基于二次电子补偿原理的质子束流测量技术

It is essential to measure the proton beam current for the investigation of accelerator, nuclear data measurement, nuclear physics experiment, and radiation effects of electronic device. The intense proton beam current is mostly measured using Faraday cups (FCs). In the case of intense proton beam detection, the major error source in FC performance is the escape of ejected electrons produced by protons striking with interior metal surfaces of the FC. To avoid this problem, electrostatic field and magnetic field are used traditionally. However, some of the electrons still escape from the FC. Therefore, a new method based on the compensation of secondary electron is proposed for the accurate measurement of intense proton beam current in this project. The energy and angular distribution of the secondary electrons and the secondary electron yield will be investigated while protons striking with metal surfaces of different status with theory and experiment. The compensation mechanism for secondary electron emission (SEE) and the structure which compensates for SEE will be studied. The technique for accurate measurements of proton beam current will be investigated in experiments. The results of this research would be very useful for the research of China Spallation Neutron Source and accelerator-driven subcritical reactor, and may provide a new technique for recoil proton chamber which measures pulsed fusion neutron accurately.

精确测量质子束流强度是加速器、核数据测量、核物理实验、元器件辐照效应等研究的重要基础。国内外主要采用法拉第筒探测器测量强流质子束流强度，然而，质子与收集极作用导致二次电子发射和逃逸一直困扰着测量精度的提高，目前采取外加电场（或磁场）的措施难以完全抑制二次电子的逃逸。因此，本项目提出一种基于二次电子补偿原理的新方法，解决二次电子逃逸影响强流质子束流强度测量精度的难题。主要内容包括：采用理论和实验相结合的方法，研究质子与不同表面状态的金属材料作用产生二次电子发射的特征和规律；研究二次电子补偿原理以及基于该原理的新型电荷收集型探测器设计技术；研制探测器，并实验研究强流质子束强度精确测量技术。通过本项目的研究，为散裂中子源、加速器驱动次临界反应堆等国家重大科学实验装置的研究提供强流质子束强度精确测量的技术支持，同时，为反冲质子探测系统实现脉冲聚变中子绝对测量奠定基础。

本项目完成了金属表面微结构生成方法研究，从理论和实验两方面开展了带电粒子轰击不同表面状态的金属时二次电子发射特性的研究；研究和设计了一套新型的测量二次电子能谱和角分布装置；研制了二次电子补偿型同轴法拉第探测器，掌握了该探测器设计的关键技术，用该探测器可准确测量质子束流强度，研究了该探测器的时间响应。取得的主要进展和结论为：(1)采用纳米压印技术和光刻方法，研究了生成金属表面微结构的工艺过程，采用该工艺过程可以根据设计要求制作得到各种不同特征的金属表面微结构；(2)建立了高能质子入射金属箔导致表面发射二次电子模型，利用Monte Carlo方法研究了质子垂直入射金属箔时，在金属箔内产生二次电子的位置、二次电子向表面输运及其表面发射二次电子的过程，获得了表面二次电子发射与内部激发电子位置的关系及向前（向后）发射二次电子能谱；(3)建立了测量金属箔前向和后向二次电子发射产额的实验系统，研究了金属箔二次电子发射特性，结果表明：质子穿过金属箔时，前向二次电子发射产额大于后向二次电子发射产额，金属表面微结构可以抑制低能（keV量级）电子轰击时发射二次电子产额，同时使得高能（MeV量级）质子轰击时发射的二次电子产额增加；(4)基于二次电子补偿思想，设计了二次电子补偿的电荷收集型探测结构，研制了二次电子补偿型同轴法拉第探测器，研究了探测器的时间响应和测量质子束流强度的准确性。结果表明二次电子补偿型同轴法拉第探测器测量质子束流的不确定度小于3%，时间响应的半宽度小于200ps。