CN103424065A

CN103424065A - 一种微小距离的测定方法

Info

Publication number: CN103424065A
Application number: CN2013103210079A
Authority: CN
Inventors: 吴晓光; 汪金龙; 贺创业; 李广生; 吴义恒; 胡世鹏; 郑云
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了一种微小距离的测定方法，该方法首先将靶膜加载到靶膜支架上，将阻停膜加载到阻停膜支架上，靶膜和阻停膜形成平行板电容器，然后测量平行板电容器的电容值，最后根据所述的电容值计算得出靶膜与阻停膜之间的距离。本发明所述的微小距离测定方法，利用电容法对距离进行测量，通过测量靶膜与阻停膜之间的平行板电容器的电容可以精确地测出两膜之间的微小距离。

Description

一种微小距离的测定方法

技术领域

本发明涉及原子核寿命测量技术领域，具体涉及一种微小距离的测定方法。

背景技术

在原子核寿命测量领域，为测量皮秒量级的寿命，对皮秒级原子核寿命测量实验装置中的靶膜和阻停膜距离测量的精度要求为微米量级，这就要求设计的Plunger装置即皮秒级原子核寿命测量实验装置能实现精密位移。

对于两膜之间距离的测量，要求测量方法对靶膜和阻停膜没有形变等影响，力学方法基本无法达到这个要求，而可以采用光学和电学方法，比如通过测量衍射条纹确定距离，但是要求还能在在束试验时测量距离，光学方法的设计就过于复杂，而且考虑用于安放Plunger装置的高真空专用靶室本身很小，没有太多剩余空间加载光学设备。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种微小距离的测定方法，提高靶膜与阻停膜之间微小距离的测量精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微小距离的测定方法，包括以下步骤：

（1）将靶膜加载到靶膜支架上，将阻停膜加载到阻停膜支架上，靶膜和阻停膜形成平行板电容器；

（2）测量所述的平行板电容器的电容值；

（3）根据所述的电容值计算靶膜与阻停膜之间的距离，理论计算公式为：

Figure 2013103210079100002DEST_PATH_IMAGE002

其中，为靶膜与阻停膜之间的距离，为真空介质常数，为介质相对介电常数，为所述平行板电容器的有效面积，所述的电容值。

进一步，如上所述的一种微小距离的测定方法，步骤（1）中，将靶膜和阻停膜分别加载到靶膜支架和阻停膜支架前，分别将靶膜和阻停膜展平，并保证两膜平行。

进一步，如上所述的一种微小距离的测定方法，采用压膜法将靶膜和阻停膜展平。

进一步，如上所述的一种微小距离的测定方法，步骤（2）中，在测量所述的电容值之前，对靶膜和阻停膜进行绝缘处理。

进一步，如上所述的一种微小距离的测定方法，步骤（2）中，通过数字电桥测量所述的平行板电容器的电容值。

进一步，如上所述的一种微小距离的测定方法，采用TH2817A型精密LCR数字电桥测量所述的电容值。

再进一步，如上所述的一种微小距离的测定方法，平行板电容器与数字电桥通过雷莫线连接。

更进一步，如上所述的一种微小距离的测定方法，平行板电容器与数字电桥通过单芯包络线连接。

本发明的有益效果在于：本发明所述的微小距离测定方法，利用电容法对距离进行测量，通过测量靶膜与阻停膜之间的平行板电容器的电容可以很好的测出两膜之间精确的距离。

附图说明

图1为具体实施方式中一种微小距离的测定方法的流程图；

图2为具体实施方式中皮秒级原子核寿命测量装置的结构示意图；

图3为具体实施方式中压膜法的示意图；

图4为实施例中平行板电容器与数字电桥的连接示意图；

图5为实施例中电容与距离的测量结果示意图；

图6为实施例中电容倒数与距离的关系示意图；

图7为实施例中微小距离下电容倒数与距离的关系示意图；

图8为实施例中微小距离下电容倒数与距离的关系示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1示出了本发明具体实施方式中一种微小距离的测定方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S11：靶膜与阻停膜之间形成平行板电容器；

步骤S12：测量平行板电容器的电容值；

将靶膜加载到靶膜支架上，将阻停膜加载到阻停膜支架上，靶膜和阻停膜之间构成平行板电容器。在原子核寿命测量实验中，Plunger装置即皮秒级原子核寿命测量装置的靶膜和阻停膜之间距离测量的精度要求为微米量级，为提高测量精度，本发明采用电容法测量两膜之间的距离。

图2示出了本实施方式中的Plunger装置的结构示意图，主要包括用于承载部件的底盘1、靶膜支架2、阻停膜支架3和六角支撑架4等。实验时，靶膜通过六角支撑架4安装到靶膜支架2上，阻停膜通过六角支撑架4安装到阻停膜支架3上，本实施方式中将靶膜安装到靶膜支架2的具体方式为：将靶膜加载到两个圆环片之间，如图3所示，然后将两个圆环片通过螺丝固定在六角支撑架，再将六角支撑架加载到靶膜支架上。将阻停膜安装到阻停膜支架上的方式与上述将靶膜安装到靶膜支架的方式相同。完成靶膜和阻停膜的加载后，通过调整靶膜支架2与阻停膜支架3，使靶膜和阻停膜两个金属膜之间自然形成一个良好的平行板电容器。

为了提高所述平行板电容器的电容值的测量精度，本实施方式中通过数字电桥测量平行板电容器的电容值，优选采用TH2817A型精密LCR数字电桥。TH2817A测试端为电流高端HD，电压高端HS，电流低端LD，电压低端LS，平行板电容器与数字电桥连接时，数字电桥的电流高端与电压高端一起接到电容一极，电流低端与电压低端一起接到电容另一极。

TH2817A型精密LCR数字电桥虽然能精确测量电容，但电容法的精度还跟很多因素有关，首先是靶膜与阻停膜之间形成的电容本身，其次是电容的连接线。为了进一步提高测量的准确度，在将靶膜和阻停膜分别加载到靶膜之间和阻停膜支架上时，首先分别将两膜进行绝缘处理，并将靶膜和阻停膜展平，并且保证两膜平行，在将两膜展平时，可以采用压膜法将两膜展平，当然，展平的方式并不是唯一的，也可以采用其它的方式进行展平。其中，对两膜的绝缘处理包括对靶膜和阻停膜本身的绝缘处理以及对靶膜支架和阻停膜支架的绝缘处理。

在对靶膜和绝缘膜本身做绝缘处理时，平行板电容器与数字电桥的连接方式为：将两个电容连接线接在靶膜上，另外两个电容线接在阻停膜上，与数字电桥连接时，靶膜上的两根电容线分别与数字电桥的电流高端与电压高端连接，阻停膜上的两个电容线分别与数字电桥的电流低端与电压低端连接，或者靶膜上的两根电容线分别与数字电桥的电流低端与电压低端连接，阻停膜上的两个电容线分别与数字电桥的电流高端与电压高端连接。

对靶膜和阻停膜本身进行的绝缘处理是在膜的展平过程中进行的，本实施方式中采用压膜法对靶膜和阻停膜进行展平，以靶膜为例进行说明：在将靶膜加载到靶膜支架上时，首先通过压膜法将靶膜展平，压膜法的主要原理是通过六角支撑架的凸台和压片挤压来展平膜，如图3所示，在展平时，将靶膜加载两个圆环片之间，然后将两个圆环片套在六角支撑架的凸台上，凸台将两个圆环片之间的靶膜顶平整。在该过程中，将电容的连接线夹在圆环片之间，与靶膜接触，并用塑料薄膜将靶膜与圆环片绝缘。可以采用同样的方法对阻停膜进行绝缘处理。采用对膜本身绝缘处理的这种方式，其好处是测量到的电容只是两膜的贡献，比较精确，但缺点是绝缘方式复杂而且脆弱，在安装过程中绝缘膜容易破裂。

在对靶膜支架和阻停膜支架进行绝缘处理时，平行板电容器与数字电桥的连接方式为：将两个电容连接线接在靶膜上，另外两个电容连接线接在阻停膜支架的底部，与数字电桥连接时，靶膜上的两根电容线分别与数字电桥的电流高端与电压高端连接，阻停膜支架底部的两个电容线分别与数字电桥的电流低端与电压低端连接，或者靶膜上的两根电容线分别与数字电桥的电流低端与电压低端连接，阻停膜支架底部的两个电容线分别与数字电桥的电流高端与电压高端连接。

对于靶膜支架和阻停膜支架的绝缘处理：在靶膜支架与六角支撑架之间通过塑料薄膜绝缘，靶膜支架与六角支撑架通过塑料螺丝固定，在阻停膜支架与底盘之间通过塑料薄膜绝缘，阻停膜支架与底盘通过塑料螺丝固定。

本实施方式中平行板电容器与数字电桥可以通过雷莫线连接，雷莫线有很好的屏蔽效果，真空转接头后面部分也全部用雷莫线与数字电桥连接。这种连接方式虽然引入了靶膜边缘部分的面积，增加了有效面积，但精细处理贴膜法加载的膜，可以降到比较低的水平。为了精确刻画平行板电容器的电容和距离之间的关系，在测试平行板电容器电容的过程中，通过选取合适的电容零点可以将支架和连线的杂散电容扣除，使电容的变化主要是由两膜距离的变化所引起的。

由于雷莫线很粗，与靶室接触会对靶膜和靶膜支架产生较大的形变，因此可以采用一种更软更细的单芯包络线来代替靶室中的电容连接线。单芯包络线也要求具有良好的屏蔽性能，采用单芯包络线时，靶膜部分的绝缘方式仍为靶膜支架与六角支撑架绝缘，而阻停膜部分改为在阻停膜支架与底盘连接处加载塑料绝缘膜，并用塑料螺丝固定，阻停膜部分的电容线也固定在支架底部，这种方式主要是因为平行度调节必须使用不锈钢螺丝连接六角支撑架与阻停膜支架，支架会产生杂散电容，但是同样可以通过刻度后的零点选取来排除这部分影响。

步骤S13：根据所述的电容值计算靶膜与阻停膜之间的距离。

根据步骤S12中测得的电容值计算靶膜与阻停膜之间的距离，理论计算公式为：

在测量得到所述的平行板电容器的电容后，可以根据上述公式计算出靶膜与阻停膜之间的距离。通过本实施方式所述的电容法测量靶膜与阻停膜之间距离方法能够满足精密测量距离的要求，下面结合具体实施例对本发明的方法进行进一步说明。

实施例

将靶膜与阻停膜分别加载到靶膜支架与阻停膜支架上，构成平行板电容器。

靶膜与阻停膜之间距离测量的精度要求为0.1μm，这样高精度的测量对电容的分辨率要求相对较高，本实施例中采用同惠公司生产的TH2817A型精密LCR数字电桥测量电容，该数字电桥测量准确度达到0.05%，电容的分辨率为0.00001pF。本实施采用并联方式测量两膜之间的电容，因为对于高值阻抗原件（即低值电容和高值电感）并联方式测量以减小误差。

TH2817A测试端为电流高端HD，电压高端HS，电流低端LD，电压低端LS，电流高端与电压高端一起接到平行板电容器的一极，电流低端与电压低端一起接到平行板电容器的另一极，如图4所示。该产品还提供了一款简单的软件，以帮助用户完成一些简单的测量任务。比如，与控制软件一起，完成关系的初步研究。通过控制软件精细调节两膜之间的距离，数字电桥测量每个距离下的电容值，并采样记录，就得到大量电容距离的原始数据，方便进一步研究。该产品还提供了多种接口，包括RS232C串口，方便与计算机通信以及远程操作。接口命令使用国际通用的可程控仪器标准命令（SCPI），方便用户编程。

测量两膜不同距离下的电容值，并根据测量的电容值计算对应的距离值，得到的结果如图5和图6所示，图5为电容C与距离D的关系示意图，图6为电容倒数1/C与距离D的关系示意图，图中曲线A为测量值，曲线B为理论值。由图中可以看出，当靶膜与阻停膜之间的距离为小距离（约小于1mm）时，理论和测量值符合较好，而大距离时符合的不理想，这说明本发明所述的电容法在小距离时比较精确，而不适用于大距离范围。从理论上来说，平行板电容器公式适用于有效面直径远大于两板之间距离的情况。对于皮秒量级的寿命测量，需要测到的是微米量级的距离，这个尺度远小于靶膜的直径尺度，所以电容法能够满足要求。

在微小距离下，对电容法进一步验证测试，得到的结果如图7和图8所示，从图中可以看出在几个到几十个微米时，电容倒数和距离有比较好的线性关系。距离零点由电容崩溃点决定。在微小距离下，电容法能满足距离测量的要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种微小距离的测定方法，包括以下步骤：

（2）测量所述的平行板电容器的电容值；

Figure 2013103210079100001DEST_PATH_IMAGE002

2.如权利要求1所述的一种微小距离的测定方法，其特征在于，步骤（1）中，将靶膜和阻停膜分别加载到靶膜支架和阻停膜支架前，分别将靶膜和阻停膜展平，并保证两膜平行。

3.如权利要求2所述的一种微小距离的测定方法，其特征在于，采用压膜法将靶膜和阻停膜展平。

4.如权利要求3所述的一种微小距离的测定方法，其特征在于，步骤（2）中，在测量所述的电容值之前，对靶膜和阻停膜进行绝缘处理。

5.如权利要求4所述的一种微小距离的测定方法，其特征在于，步骤（2）中，通过数字电桥测量所述的平行板电容器的电容值。

6.如权利要求5所述的一种微小距离的测定方法，其特征在于，采用TH2817A型精密LCR数字电桥测量所述的电容值。

7.如权利要求6所述的一种微小距离的测定方法，其特征在于，平行板电容器与数字电桥通过雷莫线连接。

8.如权利要求6所述的一种微小距离的测定方法，其特征在于，平行板电容器与数字电桥通过单芯包络线连接。