外部氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)相連，并保證密封良好即可。
[0022]本發(fā)明提供的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流的測量裝置，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展納秒脈沖氣體放電的逃逸電子特性研究，直接獲得逃逸電子束流時(shí)域波形。該發(fā)明可廣泛應(yīng)用于納秒脈沖放電的理論分析和應(yīng)用研究。
【權(quán)利要求】
1.一種納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的測量裝置包括納秒脈沖電源(I)、放電腔(2)、逃逸電子束流收集器(3)和示波器(4);其中納秒脈沖電源(I)的輸入端與市電相連，納秒脈沖電源(I)的輸出端與放電腔(2)的高壓電極相連，納秒脈沖電源(I)的機(jī)箱接地；放電腔(2 )為同軸結(jié)構(gòu)，包括高壓電極(6 )、地電極(7 )和外延法蘭接口(5);所述的地電極(7)位于外延法蘭接口(5)的末端，夾在外延法蘭接口(5)和逃逸電子束流收集器的外殼(10)之間，地電極(7)接地；逃逸電子束流收集器(3)同軸布置在地電極(7)的遠(yuǎn)離放電腔的一側(cè)，逃逸電子束流收集器的外殼(10)與放電腔(2)的外延法蘭接口(5)相連，外延法蘭接口(5)與逃逸電子束流收集器的外殼(10)之間放置有密封圈A (18);逃逸電子束流收集器的外殼(10)接地，逃逸電子束流收集器(3)的信號輸出端通過信號電纜與示波器(4)相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的高壓電極(6)為管狀電極或尖電極；高壓電極(6)的制作材料為金屬；所述的地電極(7)為金屬箔，其制作材料為不銹鋼或鋁或銅或鈦；地電極(7)的厚度小于ΙΟΟμπι。
3.按照權(quán)利要求1所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的地電極(7 )面向逃逸電子束流收集器(3 )的一面覆蓋有金屬絲網(wǎng)(8 )。
4.按照權(quán)利要求3所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的金屬絲網(wǎng)(8)的制作材料為不銹鋼或鋁或銅或鈦。
5.按照權(quán)利要求1所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的逃逸電子束流收集器(3)包括電荷吸收體(9)、信號引出線(11)、絕緣套管(12)、同軸電纜接口接頭(13 )、同軸電纜接口引線(14)，以及換氣嘴(15 );電荷吸收體(9 )布置于逃逸電子束流收集器(3)內(nèi)，與逃逸電子束流收集器的外殼(10)同軸布置，位于金屬絲網(wǎng)(8)面向逃逸電子束流收集器(3)的一側(cè)，與金屬絲網(wǎng)(8)無連接；電荷吸收體(9)與信號引出線(11)的一端相連，信號引出線(11)的另一端與同軸電纜接口引出線(14)相連；信號引出線(11)外包裹絕緣套管(12);絕緣套`管(12)與逃逸電子束流收集器的外殼(10)的內(nèi)側(cè)相連；同軸電纜接口引出線(14)引出測量信號，通過同軸電纜接入示波器(4);同軸電纜接口接頭(13)與逃逸電子束流收集器的外殼(10)固定在一起，同軸電纜接口接頭(13)與逃逸電子束流收集器的外殼(10)放置有密封圈B (19);換氣嘴(15)位于逃逸電子束流收集器的外殼(10)上。
6.按照權(quán)利要求5所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的電荷吸收體(9)的材料為不銹鋼、鋁、銅、鈦或石墨。
7.按照權(quán)利要求5所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的電荷吸收體(9)采用錐形結(jié)構(gòu)，此時(shí)逃逸電子束流收集器的外殼(10)也同為錐形結(jié)構(gòu)。
8.按照權(quán)利要求5所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的電荷吸收體(9)采用圓柱形結(jié)構(gòu)，此時(shí)逃逸電子束流收集器的外殼(10)也同為圓柱形結(jié)構(gòu)。
9.按照權(quán)利要求5所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的金屬絲網(wǎng)(8)與電荷吸收(9)之間的距離為5~7mm。
10.按照權(quán)利要I所述的納秒脈沖氣體放電下逃逸電子束流測量裝置，其特征在于，所述的測量裝置進(jìn)行測量時(shí)，納秒脈沖(I)高壓脈沖信號至放電腔(2)的高壓電極(6)，在高壓電極(6)和地電極(7)之間的氣隙中形成放電，并在高壓電極(6)處產(chǎn)生逃逸電子，逃逸電子在電場作用下向地電極(7)運(yùn)動(dòng)；部分逃逸電子穿透地電極(7)和金屬絲網(wǎng)(8)，打到金屬絲網(wǎng)(8)后方的電荷吸收體(9)上，電子能量逐漸消耗在電荷吸收體(9)中，并在電荷吸收體(9 )中產(chǎn)生感應(yīng)電壓；該感應(yīng)電壓信號通過信號弓丨出線(11)進(jìn)入同軸電纜接口引出線14，經(jīng)由同軸 電纜接口接頭(13)通過信號電纜導(dǎo)入示波器(4)，并在示波器(4)上顯示出測量的納秒脈沖逃逸電子束流信號。
【文檔編號】G01T1/29GK103760590SQ201410027333
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】章程, 邵濤, 馬浩, 楊文晉 申請人:中國科學(xué)院電工研究所