一种束流检测探测器

1.本发明涉及束流检测技术领域，特别是关于一种应用于加速器的束流检测探测器。


背景技术：

2.高能离子束是研究核物理、粒子物理、原子与分子物理、等离子体物理、材料科学、和生物科学的重要手段，也在电子学器件的单离子效应、肿瘤放射治疗等应用领域起着基础和关键作用。兰州重离子研究装置－冷却储存环(hirfl-csr)可以提供从质子到铀元素的各种离子束，能量可达几百mev/u，在各个领域创造了丰硕的成果。
3.随着加速器结构和性能升级，加速器运行对束流位置和剖面等参数的监测要求更高的实时性和精度，实时、精确地监测束流状态也为科研人员提高实验精度，更好地理解束流与物质相互作用机理，提供了必要数据。然而，本技术的发明人在研究中发现，传统的探测器的束流检测性能还有待提高。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种束流检测探测器，能够将时间投影室与半导体像素芯片相结合，用于粒子束流位置和剖面的实时精确监测。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.本技术提供一种束流检测探测器，包括：
7.探测器外壳；
8.设置在所述探测器外壳之内，并用于使所述束流检测探测器工作环境中的气体分子产生电荷的电场场笼；
9.以及设置在所述探测器外壳之内，用于收集所述电荷的电荷收集装置，且所述电荷收集装置中包括有用于测量所述电荷的电荷量数据并输出的半导体像素芯片。
10.在本技术的一种实现方式中，所述探测器外壳，包括用于接收待检测粒子束流的入射窗，以及与所述入射窗平行相对的出射窗。
11.在本技术的一种实现方式中，所述电场场笼，用于使所述待检测粒子束流与所述束流检测探测器工作环境中的气体分子碰撞产生电荷，并用于产生设定电场，以形成所述电荷定向漂移的漂移区。
12.在本技术的一种实现方式中，所述电荷收集装置，包括：
13.门电极，用于产生对所述电荷漂移速率进行控制的控制电场；
14.掩膜，具有与多个所述半导体芯片位置相对应的开孔；
15.芯片绑定板，其上设置有多个所述半导体芯片以形成芯片阵列。
16.在本技术的一种实现方式中，所述设定电场为匀强电场；所述控制电场的方向与所述设定电场相平行。
17.在本技术的一种实现方式中，所述门电极、所述掩膜和所述芯片绑定板的主平面
相平行，所述掩膜介于所述门电极和所述芯片绑定板之间。
18.在本技术的一种实现方式中，所述门电极包括金属丝栅格，以及所述金属丝栅格的支撑结构。
19.在本技术的一种实现方式中，所述金属丝栅格，包括至少两层平行金属丝；
20.每层所述平行金属丝中的金属丝径向方向与所述入射窗的平面相平行；
21.每层所述平行金属丝的主平面与所述入射窗的平面相垂直。
22.在本技术的一种实现方式中，所述至少两层平行金属丝的各层电势，用于根据所述束流检测探测器的探测器工作模式而施加。
23.在本技术的一种实现方式中，所述探测器工作模式，包括周期性采样模式、单次采样模式以及连续采样模式。
24.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明申请方案中，束流探测器包括探测器外壳、电场场笼和电荷收集装置，通过将待检测的束流接收到探测器外壳内的电场场笼，使束流与工作环境中的气体分子碰撞产生电荷，并使电荷在电场场笼中的漂移区进行漂移，通过电荷收集装置中的半导体像素芯片，精确采集不同位置的电荷量并输出，以供精确地监测束流位置和剖面的实时检测。
附图说明
25.图1是本技术实施例提供的一种束流检测探测器的整体结构示意图；
26.图2是本技术实施例中的电荷收集装置的爆炸图；
27.图3是本技术实施例中的门电极金属丝栅格的电势随时间变化示意图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.针对现有技术有提高粒子束流位置和剖面检测的实时性和精度需求，本技术技术方案相应提供一种束流检测探测器，包括：探测器外壳；设置在所述探测器外壳之内，并用于使所述束流检测探测器工作环境中的气体分子产生电荷的电场场笼；以及设置在所述探测器外壳之内，用于收集所述电荷的电荷收集装置，且所述电荷收集装置中包括有用于测量所述电荷的电荷量数据并输出的半导体像素芯片。本技术方案中，探测器外壳、电场场笼和电荷收集装置形成时间投影室(tpc，time projection chamber)架构，并且电荷收集装置中由于具有半导体像素芯片，可以精确地对不同位置的电荷量进行快速实时精确检测，从而可以输出数据，以供精确地进行束流和剖面的检测。
30.参见图1，在本技术的一个实施例中提供了一种束流检测探测器的结构示意图。
31.具体的，本技术实施例中，束流检测探测器，包括探测器外壳1、电场场笼2和电荷收集装置3。
32.其中，探测器外壳1，用于提供均匀可控的探测器工作环境，探测器工作环境，可以是常温常压或接近常温常压的气体环境，该气体环境例如为空气、ar-co2混合气体、ar-ch4
混合气体等，根据粒子实验或者束流检测需求来确定。为提供均匀可控的气体工作环境，探测器外壳可以具有金属材质的支撑结构，并具有必要的气体流入流出接口，满足探测器工作的气密性条件。
33.探测器外壳1上安装有平行的束流入射窗11和束流出射窗，待检测的粒子束流由探测器外部从入射窗11进入探测器，从出射窗再次进入探测器的外部。在本技术的实施例中，入射窗和出射窗是相对而言的，可以交换命名，即束流相对于探测器的方向可以相反。出射窗和入射窗采用双面镀金属膜的绝缘材料制成，在探测器的工作环境中，整个探测器外壳处于同一电位。
34.电场场笼2的作用，是使待检测的束流与探测器工作气体分子碰撞，产生电荷。电场场笼2还用于产生设定电场，以形成电荷定向漂移的漂移区。
35.例如，电场场笼2可以由顶部电极、与顶部电极平行且同轴的电极环、底部电极组成，通过合适的供电方式在场笼内部形成均匀电场。顶部电极可以为金属平面或金属网平面，覆盖平行于其自身的场笼截面的全部或大部分；电极环由金属丝或扁平的金属条带，或者两者的混合结构构成，进一步的，可以为电极环添加必要的绝缘支撑结构，并与顶部电极和底部电极进行合适的连接。
36.在探测器工作过程中，顶部电极、电极环、底部电极的电势设置方式可以有多种实现方式。例如，可以使每个电极环处于同一电势；或者使相邻电极通过电阻连接，电阻的阻值正比于相邻电极的间距；又或者，在探测器工作过程中，相邻电极之间的电势差正比于它们的间距。电场场笼的电极环亦可以用电阻膜等结构代替，进而，所有能够在场笼内部制造均匀电场的等效结构均在本发明的范畴。
37.请参阅图2，电荷收集装置3主要包括门电极31、掩膜32、和芯片绑定板33三部分，且三者主平面相互平行。门电极31，用于产生对电荷漂移速率进行控制的控制电场；掩膜32，具有与多个半导体芯片331位置相对应的开孔；芯片绑定板33，其上设置有多个半导体像素芯片331以形成芯片阵列。
38.对于半导体像素芯片，掩膜具有屏蔽门电极脉冲的作用，掩膜和门电极均具有屏蔽漂移区电场变化的作用，为了保证足够好的屏蔽效果，门电极两侧可设置更多地屏蔽栅格及其辅助结构。
39.在本技术的实施例中，漂移区的设定电场和门电极的控制电场，两个区域的电场方向是平行的，根据测量需求，两区域的电场强度可能是不同的。
40.门电极包括金属丝栅格，以及必要的支撑结构。金属丝栅格，至少是两层平行金属丝，每层所述平行金属丝中的金属丝径向方向与所述入射窗的平面相平行，每层所述平行金属丝的主平面与所述入射窗的平面相垂直。
41.如图3，是施加到两层金属丝栅格上的电势随时间变化示意图。
42.具体在探测器的工作过程中，两层栅格的电势随时间的变化均是周期性方形脉冲，两个方形脉冲的偏置均为v，振幅均为δv，极性相反。
43.或者，根据束流强度和时间结构等参数，以及测量目的的不同，也可以为门电极的两部分栅格提供偏置分别为v+δv和v－δv，振幅均为δv，极性相反的单个脉冲。
44.又或者，根据像素芯片的工作原理和模式，以及测量目的的不同，可令两部分栅格的电势均为v，像素芯片逐帧连续读出探测器中的电荷数据。
45.以上可见，探测器的工作模式包括周期性采样模式、单次采样模式以及连续采样模式。
46.门电极栅格可以用任何处于相同电势的栅格或网格代替，并且根据具体情况，这个门电极栅格或等效的栅格或网格可以不是必需的。
47.具体如图3，当两层的电势均为v时，门电极处于“开”状态(即漂移区的电荷可以进入电荷采集装置)，当两部分电势分别处于v+δv和v－δv时，门电极处于“关”状态，在探测器工作过程中，在上述脉冲的上升/下降时间，两部分栅格上的电流大小相同，方向相反。
48.根据探测器几何结构，门电极栅格的周围可设置必要的辅助电极，以使远离门电极栅格的电荷漂移区和电荷收集区的电场更均匀。
49.在本技术实施例中，掩膜32为开孔的金属板，这个金属板也可以用具有绝缘支撑的金属膜代替。开孔位置正下方是半导体像素芯片331的灵敏区域，根据具体情况，开孔尺寸与芯片灵敏区域相同或相近；掩膜开孔位置的金属板或金属膜一侧或两侧覆盖有金属丝栅格，金属丝与金属板之间距离约为零，电阻约为零。
50.在本技术实施例中，半导体像素芯片331可以直接收集空间中的电荷；半导体像素芯片331是电荷灵敏的，能够通过积分方式测量一段时间δt内收集的总电荷量；多个半导体像素芯片331在芯片绑定板3上规则均匀排列，以形成芯片阵列。芯片阵列的分布方式能够保证特定应用场景下对束流位置、方向、和剖面测量的需求；芯片绑定板，还包括必要的一块或者多块电路板，能保证芯片阵列正常工作。
51.进一步的，探测器外壳上还安装有必要的电子学接口，可以将芯片阵列采集的电荷量数据输出，以供外部的处理器装置(例如可以是高速fpga、soc等硬件组成的平台)进行运算，快速精确地对束流的位置和剖面进行检测。
52.综上，本发明申请方案中，束流探测器包括探测器外壳、电场场笼和电荷收集装置，通过将待检测的束流接收到探测器外壳内的电场场笼，使束流与工作环境中的气体分子碰撞产生电荷，并使电荷在电场场笼中的漂移区进行漂移，通过电荷收集装置中的半导体像素芯片，精确采集不同位置的电荷量并输出，以供精确地监测束流位置和剖面的实时检测。
53.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
54.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
55.以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

技术特征：
1.一种束流检测探测器，其特征在于，包括：探测器外壳；设置在所述探测器外壳之内，并用于使所述束流检测探测器工作环境中的气体分子产生电荷的电场场笼；以及设置在所述探测器外壳之内，用于收集所述电荷的电荷收集装置，且所述电荷收集装置中包括有用于测量所述电荷的电荷量数据并输出的半导体像素芯片。2.根据权利要求1所述的束流检测探测器，其特征在于，所述探测器外壳，包括用于接收待检测粒子束流的入射窗，以及与所述入射窗平行相对的出射窗。3.根据权利要求2所述的束流检测探测器，其特征在于，所述电场场笼，用于使所述待检测粒子束流与所述束流检测探测器工作环境中的气体分子碰撞产生电荷，并用于产生设定电场，以形成所述电荷定向漂移的漂移区。4.根据权利要求3所述的束流检测探测器，其特征在于，所述电荷收集装置，包括：门电极，用于产生对所述电荷漂移速率进行控制的控制电场；掩膜，具有与多个所述半导体像素芯片位置相对应的开孔；芯片绑定板，其上设置有多个所述半导体像素芯片以形成芯片阵列。5.根据权利要求4所述的束流检测探测器，其特征在于，所述设定电场为匀强电场；所述控制电场的方向与所述设定电场相平行。6.根据权利要求4所述的束流检测探测器，其特征在于，所述门电极、所述掩膜和所述芯片绑定板的主平面相平行，所述掩膜介于所述门电极和所述芯片绑定板之间。7.根据权利要求6所述的束流检测探测器，其特征在于，所述门电极包括金属丝栅格，以及所述金属丝栅格的支撑结构。8.根据权利要求7所述的束流检测探测器，其特征在于，所述金属丝栅格，包括至少两层平行金属丝；每层所述平行金属丝中的金属丝径向方向与所述入射窗的平面相平行；每层所述平行金属丝的主平面与所述入射窗的平面相垂直。9.根据权利要求8所述的束流检测探测器，其特征在于，所述至少两层平行金属丝的各层电势，用于根据所述束流检测探测器的探测器工作模式而施加。10.根据权利要求9所述的束流检测探测器，其特征在于，所述探测器工作模式，包括周期性采样模式、单次采样模式以及连续采样模式。

技术总结
本发明涉及一种束流检测探测器，包括：探测器外壳；设置在所述探测器外壳之内，并用于使所述束流检测探测器工作环境中的气体分子产生电荷的电场场笼；以及设置在所述探测器外壳之内，用于收集所述电荷的电荷收集装置，且所述电荷收集装置中包括有用于测量所述电荷的电荷量数据并输出的半导体像素芯片。本发明能够提供一种用于束流位置和剖面实时、精确监测的探测器。测的探测器。测的探测器。


技术研发人员：赵承心 杨海波
受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/7