精确测量机动车排放尾气中的超细颗粒物粒径分布, 对于大气污染和人体健康风险评估意义重大。基于之前研发的单极性荷电器、平板差分电迁移分析仪 (PDMA) 和法拉第杯静电计 (FCE) 等模块, 研制了一款便携式超细颗粒物粒径谱仪, 可实时监测机动车排放尾气中 20 ～ 500 nm 的超细颗粒物粒径分布。开展了自研粒径谱仪的标定实验, 结果表明该粒径谱仪所测得的粒径峰值与 TSI 3081A/3082 筛选出的 40 nm 和 100 nm 的单粒径颗粒物相差 ± 5% 以内, 同时所测得数浓度与毕加索 (Pegasor) 颗粒物数浓度监测仪 (PPS-M) 测得的数浓度相差 ± 10%。进而针对不同型号机动车进行了外场实验, 实验结果表明汽油和柴油机动车排放尾气中的颗粒物数浓度主要集中在小于 40 nm 的粒径范围。此外在与商业仪器的比对实验中, 自研粒径谱仪测得峰值的中值粒径为 20 nm, 商业化的静电低压撞击器 (ELPI) 测得峰值的中值粒径为 17 nm, 二者相差 15%, 表明二者具有良好的一致性。

通过优化设计法拉第筒的响应电阻和分布电感，在“ TPG700”平台上对无箔二极管阴极发射的环形电子束束流进行轴向测试。结果表明，无波二极管工作在低磁场 (<1 T)条件下，在二极管电压较低时，优化后的法拉第筒测试获得的电子束束流前沿较慢，随着二极管电压的升高，电子束束流前沿明显变快；在强磁场 (>2 T)条件下，法拉第筒测试结果与罗果夫斯基线圈测试结果一致。该结果表明，相比于罗果夫斯基线圈，法拉第筒更能准确地测试出无箔二极管的前向电子束束流。

在“剑光一号”上搭建了二极管平台, 理论估计了二极管阻值, 进行了平板二极管阻抗和束流分布测量实验。结合法拉第筒阵列测得的束流密度分布、粒子模拟 (PIC)仿真结果对二极管阻抗特性进行了全面的对比分析。结果表明, 二极管工作于弱箍缩状态, 阻抗阻值略低于估计值, 阻抗曲线、法拉第筒波形以及束流箍缩程度三者间存在高度的相关性。当阻抗曲线处在前端(导通前)和末期(崩溃段)时, 束流均处在未箍缩期间, 法拉第筒信号无有效数据; 阻抗曲线处在平区时, 二极管工作平稳, 束流箍缩情况和法拉第筒信号稳定, 阳极边缘处的法拉第筒波形呈现双峰, 与束流箍缩运动情况相符。

针对强电场中电场渗透的问题, 采用特殊的法拉第筒法测量脉冲束流强度: 在法拉第筒入口处用栅网屏蔽强电场, 并用在收集板上加正压的方式抑制二次电子。采用解析计算和数值模拟方式对栅网的形状进行了选择, 在同样的栅网丝宽和透过率的前提下, 通过正六边形栅网的渗透电场最弱, 因此选择正六边形栅网。将设计的法拉第筒用于一台真空弧离子源的束流强度测量, 获得了该离子源的束流强度波形, 其峰值流强约为550 mA; 利用测量结果计算了混合离子束在Cu收集板上的二次电子发射系数, 约为2.0。

研制了一种用于测量强流脉冲电子束束流均匀性的微型法拉第筒阵列, 其直径为22 mm, 由5个微型法拉第筒组成, 最大可测束流密度为38 A/mm2。利用该系统测量了二极管阳极靶面的束流密度, 得到了阳极靶面束流均匀性的分布情况。结果显示, 阳极靶面中心处束流密度高于靶面其他位置, 靶面束流存在弱箍缩, 束流局部均匀, 大面积不均匀, 束流密度呈径向分布。该结果与理论预期和仿真计算符合较好。

由于传统的离子抛光工艺采用的确定去除函数的方法操作复杂且成本很高, 本文提出了利用法拉第杯对离子束流空间分布进行测量、标定的方法, 并计算得到不同离子源工作参数对应的去除函数。首先, 基于离子束抛光材料去除原理, 研究了离子束抛光过程中束流分布与能量对去除函数的影响, 并提出简化的离子束抛光去除函数模型。然后, 设计实验并得出离子束流空间分布与去除函数相关参数间的关系, 计算得到了不同离子源工作参数产生的离子束流对应的去除函数。对硅和融石英玻璃的相关实验表明: 利用法拉第杯扫描结果计算相同材料的去除函数的单位时间体积去除率与实际测量值误差小于2%。结合抛光实验, 对Φ800 mm碳化硅表面硅改性层平面镜进行抛光, 得到的初始面形误差均方根(RMS)值为57.886 nm, 两次抛光后RMS值为11.837 nm, 收敛率达到4.89, 满足精密光学加工对去除函数的确定性及精度的要求, 并大大提升了确定去除函数的效率。

法拉第杯是加速器束流强度绝对测量装置，其收集效率对于法拉第杯的设计至关重要。应用蒙特卡罗软件FLUKA对北京正负电子对撞机直线加速器分析磁铁AM2处的法拉第杯进行模拟设计。给出了法拉第杯不同部位对收集效率的影响曲线，并给出了入射电子在法拉第杯中的能量沉积分布与带电粒子分布图，最终得到了优化的法拉第杯尺寸，使得对入射电子的收集效率达到99.73%。

利用ANSYS软件对测量行波管电子注截面的法拉第筒探头进行了热分析研究。分析了在单脉冲情况下，测量各种直径的不同脉冲功率密度的电子注、不同脉冲宽度对法拉第筒温度的影响，研究了测量不同功率密度的电子注可以使用的脉冲宽度。结果表明，仅法拉第筒上的注斑区域温度迅速上升，温度梯度较大，其它部分温度基本不变，为保证法拉第筒能够持续正常工作，在单脉冲情况下，对于功率密度大于5×106 W/cm2的电子注，需使用宽度小于0.5 μs的脉冲，最好是0.1 μs和0.2 μs的脉冲进行测量，与文献结果相符。测量一定功率密度的电子注，需选择合适的脉冲宽度。另外，考虑热量的累积效应，分析了脉冲重复频率对法拉第筒工作温度和散热情况的影响。结果表明，脉冲重复频率设为10~100 Hz是比较合适的。

采用束包络方程分析了单脉冲和多脉冲情况下回流离子对强流相对论电子束聚焦的影响。分析结果表明, 单脉冲情况下通过缩短焦距, 仍可以获得较小的积分焦斑, 而在多脉冲情况下回流离子将导致电子束完全散焦。通过数值模拟和实验研究了利用薄膜阻挡回流离子的可行性, 对不同薄膜在电子束作用下的温升及动力学行为的模拟结果表明, 在1.06 μs的时间尺度内, 薄膜虽然发生了不同程度的膨胀, 但是仍然有足够的材料可以阻挡离子回流。在神龙一号加速器上, 通过法拉第筒测量了靶前放置和不放置薄膜情况下的离子信号, 实验证实了薄膜至少能够将离子约束在薄膜和转换靶之间长达数十μs。

提出了一种可减小高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)系统体积的阵列式微法拉第筒离子检测器，该检测器具有结构简单、稳定性好、噪声小、量程大、可在大气压条件下工作等优点。阵列式微法拉第筒包括栅电极、敏感电极、屏蔽电极3部分，其中敏感电极由数十个直径为200 μm的硅圆柱交错排列而成。通过典型的MEMS工艺制作，法拉第筒与平板型FAIMS系统的MEMS工艺完全兼容。Fluent仿真结果表明，这种阵列式的设计，气体运动阻力较小，流场分布有助于载气中离子被充分吸收。与KEITHLEY 237电流表级联后，测得阵列式微法拉第筒的噪声水平在0.5 pA以下。对丙酮样本进行了实验测试，结果显示其输出信号为210 pA左右，表明该阵列式微法拉第筒满足FAIMS系统的要求。