基于LabVIEW的高能质子束流密度分布测试系统

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(中国空气动力研究与发展中心 超高速所，四川 绵阳 621000)

0 引言

在大气层以外空间，从事航天活动必然要考虑空间环境的影响，空间环境一般有高层大气、空间碎片、电离辐射等，其中电离辐射是引起卫星或空间飞行器电子学系统性能退化和失效的重要原因，最终会导致卫星或空间飞行器的灾难性后果。由于缺少大气层的阻挡，外空间的电离辐射成分与地面有很大不同，辐射强度本底也比地面高，其中质子是空间电离辐射的主要成分[1-3]。为了适应太空的辐射环境，电子学器件一般要进行抗辐射加固处理，而地面上的电离辐射环境一般由加速器产生，因此，在加速器上进行质子单粒子效应的模拟实验中，满足空间电离辐射和抗辐射加固中对质子计量的要求，必须对高能质子束流密度分布进行准确测量。同样，质子束流的准确测量也在加速器产氚、ADS(加速器驱动次临界系统)研究中起着关键作用[4-5]。

采用高灵敏度的微弱电流测试仪，在高真空和环境真空中，利用法拉第杯对高能质子束流密度分布进行测试，能够综合评价电子学样品室内的电荷环境。用于动态在线监测真空环境中在不同的方位以及不同质子辐照剂量下，电子器件受影响的变化规律。

1 法拉第杯结构

法拉第杯是使用金属材料制成杯状，利用带电粒子入射产生电荷的累积效应来测量来流强度的真空器件，其形成的电流可以用来判定入射电子或离子的数量。当离子或电子进入法拉第杯以后，会产生电子流。对一个连续的带单电荷的离子束来说：

(1)

其中:N是离子数量，t是时间(s),I是测得的电流(A),e是基本电荷(1.60×10-19库伦)。我们可以估算，若测得电流为1 nA，即约有六十亿个离子被法拉第杯收集。对于法拉第杯，如果杯底的厚度不够带电粒子将会穿出杯底，不能保证带电粒子的完全收集，因此杯底的厚度必须大于带电粒子穿透介质所产生的射程R，其中[6]:

(2)

在Atomic Data[6]中给出了各种能量的质子在不同元素中的射程。以实际为例，采用的黄铜作为法拉第杯材料在3 MeV质子束中，带电粒子能穿透的黄铜介质厚度为2.3 mm，为此设计采用了5 mm厚的黄铜作为法拉第杯杯底。

有两种因素会造成测量的误差，第一个是入射的带电粒子撞击法拉第杯表面产生低能量的二次电子而逃离；第二种是入射粒子的反向散射。而在较高加速电压产生大能量离子流时，离子流轰击入口狭缝产生的二次电子和二次离子数量会大幅增加，影响测量实际信号的大小，因此法拉第杯只适用于较小电子伏的测量。图1为法拉第杯示意图。

图1 法拉第杯示意图

2 测试系统结构及原理

如图2所示，高能质子束流密度分布测试系统主要由采集质子束用的法拉第杯、机械扫描系统、步进电机、偏置电源、电机控制系统、数据采集系统及计算机等几部分组成。法拉第杯、机械扫描系统与步进电机位于加速器出口真空测试腔体内，偏置电源、电机控制系统、数据采集系统及计算机放置在测试现场，用屏蔽盒进行了抗辐射加固处理。

图2 测试系统框架

当被加速的带电粒子高速撞击法拉第杯杯底，产生的二次电子将会获得较高的速度，如果角度合适将逃逸出法拉第杯不能被收集，造成测得的电流强度比真实值偏大。偏置电源的作用在于抑制二次电子的逃逸，其正极加载在法拉第杯杯底，负极加载在法拉第杯杯口，形成一个抑制电场，同时设计的法拉第筒的长度远大于杯底的半径，二次电子产生后由于电场和出射角的作用将无法逸出杯外。

测试系统的控制与数据数据采集系统由PC机开发的虚拟仪器与下位的步进电机驱动模块和Keithley6517A静电计组成，可以检测出真空腔体内部各个位置质子束束流密度随时间变化情况，也可以实现空间二维扫描测量。在移动平台的选择上，选用了北京卓立汉光仪器公司的TSAx系列标准电控平移台，该平台传动采用滚珠丝杠，导轨采用线性轴承，电机后端配有手轮，可手动调节。平移台采用SC300系列步进电机控制箱，该控制箱为1-3轴点对点位置定位集成控制系统，内置步进电机驱动器，同时提供RS232串口，可通过通信协议或OCX控件进行二次开发。微弱电流的测量采用了Keithley 6517A静电计，是一种高精密的直流多用测量仪表，6517A具有425读数/秒的读数率，速度比同类静电计显著提高，可以提供快速的微弱电流测量。

测试时，PC机通过总线对步进电机控制器进行配置，在前面板的步进电机控制页面上可以设置起始点、终止点、单次扫描步长以及步进电机运行速度等，同时PC机还能通过仪器控制总线在前面板仪器控制页面上为6517A静电计选择合适的量程以配合不同功率的质子束进行实现量程切换，保证测得的电流不会溢出。当所有参数均能满足测试要求时，通过复位键将法拉第杯送至起始点，等待加速器同步触发信号触发，以开始测试。测试开始后，法拉第探头收集到的电流被静电计实时采集，PC机通过软件以百Hz的速度读取对静电计数据，并计算平均值作为该点的束流最终结果，同时在前面板上显示和保存，单次采集结束后，步进电机驱动探头运行到下一个测量点，并开始该点的数据采样、处理，每一次采集位置也可覆盖上一次的采集，通过数据处理可以得到更加精细的位置与束流密度的分布。如此步进往复，最后到达终止点完成测量。

3 系统软件设计

3.1 软件结构

系统软件的主要功能是对移动平台控制器进行通信控制以及对得到的电流信号进行计算处理。软件分为5个模块：平台移动控制模块，可设定步进电机运行参数同时控制机械扫描系统平动，也可设定零点位置并进行复位；静电计控制模块，可设定静电计运行参数，并在故障情况下对静电计进行手动复位；定点测量模块，实现对设定中心位置束流密度的测量、计算、显示与保存；扫描测量模块，实现空间不同位置束流密度的测量，同时存储测点的相对位置信息；数据插值模块，通过LabVIEW内置的一维fourier算法对测试数据插值得到更精细的数据。软件处理的流程如图3所示。

图3 软件设计结构图

3.2 利用ActiveX控件的平台控制

平台移动控制模块中利用属性节点调用步进电机控制器厂家提供的ActiveX函数库，属性节点具有读取和写入引用的属性，通过属性节点对本地应用程序进行调用，可自动调整为用户所引用对象的类。LabVIEW的外部接口包括动态链接库的调用、C语言的接口、以及利用属性节点访问XML、VISA、.NET和ActiveX属性。软件中利用打开自动化函数，返回指向控制器对象的自动化引用句柄以驱动平台控制器动作。在LabVIEW中访问ActiveX控件的步骤如下：首先通过“插入ActiveX对象”打开函数对象，其次通过插入后续的“ActiveX控件属性”对话框来选择配置对象的属性，然后通过调用节点执行属于对象的相应函数，如果当这个事件函数发生时，系统自动调用“事件回调注册”函数进行响应，最后使用“关闭引用函数”完成整个打开自动化过程。以一个完整的机械复位子程序为例展示整个属性节点的运行模式，如图4所示。

图4 械复复位VI程序结构

3.3 基于GPIB的静电计控制

LabVIEW提供了基于GPIB的仪器控制集成开发环境，静电计的控制通信模块均采用基于GPIB的仪器测试环境搭建，GPIB的接口软件包含：GPIB驱动程序和相关仪器的驱动程序，在此基础上硬件服务商还提供了封装好的仪器控制程序。其中GPIB驱动程序可在NI的技术支持中获取，仪器驱动程序在相应仪器生产厂家的程序包中获得，一般而言仪器厂商提供的驱动程序会将仪器的基本控制函数按照基本功能封装成子VI并添加到DLL(动态链接库)中。在LabVIEW的开发环境中，基于GPIB的仪器通信使用标准化仪器编程语言SCPI实现，图5现实了静电计通过GPIB实现数据读操作的流程，首先配置初始化模块找到GPIB总线对应的端口对静电计初始化，接着由前面板对应的静电计参数选项修改静电计的参数设置，配置好的参数会自动生成SCPI指令并由GPIB总线输出到静电计，静电计通过下位机反馈需要读取得数据，这样PC机就通过GPIB Read指令读取到了所需数据。

图5 静电计的GPIB读数据操作

3.4 扫描测量模块设计

在扫描测量模块中，利用双层顺序结构实现了先对平台进行定位操作，之后再驱动测量程序对数据进行测量的过程。当完成整个流程扫描以后，将法拉第杯归位以实现下一次扫描。如图6所示。

图6 扫描测量模块程序

当具备测试条件之后，由加速器脉冲信号触发程序运行。触发后，由面板上的参数设定，得到每一次扫描的距离以及总扫描路径信息，在每一次采样的循环结束时得到每一次的运行采样时的时间信息，通过时间可以控制辐照的剂量大小。每次单循环将每一步相对位移信息和电流大小信息分别存入指定的TXT文件的不同列。通过对TXT文件中数组的处理就可得到辐照强度在空间的分布，最后用可视化图形窗口显示出来。

3.5 模块框架

整个模块程序由一个WHILE循环嵌套，当触发总体停止按键，程序才会停止。每一个模块程序是由选项卡控件驱动的一个条件结构实现的，选项卡控件由LabVIEW提供，连接到条件结构的选择器上面，在前面板上即可添加各模块程序相应的操作控件，后面板的WHILE循环内可进行不同模块程序的编写。

4 实验结果与分析

现场试验前需对试验现场和仪器的背景噪声进行测量，同时消除整个测试系统的系统误差。在加速器未运行情况下，将静电计量程设置为20 pA，在试验现场对静电计的输出进行了500 s，间隔1 s的数据采集，并将结果返回给计算机进行分析。图7(a)为采集到的原始数据波形图，图7(b)为背景噪声的分布图。

图7 测试系统背景噪声及分布

图7(a)中噪声主要分布在-1.1～0.1 pA之间，噪声宽度为1 pA，可计算出20 pA量程时的测量精度为5%，从图7(b)中可以看出，系统的白噪声基本符合高斯分布，其中心位置为一个-0.53 pA的偏置，属于测试系统的系统误差，在实际测量中必须扣除该偏置对质子密度计算的影响，即在实际测量时，电流的值必须要加上0.53 pA。

知道了法拉第杯产生的电流随时间的变化趋势后，通过束流对时间的积分，可得某一时间段中狭缝探测器收集到的质子数，除以狭缝面积，可得质子注量[7]，即

(3)

其中:Φ为质子注量(cm-2)；Is(t)为散射质子流强(A)；t为测量时间(s)；S为接收面积(cm2)；e为基本电荷(1.602×10-19C)。

束流探测器狭缝面积可通过MATLAB处理束流探测器狭缝的阴影图像得到，本文使用的狭缝面积为23.25 mm2。

利用能量3 MeV的质子束，对高能质子束流密度分布测试系统进行了实验验证，实验用静电计测得了亚pA量级的质子束流，图8(a)显示了中心位置连续辐照强度的实验结果，图8(b)为辐照强度纵向分布的实验结果。

图8 3MeV质子束测量结果

在中心位置定点测量时，由图8(a)可知，法拉第杯中的电流从零开始积分，积分时间约6 min，6 min之后法拉第杯形成的电流趋于稳定，每cm2中的质子数约为14.7×109个，这一结果与辐照强度纵向分布时中心位置测量的强度基本一致，整个测试过程中的质子束比较稳定，但随着时间有一定的下降趋势；由图8(b)可知，在质子束流的边沿，法拉第杯仍存在积分现象，质子束纵向分布基本均匀，在中心位置上密度略有下降，但下降范围不大，经过计算，质子束密度相对于中心位置均匀性偏差为11.7%。

5 结束语

本文基于LabVIEW平台设计了高能质子束流密度分布测试系统，由法拉第杯探测器，移动平台控制系统和基于LabVIEW的控制与数据获取软件三部分组成，具有对法拉第杯位置控制、静电计读写、智能化测量、数据实时处理等功能。该质子束流测量系统能实现亚pA级电流的测量，20 pA量程时的测量精度为5%，解决了弱流质子束的测量问题，同时实验结果表明测到的pA量级的质子束流密度随空间的分布，能准确评估电子器件辐射环境与剂量，为半导体器件抗辐射加固设计提供了所需的数据。