中性束注入器电偏转系统的参数设计与估算研究

为EAST 装置中性束注入器设计了一套用于将剩余离子在线电偏转的结构,并对系统各设备的核心参数进行了估算。在4.41kV 偏转电压作用下,该电偏转系统可提供80keV 氘离子束偏转所需的偏转电场。在偏转电场调制情况下,该电偏转系统可有效降低极板表面的热负荷,进而满足EAST 中性束注入器稳态运行的需要。     

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为EAST装置中性束注入器设计了一套用于将剩余离子在线电偏转的结构,并对系统各设备的核心参数进行了估算。在4.41kV偏转电压作用下,该电偏转系统可提供80keV氘离子束偏转所需的偏转电场。在偏转电场调制情况下,该电偏转系统可有效降低极板表面的热负荷,进而满足EAST中性束注入器稳态运行的需要。     

高能光源增强器束流横向尺寸测量系统设计

高能同步辐射光源的增强器将直线加速器注入的束流加速到储存环所需的能量,为储存环提供高品质的电子束。为了对增强器的束流横向截面尺寸、发射度及能散进行测量,设计了两条可见光-紫外波段的束测光束线。两条光束线分别选取无色散和色散较大的两处弯铁位置作为光源点,使用两套同步光成像系统来监测光源点的束流截面尺寸,并计算束流发射度及能散。介绍了同步光引出真空室及光学成像系统,对影响成像质量的空间分辨率进行了分析,并针对升能过程中不同能量下束流光斑变化的测量进行了设计。     

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

加速器束流诊断技术的新进展

介绍了加速器束流诊断技术的新进展, 包括束流位置测量技术、束团横向尺寸测量技术和束团长度测量技术. 束流位置测量技术主要介绍具有高位置分辨率的腔型束流位置检测器和数字束流位置处理技术. 束团尺寸测量技术主要介绍高空间分辨率的激光丝扫描器、光学渡越辐射和光学衍射辐射技术. 束团长度测量技术主要介绍高时间分辨率的相干辐射光谱技术、RF横向偏转腔、RF零相位技术和电光采样技术.     

束流在270°偏转磁铁系统输运过程中的损失计算

为计算医用加速器中束流经过270°偏转磁铁系统电子损失所造成的辐射剂量问题,将束流传输相应的计算公式和蒙特卡罗抽样方法相结合,在一阶近似条件下计算了电子在偏转系统中的输运过程,分析了不同初始条件对电子输运和电子损失的影响;模拟结果表明能散是产生电子损失的主要因素之一.计算得到了损失电子所处位置、能量和飞行方向等信息,把计算得到的信息作为蒙特卡罗程序的输入源,进一步计算出束流损失所产生的辐射剂量分布,从而能更完善地设计医用加速器照射头的屏蔽.文中给出在电子束初始半径为1mm、散角为5mrad、能散为10%条件下电子损失率为13.5%,损失电子主要是向加速器照射头部上方辐射出去.     

EAST-NBI磁偏转系统束传输特性模拟研究

根据EAST-NBI偏转系统工作原理,分析了束流在偏转系统传输的基本过程和特点。利用直接蒙特卡罗方法,发展了中性束注入器束偏转区域束流传输模拟程序。结果显示:EAST-NBI磁偏转系统可很好地剥离束流中的剩余离子;束偏转区域束流再电离损失约为2.43%;束流180°偏转所带来线聚焦过程使偏转磁体磁极护板局部面临较高的热流密度。     

束流在270°偏转磁铁系统输运过程中的损失计算

为计算医用加速器中束流经过270°偏转磁铁系统电子损失所造成的辐射剂量问题, 将束流传输相应的计算公式和蒙特卡罗抽样方法相结合, 在一阶近似条件下计算了电子在偏转系统中的输运过程, 分析了不同初始条件对电子输运和电子损失的影响；模拟结果表明能散是产生电子损失的主要因素之一. 计算得到了损失电子所处位置、能量和飞行方向等信息, 把计算得到的信息作为蒙特卡罗程序的输入源, 进一步计算出束流损失所产生的辐射剂量分布, 从而能更完善地设计医用加速器照射头的屏蔽. 文中给出在电子束初始半径为1mm、散角为5mrad、能散为10%条件下电子损失率为13.5%, 损失电子主要是向加速器照射头部上方辐射出去.     

SFC的新的轴向注入束流线

为了满足HIRFL-CSR对注入器SFC的束流强度和品种的越来越高的要求, 兰州重离子加速器国家实验室在研制超导ECR离子源的同时, 设计了一个新的SFC的轴向注入束流线. 这个系统可以分别使用现有的常规ECR离子源和新建造的超导ECR离子源, 期望把从C到U的各种离子的能量和束流强度提高到一个新的水平. 这个系统由二极磁铁, 四极透镜, GLASSER透镜, 螺线管, 螺旋形静电偏转器和两台丝网型线性聚束器组成. 在总结现有系统运行经验的基础上,无论在横向还是纵向, 其性能结构都做了必要的改进. 文章给出了新系统的设计思想, 系统的布局结构和束流光学计算结果, 并对进一步提高聚束效率和聚束器的改进设计作了简要的描述. 目前, 系统正在安装中.     

光学渡越辐射测量中能量分辨精度分析

 基于光学渡越辐射原理的用于高能强流电子束束流参数在线测量及诊断系统,具有时间响应快、分辨率高等特点,可以测量电子束的束剖面、发散角、能量等多个参数。分析了测量系统的结构参数（包括了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸）对电子束能量测量精度的影响,并在理论上模拟了电子束的发散角的影响。还根据系统数据的特点,阐述了数据噪声对能量测量结果精度的影响,指出了光学渡越辐射测量中电子束能量分辨精度受到多种因素的影响,需要在数据处理时考虑修正。     

五角棱镜角度误差对建立大尺寸平面基准的影响

用一准直光束作为基线，通过９０°折转的五角棱镜扫描，建立一个参考基准面在大尺寸测量中是一种行之有效的方法。在理想条件下，五角棱镜的折转角不受入射角的影响。由于有加工误差，光束的折转角将偏离９０°，且入射光线与扫描轴间的角运动也会影响该偏转角。本文分析了五角棱镜角度误差和扫描精度对光束折转角的影响。结果表明，五角棱镜的制造误差和工作状态将引起测量带误差，该误差是一个固定的系统误差，可以通过预先对所用的五角棱镜进行标定，在数据处理中予以修正。实验结果表明，修正后的结果具有很高的精度     

Optimal x-ray beam formation using a focusing mirror at the Langmuir synchrotron station

A beam focusing method is proposed for the Langmuir station of the Kurchatov synchrotron radiation source. This method can be implemented during experiments on recording the fluorescence yield intensity as a function of the angle between an incident beam and a sample surface. The x-ray beam is focused by a cylindrical mirror in such a way that the dimensions of the spot illuminated by the beam on a Langmuir film remain within the input angular aperture of an energy dispersive detector during scanning in the angle of incidence. The relationships for calculating the dimension of the illuminated spot in the scattering plane and the angular divergence of the focused x-ray beam are derived taking into account the dimension of the synchrotron radiation source and spherical aberration. Recommendations for optimizing station parameters and experimental conditions are presented.     

探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响

 光电装备的光学窗口对入射激光有较强的反射特性，即猫眼效应现象。为了研究利用猫眼效应来进行主动探测的适用条件，弄清探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响，建立了斜入射猫眼效应反射模型，分析并仿真了探测激光在目标系统处的入射角不同的情况下的后向反射激光特性，以及探测系统所能够接收的原路返回激光的远场能量分布情况。结果表明：对于特定的目标系统，猫眼效应现象只存在于一定的探测激光入射角范围之内，在此范围之内，猫眼效应反射特性与探测激光的入射角关系密切；基于猫眼效应的激光主动探测、定位等应用也是可行的。     

猫眼效应中离焦量对激光回波发散角的影响

平行光束或者激光束在光轴方向上照射焦平面成像系统时会产生猫眼效应,焦平面探测器安装的正交性与离焦量直接影响猫眼回波的光学特性,进而影响基于猫眼效应的探测系统的性能。针对猫眼效应中离焦量与后向反射光束发散角之间关系,利用物理光学进行分析,建立理论模型,对焦距为0.18 m的焦平面探测成像系统进行数值计算得到:在离焦量为0.16 mm时,发散角最小（0.019 mrad）。搭建实验系统,测试离焦量与猫眼回波发散角,测得离焦量在0.15 mm附近存在最小的发散角为0.025 mrad,与计算结果0.019 mrad基本吻合。研究表明:1） 负离焦对发散角的影响大于正离焦;2） 猫眼回波发散角基本上随着离焦量绝对值的增加而变大,但是变化曲线并不关于零离焦量点对称,而是在某个正离焦处存在一个最小发散角。     

一种新的消色差等时性磁偏转系统

描述了一种新的消色差等时性磁偏转系统．它由二个反对称的预偏磁铁和一个主偏磁铁构成。根据六维传输矩阵导出了系统的消色差和等时性关系式．该系统具有优良的消色差性、等时性和良好的聚焦特性。这种结构紧凑的三磁铁偏转系统适用于自由电子激光器的束流传输。     

强流离子束流聚焦状态的数值模拟

结合空间电荷透镜的原理图以及离子束流的磁流体运动方程对离子束流聚焦状态进行了理论研究。采用层流非碰撞模型数值计算了离子束流不同初始半径以及不同入射角的束流出射角、焦距以及最小焦斑半径。理论分析了能散度、色散像差等因素对束流最小焦斑半径的影响。在离子束流遵循能量和角动量守恒的原则下,对不同入射角度的离子束流的束流最大半径进行了模拟计算。研究表明,束流入射角度增大,会聚角和最小焦斑半径减小,焦距增大。束流半径增大,会聚角、焦距和最小焦斑半径都增大。最佳会聚角所在的平滑区域内束流的发散度以及能散度对最小焦斑半径的影响较大。束流发散度或者能散度的增加,都能导致最小焦斑半径的增大。入射角度绝对值相同的束流,束流最大半径相同。     

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The ion beam focused state is studied theoretically by combining the schematic of the charge lens in space and the magnetohydrodynamics equation of the ion beam. The theory applies laminar flow of non-collision model to calculate a series of parameters, such as the initial radius, the emergence angle, the focal length and the minimum radius of the focal spot. The effects of energy divergence and dispersion differs on the minimum radius of the focal spot are analyzed theoretically. Finally, in line with the principles of the conservation of energy and angular momentum, the maximum radius of the beam in view of different incidence angles of the ion beam are calculates. The results show that with the increase of incident angle, the confluence angle and the minimum radius of the focal spot will reduce, and the focal length will increase. Besides, when beam radius increases, the parameters above will increase. The minimum focal spot radius, within the smooth area, is in close relationship to the energy divergence and the divergence. The larger energy divergence and the divergence become, the larger the focal length will be. Besides, beam divergence with the same incidence angle will show common character on the maximum radius.     

激光引信中半导体激光器的准直及其测试

在理论上分析了单级单透镜光学系统对激光高斯光束发散角的影响。用单个平凸透镜对激光引信中的半导体激光器进行了准直，达到了激光引信光束准直的要求。通过CCD成像方法对准直后的光束发散角进行了测量，利用二阶矩算法计算出光束发散角。实验测得2个方向的发散角分别为θx=7.03°和θy=0.69°，验证了准直系统达到激光引信要求的θx＜10°和θy＜1°技术指标。     

低能电子在外层导电屏蔽的玻璃锥管中的传输

采用新的具有常数锥角的玻璃锥管,并对玻璃锥管进行了外表面导电屏蔽,通过对电子穿越玻璃锥管的二维角分布随时间演化的观测,研究了低能电子与玻璃管相互作用的机制.发现电子穿越完全放电的玻璃锥管时穿透率先下降后平稳,整个过程中角分布中心发生微小移动,但角分布的半高宽几乎保持不变.这与我们之前发表的工作(2016 Acta Phys.Sin.65 204103)不同,这是由于对玻璃锥管进行外表面导电屏蔽会阻止外界不确定的快速充放电的影响,并形成了新的稳定放电通道,有利于实现电子的稳定穿透.电子的穿透率随倾角呈类似矩形的分布,透射电子的角分布中心伴随倾角的变化而移动,其穿透所容许的倾角与几何穿透一致.