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(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速所，四川 綿陽 621000)

0 引言

在大氣層以外空間，從事航天活動必然要考慮空間環(huán)境的影響，空間環(huán)境一般有高層大氣、空間碎片、電離輻射等，其中電離輻射是引起衛(wèi)星或空間飛行器電子學系統(tǒng)性能退化和失效的重要原因，最終會導致衛(wèi)星或空間飛行器的災難性后果。由于缺少大氣層的阻擋，外空間的電離輻射成分與地面有很大不同，輻射強度本底也比地面高，其中質子是空間電離輻射的主要成分[1-3]。為了適應太空的輻射環(huán)境，電子學器件一般要進行抗輻射加固處理，而地面上的電離輻射環(huán)境一般由加速器產生，因此，在加速器上進行質子單粒子效應的模擬實驗中，滿足空間電離輻射和抗輻射加固中對質子計量的要求，必須對高能質子束流密度分布進行準確測量。同樣，質子束流的準確測量也在加速器產氚、ADS(加速器驅動次臨界系統(tǒng))研究中起著關鍵作用[4-5]。

采用高靈敏度的微弱電流測試儀，在高真空和環(huán)境真空中，利用法拉第杯對高能質子束流密度分布進行測試，能夠綜合評價電子學樣品室內的電荷環(huán)境。用于動態(tài)在線監(jiān)測真空環(huán)境中在不同的方位以及不同質子輻照劑量下，電子器件受影響的變化規(guī)律。

1 法拉第杯結構

法拉第杯是使用金屬材料制成杯狀，利用帶電粒子入射產生電荷的累積效應來測量來流強度的真空器件，其形成的電流可以用來判定入射電子或離子的數(shù)量。當離子或電子進入法拉第杯以后，會產生電子流。對一個連續(xù)的帶單電荷的離子束來說：

(1)

其中:N是離子數(shù)量，t是時間(s),I是測得的電流(A),e是基本電荷(1.60×10-19庫倫)。我們可以估算，若測得電流為1 nA，即約有六十億個離子被法拉第杯收集。對于法拉第杯，如果杯底的厚度不夠帶電粒子將會穿出杯底，不能保證帶電粒子的完全收集，因此杯底的厚度必須大于帶電粒子穿透介質所產生的射程R，其中[6]:

(2)

在Atomic Data[6]中給出了各種能量的質子在不同元素中的射程。以實際為例，采用的黃銅作為法拉第杯材料在3 MeV質子束中，帶電粒子能穿透的黃銅介質厚度為2.3 mm，為此設計采用了5 mm厚的黃銅作為法拉第杯杯底。

有兩種因素會造成測量的誤差，第一個是入射的帶電粒子撞擊法拉第杯表面產生低能量的二次電子而逃離；第二種是入射粒子的反向散射。而在較高加速電壓產生大能量離子流時，離子流轟擊入口狹縫產生的二次電子和二次離子數(shù)量會大幅增加，影響測量實際信號的大小，因此法拉第杯只適用于較小電子伏的測量。圖1為法拉第杯示意圖。

圖1 法拉第杯示意圖

2 測試系統(tǒng)結構及原理

如圖2所示，高能質子束流密度分布測試系統(tǒng)主要由采集質子束用的法拉第杯、機械掃描系統(tǒng)、步進電機、偏置電源、電機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機等幾部分組成。法拉第杯、機械掃描系統(tǒng)與步進電機位于加速器出口真空測試腔體內，偏置電源、電機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機放置在測試現(xiàn)場，用屏蔽盒進行了抗輻射加固處理。

圖2 測試系統(tǒng)框架

當被加速的帶電粒子高速撞擊法拉第杯杯底，產生的二次電子將會獲得較高的速度，如果角度合適將逃逸出法拉第杯不能被收集，造成測得的電流強度比真實值偏大。偏置電源的作用在于抑制二次電子的逃逸，其正極加載在法拉第杯杯底，負極加載在法拉第杯杯口，形成一個抑制電場，同時設計的法拉第筒的長度遠大于杯底的半徑，二次電子產生后由于電場和出射角的作用將無法逸出杯外。

測試系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PC機開發(fā)的虛擬儀器與下位的步進電機驅動模塊和Keithley6517A靜電計組成，可以檢測出真空腔體內部各個位置質子束束流密度隨時間變化情況，也可以實現(xiàn)空間二維掃描測量。在移動平臺的選擇上，選用了北京卓立漢光儀器公司的TSAx系列標準電控平移臺，該平臺傳動采用滾珠絲杠，導軌采用線性軸承，電機后端配有手輪，可手動調節(jié)。平移臺采用SC300系列步進電機控制箱，該控制箱為1-3軸點對點位置定位集成控制系統(tǒng)，內置步進電機驅動器，同時提供RS232串口，可通過通信協(xié)議或OCX控件進行二次開發(fā)。微弱電流的測量采用了Keithley 6517A靜電計，是一種高精密的直流多用測量儀表，6517A具有425讀數(shù)/秒的讀數(shù)率，速度比同類靜電計顯著提高，可以提供快速的微弱電流測量。

測試時，PC機通過總線對步進電機控制器進行配置，在前面板的步進電機控制頁面上可以設置起始點、終止點、單次掃描步長以及步進電機運行速度等，同時PC機還能通過儀器控制總線在前面板儀器控制頁面上為6517A靜電計選擇合適的量程以配合不同功率的質子束進行實現(xiàn)量程切換，保證測得的電流不會溢出。當所有參數(shù)均能滿足測試要求時，通過復位鍵將法拉第杯送至起始點，等待加速器同步觸發(fā)信號觸發(fā)，以開始測試。測試開始后，法拉第探頭收集到的電流被靜電計實時采集，PC機通過軟件以百Hz的速度讀取對靜電計數(shù)據(jù)，并計算平均值作為該點的束流最終結果，同時在前面板上顯示和保存，單次采集結束后，步進電機驅動探頭運行到下一個測量點，并開始該點的數(shù)據(jù)采樣、處理，每一次采集位置也可覆蓋上一次的采集，通過數(shù)據(jù)處理可以得到更加精細的位置與束流密度的分布。如此步進往復，最后到達終止點完成測量。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件結構

系統(tǒng)軟件的主要功能是對移動平臺控制器進行通信控制以及對得到的電流信號進行計算處理。軟件分為5個模塊：平臺移動控制模塊，可設定步進電機運行參數(shù)同時控制機械掃描系統(tǒng)平動，也可設定零點位置并進行復位；靜電計控制模塊，可設定靜電計運行參數(shù)，并在故障情況下對靜電計進行手動復位；定點測量模塊，實現(xiàn)對設定中心位置束流密度的測量、計算、顯示與保存；掃描測量模塊，實現(xiàn)空間不同位置束流密度的測量，同時存儲測點的相對位置信息；數(shù)據(jù)插值模塊，通過LabVIEW內置的一維fourier算法對測試數(shù)據(jù)插值得到更精細的數(shù)據(jù)。軟件處理的流程如圖3所示。

圖3 軟件設計結構圖

3.2 利用ActiveX控件的平臺控制

平臺移動控制模塊中利用屬性節(jié)點調用步進電機控制器廠家提供的ActiveX函數(shù)庫，屬性節(jié)點具有讀取和寫入引用的屬性，通過屬性節(jié)點對本地應用程序進行調用，可自動調整為用戶所引用對象的類。LabVIEW的外部接口包括動態(tài)鏈接庫的調用、C語言的接口、以及利用屬性節(jié)點訪問XML、VISA、.NET和ActiveX屬性。軟件中利用打開自動化函數(shù)，返回指向控制器對象的自動化引用句柄以驅動平臺控制器動作。在LabVIEW中訪問ActiveX控件的步驟如下：首先通過“插入ActiveX對象”打開函數(shù)對象，其次通過插入后續(xù)的“ActiveX控件屬性”對話框來選擇配置對象的屬性，然后通過調用節(jié)點執(zhí)行屬于對象的相應函數(shù)，如果當這個事件函數(shù)發(fā)生時，系統(tǒng)自動調用“事件回調注冊”函數(shù)進行響應，最后使用“關閉引用函數(shù)”完成整個打開自動化過程。以一個完整的機械復位子程序為例展示整個屬性節(jié)點的運行模式，如圖4所示。

圖4 械復復位VI程序結構

3.3 基于GPIB的靜電計控制

LabVIEW提供了基于GPIB的儀器控制集成開發(fā)環(huán)境，靜電計的控制通信模塊均采用基于GPIB的儀器測試環(huán)境搭建，GPIB的接口軟件包含：GPIB驅動程序和相關儀器的驅動程序，在此基礎上硬件服務商還提供了封裝好的儀器控制程序。其中GPIB驅動程序可在NI的技術支持中獲取，儀器驅動程序在相應儀器生產廠家的程序包中獲得，一般而言儀器廠商提供的驅動程序會將儀器的基本控制函數(shù)按照基本功能封裝成子VI并添加到DLL(動態(tài)鏈接庫)中。在LabVIEW的開發(fā)環(huán)境中，基于GPIB的儀器通信使用標準化儀器編程語言SCPI實現(xiàn)，圖5現(xiàn)實了靜電計通過GPIB實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀操作的流程，首先配置初始化模塊找到GPIB總線對應的端口對靜電計初始化，接著由前面板對應的靜電計參數(shù)選項修改靜電計的參數(shù)設置，配置好的參數(shù)會自動生成SCPI指令并由GPIB總線輸出到靜電計，靜電計通過下位機反饋需要讀取得數(shù)據(jù)，這樣PC機就通過GPIB Read指令讀取到了所需數(shù)據(jù)。

圖5 靜電計的GPIB讀數(shù)據(jù)操作

3.4 掃描測量模塊設計

在掃描測量模塊中，利用雙層順序結構實現(xiàn)了先對平臺進行定位操作，之后再驅動測量程序對數(shù)據(jù)進行測量的過程。當完成整個流程掃描以后，將法拉第杯歸位以實現(xiàn)下一次掃描。如圖6所示。

圖6 掃描測量模塊程序

當具備測試條件之后，由加速器脈沖信號觸發(fā)程序運行。觸發(fā)后，由面板上的參數(shù)設定，得到每一次掃描的距離以及總掃描路徑信息，在每一次采樣的循環(huán)結束時得到每一次的運行采樣時的時間信息，通過時間可以控制輻照的劑量大小。每次單循環(huán)將每一步相對位移信息和電流大小信息分別存入指定的TXT文件的不同列。通過對TXT文件中數(shù)組的處理就可得到輻照強度在空間的分布，最后用可視化圖形窗口顯示出來。

3.5 模塊框架

整個模塊程序由一個WHILE循環(huán)嵌套，當觸發(fā)總體停止按鍵，程序才會停止。每一個模塊程序是由選項卡控件驅動的一個條件結構實現(xiàn)的，選項卡控件由LabVIEW提供，連接到條件結構的選擇器上面，在前面板上即可添加各模塊程序相應的操作控件，后面板的WHILE循環(huán)內可進行不同模塊程序的編寫。

4 實驗結果與分析

現(xiàn)場試驗前需對試驗現(xiàn)場和儀器的背景噪聲進行測量，同時消除整個測試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。在加速器未運行情況下，將靜電計量程設置為20 pA，在試驗現(xiàn)場對靜電計的輸出進行了500 s，間隔1 s的數(shù)據(jù)采集，并將結果返回給計算機進行分析。圖7(a)為采集到的原始數(shù)據(jù)波形圖，圖7(b)為背景噪聲的分布圖。

圖7 測試系統(tǒng)背景噪聲及分布

圖7(a)中噪聲主要分布在-1.1～0.1 pA之間，噪聲寬度為1 pA，可計算出20 pA量程時的測量精度為5%，從圖7(b)中可以看出，系統(tǒng)的白噪聲基本符合高斯分布，其中心位置為一個-0.53 pA的偏置，屬于測試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，在實際測量中必須扣除該偏置對質子密度計算的影響，即在實際測量時，電流的值必須要加上0.53 pA。

知道了法拉第杯產生的電流隨時間的變化趨勢后，通過束流對時間的積分，可得某一時間段中狹縫探測器收集到的質子數(shù)，除以狹縫面積，可得質子注量[7]，即

(3)

其中:Φ為質子注量(cm-2)；Is(t)為散射質子流強(A)；t為測量時間(s)；S為接收面積(cm2)；e為基本電荷(1.602×10-19C)。

束流探測器狹縫面積可通過MATLAB處理束流探測器狹縫的陰影圖像得到，本文使用的狹縫面積為23.25 mm2。

利用能量3 MeV的質子束，對高能質子束流密度分布測試系統(tǒng)進行了實驗驗證，實驗用靜電計測得了亞pA量級的質子束流，圖8(a)顯示了中心位置連續(xù)輻照強度的實驗結果，圖8(b)為輻照強度縱向分布的實驗結果。

圖8 3MeV質子束測量結果

在中心位置定點測量時，由圖8(a)可知，法拉第杯中的電流從零開始積分，積分時間約6 min，6 min之后法拉第杯形成的電流趨于穩(wěn)定，每cm2中的質子數(shù)約為14.7×109個，這一結果與輻照強度縱向分布時中心位置測量的強度基本一致，整個測試過程中的質子束比較穩(wěn)定，但隨著時間有一定的下降趨勢；由圖8(b)可知，在質子束流的邊沿，法拉第杯仍存在積分現(xiàn)象，質子束縱向分布基本均勻，在中心位置上密度略有下降，但下降范圍不大，經過計算，質子束密度相對于中心位置均勻性偏差為11.7%。

5 結束語

本文基于LabVIEW平臺設計了高能質子束流密度分布測試系統(tǒng)，由法拉第杯探測器，移動平臺控制系統(tǒng)和基于LabVIEW的控制與數(shù)據(jù)獲取軟件三部分組成，具有對法拉第杯位置控制、靜電計讀寫、智能化測量、數(shù)據(jù)實時處理等功能。該質子束流測量系統(tǒng)能實現(xiàn)亞pA級電流的測量，20 pA量程時的測量精度為5%，解決了弱流質子束的測量問題，同時實驗結果表明測到的pA量級的質子束流密度隨空間的分布，能準確評估電子器件輻射環(huán)境與劑量，為半導體器件抗輻射加固設計提供了所需的數(shù)據(jù)。