一种堆栈式MV级电压峰值测量真空探头及其安装方法与流程

一种堆栈式mv级电压峰值测量真空探头及其安装方法
技术领域
1.本发明属于高功率强流脉冲电子束与物质相互作用领域，具体涉及一种堆栈式mv级电压峰值测量真空探头及其安装方法，主要应用于产生高功率强流电子束的脉冲功率装置上，能够进行mv级高电压测量。


背景技术：

2.脉冲功率装置能够产生高功率强流脉冲电子束，该高功率强流脉冲电子束与高原子序数物质相互作用是实验室产生强脉冲辐射环境的重要技术手段。特别的，对于产生强脉冲伽马射线环境的脉冲功率装置，为了提高装置输出的辐射场强度，电压脉冲峰值通常为数mv到数十mv。电压是衡量脉冲装置输出指标的重要电学参数，而mv级电压的测量是该领域亟需突破的重点和难点。当前常用的脉冲电压测量方法包括电阻分压器、电容分压器、阻容分压器等，上述测量方法在数mv电压测量时，由于其绝缘耐压、空间电荷效应的影响难以克服，因此不适用数mv电压的测量。基于离子径迹法反推电压峰值的测量方法，在上述应用环境中具有特殊优势和应用价值。
3.中国专利cn110988975a给出了一种基于离子径迹法的电压峰值测量探头的制作方法，但该型探头存在以下两点明显不足：
①
脉冲功率装置电压范围通常不是恒定的，而该探头一次只能安装一种厚度的铝膜过滤器，因此单次实验需要在同一探测点增加大量探头，才能最终确定实际的电压峰值。该种结构一方面增大了实验成本；另一方面为在同一探测点布放更多探头，装置腔体大量开孔，影响脉冲功率装置的正常运行；
②
mv级电压测量，测量环境通常为真空，该探头未考虑真空密封问题，即使是在脉冲功率装置上进行相关真空密封设计，仍会带来加工工艺和成本问题。


技术实现要素：

4.为解决现有电压峰值测量探头存在成本高、加工工艺较为复杂以及可能影响脉冲功率装置正常运行的问题，本发明提供一种堆栈式mv级电压峰值测量真空探头及其安装方法，该测量探头采用的堆栈式以及真空设计，将更高效、更经济以及更好的真空兼容性。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种堆栈式mv级电压峰值测量真空探头，包括金属载台、紧固套筒、n个金属载片、n个探测元件和n个铝膜过滤器，n≥2，所述探测元件为探测阈能宽的固体核径迹探测元件；所述金属载片的端面设置有n个方形凹槽，同时，所述金属载片的侧壁上设置有n个与方形凹槽位置相对应的定位缺口，所述定位缺口中心与方形凹槽中心的连线通过金属载片的中心；n个铝膜过滤器与n个金属载片依次交替设置形成堆栈式结构，n个探测元件一一对应设置在n个金属载片的一个方形凹槽内，即单个金属载片只安装有一个探测元件，且n个探测元件沿金属载片的中心轴线周向错开布置；所述金属载台的上端面设置环形密封槽，所述环形密封槽的内侧设置有圆形凹槽；所述堆栈式结构设置在金属载台的圆形凹槽内，所述紧固套筒套装在堆栈式结构外侧，且其底端与金属载台固定连接，所述紧固套筒的顶端内
壁上设置有环形凸起，用于对堆栈式结构进行轴向限位；所述紧固套筒的侧壁上设置沿周向均布有多个方形孔，用于实现金属载片周向角度的调整；所述金属载台的环形密封槽内设置有密封圈，用于实现金属载台和和外部设备接触面的密封。
7.进一步地，所述定位缺口为半圆形缺口。
8.进一步地，所述紧固套筒的底端设置有法兰，所述紧固套筒通过法兰与圆形凹槽连接。
9.进一步地，所述金属载台上还设置有沉孔，用于与外部设备连接。
10.同时，本发明还提供一种上述堆栈式mv级电压峰值测量真空探头的安装方法，包括以下步骤：
11.步骤一、将金属载台水平放置；
12.步骤二、将密封圈安装金属载台的环形密封槽内；
13.步骤三、取出n个探测元件，分别安装到n个金属载片的方形凹槽中，每个金属载片只安装一个探测元件，探测元件选取探测阈能宽的固体核径迹探测元件；
14.步骤四、将金属载片以及铝膜过滤器以一层金属载片、一层铝膜过滤器的顺序依次堆叠到金属载台的圆形凹槽中，形成堆栈式结构；通过拨动金属载片上定位缺口调整金属载片，使得n个探测元件沿金属载片的中心轴线周向错开布置；
15.步骤四、将紧固套筒套入堆栈式结构，通过紧固套筒侧边的方形孔再次观察，并调整堆栈式结构中金属载片中探测元件的相对角度，角度确定后，将紧固套筒与金属载台连接固定；
16.步骤五、将金属载台根据实验需要安装到脉冲功率装置上。
17.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
18.1.本发明探头采用堆栈式结构，使得实验效率更高、成本更低，对脉冲功率装置的结构破坏更小。
19.2.本发明探头具有很宽的电压峰值测量范围，能够实现数mv以上的电压峰值测量。
20.3.本发明探头与其他电压测量方法相比，对射线、电子的干扰不敏感。
21.4.本发明探头具有挑选待测离子种类、防止探测元件饱和和屏蔽污染物的作用。
22.5.本发明探头真空密封设计，使该型探头真空兼容性以及维护性更好。
附图说明
23.图1为本发明堆栈式mv级电压峰值测量真空探头的结构示意图；
24.图2为本发明金属载片的结构示意图；
25.图3为本发明紧固套筒结构示意图；
26.图4为本发明金属载台结构示意图；
27.图5为本发明“金属载片-铝膜过滤器”堆栈式结构示意图。
28.附图标记：1-金属载台，2-紧固套筒，3-金属载片，4-探测元件，5-铝膜过滤器，11-环形密封槽，12-圆形凹槽，13-螺纹孔，14-沉孔，21-方形孔，22-环形凸起，23-法兰，31-方形凹槽，32-定位缺口。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
30.本发明提出一种基于离子径迹法的mv电压峰值测量探头的结构和安装方法，该探头采用的堆栈式以及真空设计，具有高效、经济以及更好的真空兼容性等优点。
31.如图1和图2所示，本发明堆栈式mv级电压峰值测量真空探头包括金属载台1、紧固套筒2、n个金属载片3、n个探测元件4和n个铝膜过滤器5，n≥2；金属载片3的端面上设置有n个方形凹槽31，同时，金属载片3的侧壁上设置有n个与方形凹槽31位置相对应的定位缺口32，定位缺口32中心与方形凹槽31中心的连线通过金属载片3的中心；n个铝膜过滤器5与n个金属载片3依次交替设置形成堆栈式结构，n个探测元件4一一对应设置在n个金属载片3的方形凹槽31内，即单个金属载片3只安装有一个探测元件4，且n个探测元件4沿金属载片3的中心轴线周向错开布置；金属载台1的上端面设置环形密封槽11，环形密封槽11的内侧设置有圆形凹槽12；堆栈式结构设置在金属载台1的圆形凹槽12内，紧固套筒2套装在堆栈式结构外侧，且其底端与金属载台1固定连接，紧固套筒2的顶端内壁上设置有环形凸起22，用于对堆栈式结构进行轴向限位；紧固套筒2的侧壁上设置沿周向均布有多个方形孔21，用于实现金属载片3周向角度的调整，金属载台1的密封槽内设置有密封圈，用于实现金属载台1和外部设备接触面的密封。以下对本发明各部件的结构进行详细说明。
32.本发明探测元件4采用探测阈能宽的固体核径迹探测材料制作，作用是提高电压峰值探测范围。如图2所示，本发明金属载片3上制作刻有三个方形凹槽31，三个方形凹槽31以120
°
为夹角均布，方形凹槽31对应位置的金属载片3侧边以120
°
夹角加工三个半圆形缺口。同样的金属载片3共加工三个。为使得探测元件4安装至方形凹槽31内，需设置探测元件4的尺寸比标准元件尺寸较小。
33.如图3所示，本发明紧固套筒2是带有沉孔14的法兰结构，法兰23与圆形凹槽12内设置有螺纹孔13配合，实现二者的连接；紧固套筒2圆柱形侧边以120
°
夹角加工方形孔21。
34.如图4所示，本发明金属载台1是带有沉孔14的法兰结构；金属载台1中间开圆形凹槽12，并以60
°
夹角加工螺纹孔13；参考o型橡胶密封圈设计标准，在金属载台1的圆形凹槽12外侧加工密封槽。密封槽中设置有标准o型橡胶密封圈。
35.如图5所示，本发明挑选高纯度铝膜过滤器5，铝膜纯度99％，铝膜过滤器5与金属载片3依次交替设置形成堆栈式结构，同时，铝膜过滤器5直径略小于紧固套筒2内径，使得堆栈式结构能够放置在紧固套筒2中。
36.本发明中“铝膜过滤器5 金属载片3”的堆栈式结构，第一层铝膜过滤器5将氢离子挑出作为的待测粒子，同时起到防止探测元件4饱和以及屏蔽污染物的作用。后两层铝膜与第一层铝膜的组合共构成三个铝膜厚度梯度，因此单只探头即可实现对氢离子能量的三次筛选，极大减少了测量探头的数量。同时在测量探头个数确定的情况下，能够提高电压峰值测量的精度。固体核径迹探测元件4前增加铝膜过滤器5，使其工作于高注量、高污染、复杂离子源环境。本发明铝膜过滤器5在测量2mv-10mv的电压峰值时，单层铝膜过滤器5的厚度选择范围为30μm-500μm。
37.本发明堆栈式mv级电压峰值测量真空探头的安装方法如下：
38.步骤一、将金属载台1水平放置；
39.步骤二、将标准o型橡胶密封圈安装金属载台1的环形密封槽11内；
40.步骤三、取出三个探测元件4，分别安装到三个金属载片3的方形凹槽31中，每个金属载片3只安装一个探测元件4，探测元件4选取探测阈能宽的固体核径迹探测元件4，可测量数mev以上离子能量；
41.步骤四、将金属载片3以及铝膜过滤器5以一层金属载片3、一层铝膜过滤器5的顺序依次堆叠到金属载台1的圆形凹槽12中；通过拨动金属载片3上半圆形缺口调整金属载片3，使得探测元件4以120
°
夹角形成错位；
42.步骤四、将紧固套筒2，套入“铝膜过滤器5 金属载片3”的堆栈式结构，通过紧固套筒2侧边的方形孔21再一次观察并调整堆栈中金属载片3中探测元件4的相对角度，角度确定后，将紧固套筒2法兰23与金属载台1连接固定；
43.步骤五、将金属载台1，根据实验需要通过法兰安装到脉冲功率装置的相应位置。
44.本发明中的电压峰值测量探头的主要原理是：经过高压电脉冲加速后的带电离子，其峰值能量与电脉冲峰值具有对应关系。加速后的带电离子轰击到测量探头，带电粒子穿透铝膜过滤器5的厚度与带电粒子能量有关，通过设置铝膜厚度梯度，使得带电粒子最终被完全阻挡在探测元件4外。当铝膜厚度未能完全阻挡带电粒子时，带电粒子会辐照到探测元件4上，并沿其射程轨迹周围造成辐射损伤。受损严重的狭窄区域(称为潜径迹)经一定条件的化学蚀刻处理，会因受损伤区域比未受损伤区域容易被腐蚀而使潜径迹放大，达到普通光学显微镜可观测的微米级程度。这是判断带电粒子是否穿透铝膜的依据。实验前需要对带电粒子穿透铝膜的能力进行标定，利用已知能量的单能离子源辐照前挡不同厚度铝膜的探测元件4，建立离子能量与铝膜穿透厚度的对照表。电压峰值实测时，经过脉冲电场加速的离子辐照探后，利用显微测量设备对前挡不同厚度铝膜的探测元件4上的径迹(化学蚀刻后)进行判读，记录探测元件4未出现径迹时最薄的铝膜厚度，比对前述已建立离子能量与铝膜穿透厚度的对照表，既可得到离子的峰值能量，进而得到高压电脉冲的峰值。