基于LabVIEW的高能質(zhì)子束流密度分布測試系統(tǒng)

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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(xué)系統(tǒng)性能退化和失效的重要原因，最終會導(dǎo)致衛(wèi)星或空間飛行器的災(zāi)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(qiáng)度本底也比地面高，其中質(zhì)子是空間電離輻射的主要成分[1-3]。為了適應(yīng)太空的輻射環(huán)境，電子學(xué)器件一般要進(jìn)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(chǎn)生，因此，在加速器上進(jìn)行質(zhì)子單粒子效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)中，滿足空間電離輻射和抗輻射加固中對質(zhì)子計量的要求，必須對高能質(zhì)子束流密度分布進(jìn)行準(zhǔn)確測量。同樣，質(zhì)子束流的準(zhǔn)確測量也在加速器產(chǎn)氚、ADS(加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng))研究中起著關(guān)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(zhì)子束流密度分布進(jìn)行測試，能夠綜合評價電子學(xué)樣品室內(nèi)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(zhì)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(jié)構(gòu)

法拉第杯是使用金屬材料制成杯狀，利用帶電粒子入射產(chǎn)生電荷的累積效應(yīng)來測量來流強(qiáng)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(dāng)離子或電子進(jìn)入法拉第杯以后，會產(chǎn)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(zhì)所產(chǎn)生的射程R，其中[6]:

(2)

在Atomic Data[6]中給出了各種能量的質(zhì)子在不同元素中的射程。以實(shí)際為例，采用的黃銅作為法拉第杯材料在3 MeV質(zhì)子束中，帶電粒子能穿透的黃銅介質(zhì)厚度為2.3 mm，為此設(shè)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(chǎn)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(chǎn)生大能量離子流時，離子流轟擊入口狹縫產(chǎn)生的二次電子和二次離子數(shù)量會大幅增加，影響測量實(shí)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(jié)構(gòu)及原理

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

圖2 測試系統(tǒng)框架

當(dāng)被加速的帶電粒子高速撞擊法拉第杯杯底，產(chǎn)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(qiáng)度比真實(shí)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(fù)極加載在法拉第杯杯口，形成一個抑制電場，同時設(shè)計的法拉第筒的長度遠(yuǎn)大于杯底的半徑，二次電子產(chǎn)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(jī)開發(fā)的虛擬儀器與下位的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和Keithley6517A靜電計組成，可以檢測出真空腔體內(nèi)部各個位置質(zhì)子束束流密度隨時間變化情況，也可以實(shí)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(biāo)準(zhǔn)電控平移臺，該平臺傳動采用滾珠絲杠，導(dǎo)軌采用線性軸承，電機(jī)后端配有手輪，可手動調(diào)節(jié)。平移臺采用SC300系列步進(jìn)電機(jī)控制箱，該控制箱為1-3軸點(diǎn)對點(diǎn)位置定位集成控制系統(tǒng)，內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，同時提供RS232串口，可通過通信協(xié)議或OCX控件進(jìn)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(jī)通過總線對步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行配置，在前面板的步進(jìn)電機(jī)控制頁面上可以設(shè)置起始點(diǎn)、終止點(diǎn)、單次掃描步長以及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度等，同時PC機(jī)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(zhì)子束進(jìn)行實(shí)現(xiàn)量程切換，保證測得的電流不會溢出。當(dāng)所有參數(shù)均能滿足測試要求時，通過復(fù)位鍵將法拉第杯送至起始點(diǎn)，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(shí)時采集，PC機(jī)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(diǎn)的束流最終結(jié)果，同時在前面板上顯示和保存，單次采集結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動探頭運(yùn)行到下一個測量點(diǎn)，并開始該點(diǎn)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(xì)的位置與束流密度的分布。如此步進(jìn)往復(fù)，最后到達(dá)終止點(diǎn)完成測量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件的主要功能是對移動平臺控制器進(jìn)行通信控制以及對得到的電流信號進(jìn)行計算處理。軟件分為5個模塊：平臺移動控制模塊，可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)同時控制機(jī)械掃描系統(tǒng)平動，也可設(shè)定零點(diǎn)位置并進(jìn)行復(fù)位；靜電計控制模塊，可設(shè)定靜電計運(yùn)行參數(shù)，并在故障情況下對靜電計進(jìn)行手動復(fù)位；定點(diǎn)測量模塊，實(shí)現(xiàn)對設(shè)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(shí)現(xiàn)空間不同位置束流密度的測量，同時存儲測點(diǎn)的相對位置信息；數(shù)據(jù)插值模塊，通過LabVIEW內(nèi)置的一維fourier算法對測試數(shù)據(jù)插值得到更精細(xì)的數(shù)據(jù)。軟件處理的流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)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(diǎn)調(diào)用步進(jìn)電機(jī)控制器廠家提供的ActiveX函數(shù)庫，屬性節(jié)點(diǎn)具有讀取和寫入引用的屬性，通過屬性節(jié)點(diǎn)對本地應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)用，可自動調(diào)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(diào)用、C語言的接口、以及利用屬性節(jié)點(diǎn)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(qū)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(diào)用節(jié)點(diǎn)執(zhí)行屬于對象的相應(yīng)函數(shù)，如果當(dāng)這個事件函數(shù)發(fā)生時，系統(tǒng)自動調(diào)用“事件回調(diào)注冊”函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)，最后使用“關(guān)閉引用函數(shù)”完成整個打開自動化過程。以一個完整的機(jī)械復(fù)位子程序?yàn)槔故菊麄€屬性節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行模式，如圖4所示。

圖4 械復(fù)復(fù)位VI程序結(jié)構(gòu)

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(qū)動程序和相關(guān)儀器的驅(qū)動程序，在此基礎(chǔ)上硬件服務(wù)商還提供了封裝好的儀器控制程序。其中GPIB驅(qū)動程序可在NI的技術(shù)支持中獲取，儀器驅(qū)動程序在相應(yīng)儀器生產(chǎn)廠家的程序包中獲得，一般而言儀器廠商提供的驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)化儀器編程語言SCPI實(shí)現(xiàn)，圖5現(xiàn)實(shí)了靜電計通過GPIB實(shí)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(yīng)的端口對靜電計初始化，接著由前面板對應(yīng)的靜電計參數(shù)選項修改靜電計的參數(shù)設(shè)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(jī)反饋需要讀取得數(shù)據(jù)，這樣PC機(jī)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(shè)計

在掃描測量模塊中，利用雙層順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了先對平臺進(jìn)行定位操作，之后再驅(qū)動測量程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行測量的過程。當(dāng)完成整個流程掃描以后，將法拉第杯歸位以實(shí)現(xiàn)下一次掃描。如圖6所示。

圖6 掃描測量模塊程序

當(dāng)具備測試條件之后，由加速器脈沖信號觸發(fā)程序運(yùn)行。觸發(fā)后，由面板上的參數(shù)設(shè)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(jié)束時得到每一次的運(yùn)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(qiáng)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(dāng)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(qū)動的一個條件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，選項卡控件由LabVIEW提供，連接到條件結(jié)構(gòu)的選擇器上面，在前面板上即可添加各模塊程序相應(yīng)的操作控件，后面板的WHILE循環(huán)內(nèi)可進(jìn)行不同模塊程序的編寫。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)場試驗(yàn)前需對試驗(yàn)現(xiàn)場和儀器的背景噪聲進(jìn)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(yùn)行情況下，將靜電計量程設(shè)置為20 pA，在試驗(yàn)現(xiàn)場對靜電計的輸出進(jìn)行了500 s，間隔1 s的數(shù)據(jù)采集，并將結(jié)果返回給計算機(jī)進(jìn)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(shí)際測量中必須扣除該偏置對質(zhì)子密度計算的影響，即在實(shí)際測量時，電流的值必須要加上0.53 pA。

知道了法拉第杯產(chǎn)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(zhì)子數(shù)，除以狹縫面積，可得質(zhì)子注量[7]，即

(3)

其中:Φ為質(zhì)子注量(cm-2)；Is(t)為散射質(zhì)子流強(qiáng)(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(zhì)子束，對高能質(zhì)子束流密度分布測試系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)用靜電計測得了亞pA量級的質(zhì)子束流，圖8(a)顯示了中心位置連續(xù)輻照強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖8(b)為輻照強(qiáng)度縱向分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 3MeV質(zhì)子束測量結(jié)果

在中心位置定點(diǎn)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(zhì)子數(shù)約為14.7×109個，這一結(jié)果與輻照強(qiáng)度縱向分布時中心位置測量的強(qiáng)度基本一致，整個測試過程中的質(zhì)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(zhì)子束流的邊沿，法拉第杯仍存在積分現(xiàn)象，質(zhì)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(jīng)過計算，質(zhì)子束密度相對于中心位置均勻性偏差為11.7%。

5 結(jié)束語

本文基于LabVIEW平臺設(shè)計了高能質(zhì)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(shí)時處理等功能。該質(zhì)子束流測量系統(tǒng)能實(shí)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(zhì)子束的測量問題，同時實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測到的pA量級的質(zhì)子束流密度隨空間的分布，能準(zhǔn)確評估電子器件輻射環(huán)境與劑量，為半導(dǎo)體器件抗輻射加固設(shè)計提供了所需的數(shù)據(jù)。