神龙二号加速器及其关键技术北大核心CSCD

神龙二号加速器是一台以M H z 猝发率猝发工作的三脉冲直线感应电子加速器.该加速器输出的三脉冲电子束,相邻两脉冲间最小时间间隔300 n s ,而且可调,每个脉冲电子束的电子能量1 8 -20 M e V 、束流强度大于等于2 k A .当电子束与轫致辐射转换靶相互作用时,可产生三个强X 光脉冲,X 光斑点尺寸小于等于2 m m （ F W H M ）,距靶1 m 处照射量大于等于7 . 7 4 × 1 0^- 2C /k g （ 0 0 R ）.该加速器涉及的主要关键技术包括三脉冲功率源设计、三脉冲强流高品质电子束源的产生、加速场建造、束流传输线设计、轫致辐射转换靶设计、测量与诊断技术等.     

高能多脉冲辐射照相的复合靶物理分析

 介绍了电子束与钽靶相互作用的能量沉积解析理论和（钽-碳）复合靶的设计。单靶的某个区域内形成的高温等离子体沿轴的2个方向(±z)溅射而使单靶穿孔,大焦斑束形成较小的孔,小焦斑下靶孔较大而相对光滑。复合靶或修正复合靶可以经受2~3个束脉冲的连续照射。蒙卡模拟计算表明,复合靶或修正复合靶的焦斑尺寸与单靶相同,可用于多脉冲闪光照相。     

轫致辐射转换靶破坏过程诊断

直线感应加速器能够产生一个高功率、强流脉冲电子束,该电子束与轫致辐射转换靶作用可以产生一个脉冲的、强剂量的X光,同时会对轫致辐射靶本身也造成烧蚀破坏,甚至洞穿。设计研制了一套激光探测系统,对神龙一号加速器上的轫致辐射靶进行了诊断,得到了0.4 mm钽靶的破坏穿孔开始时刻在电子束打靶后约240μs处,整个靶穿孔过程持续时间可达1.5 ms。     

叠靶研究

 直线感应加速器（LIA）产生的高能、强流电子束与轫致辐射靶作用能够产生具有高剂量、小焦斑的X光，但伴随产生的回流离子会导致电子束束斑变大与X光分辨率降低，在多脉冲情况下更会影响到后续电子束的束靶作用等。叠靶结构能够增大束靶作用的立体空间，降低在靶面的能量沉积，可有效抑制回流离子的产生。对叠靶结构模型进行了理论计算与实验研究，并与单靶情况相比较，证实了在两种靶结构下所得到的X光照射量大小与角分布基本相同，但对于叠靶情况下靶面没有出现烧蚀现象，从而从根本上抑制了由靶面产生回流离子而对束流产生的过聚焦效应。     

“神龙一号”直线感应加速器物理设计

 介绍了 “神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器，由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA，脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束，X光焦斑均方根直径为1.5mm。     

电子束在微束斑X射线源中运动轨迹的计算

轰击金属靶面的高能电子束束斑大小,是决定微束斑X射线源最终X射线束斑尺寸的关键因素之一.当LaB₆晶体阴极发射电流为60μA时,采用5点不等距有限差分法(FDM)计算了整个仪器内旋转对称电子光学系统电场的分布,并利用Runge Kutta法从LaB₆阴极发射端面开始追踪了电子束在整个系统内部的运动,经计算,聚焦在靶面上的电子束斑直径约为600~1000nm.     

4 MeV闪光X光机轫致辐射靶设计

对4 MeV闪光X光机的轫致辐射靶参数进行了设计和模拟计算。利用蒙特卡罗程序,计算得到当轫致辐射靶的有效钽靶材厚度约为0.6 mm时,靶正前方1 m处产生的单脉冲X光的照射量值最大,可以达到约2.86×10－3 C/kg,满足4 MeV闪光X光机对其单脉冲X光的设计要求。对不同能量下的单脉冲电子束加载在轫致辐射靶上的能量沉积密度进行了计算和比较,分析研究了不同结构下的靶破坏,结果表明:轫致辐射靶采用叠靶结构的钽靶能够满足4 MeV闪光机的实验需求。     

电子束放射照相的特性与参数优化

短脉冲强激光产生的电子束具有源尺寸小、脉宽窄、准单能谱等特点, 在放射照相诊断中具有独特作用. 本文通过分析电子在材料中散射并采用蒙特卡罗方法数值模拟, 研究了100 keV到几百MeV能量电子束对有厚度起伏或存在界面的靶的透视, 并与质子、X射线束透视结果比较, 给出了电子束放射照相的特性与参数优化: 基于电子在材料中非弹性散射或能量损失, 选用能量使其射程与靶厚度接近的电子束来诊断靶厚度不均匀性; 基于电子在材料中的弹性散射, 选用射程超过靶厚度的电子束来诊断靶界面.     

用高速显微摄影技术测量神龙一号上回喷靶材速度

用高速显微摄影技术对强流脉冲电子束轰击钽金属靶的过程进行了研究,获得了“神龙一号”加速器上靶材回喷过程的实验图像.实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束的作用下,有强烈的热释光现象产生,靶材的回喷粒子的轴向速度可达4.7 mm/μs.     

影响X光源特性的参数研究

针对高能电子束撞击重金属靶产生轫致辐射光子, 利用蒙特卡罗方法详细研究了电子束半径与发射度以及靶的厚度对X光源特性的影响. 结果表明：电子束半径与发射度不仅是影响照射量的主要因素, 也是造成照射量分布不均匀的主要原因; 给定电子束, 存在一个靶厚度使得靶前1 m处的照射量最大. 因此, 在X射线成像系统的设计和模拟过程中, 应综合考虑电子束半径与发射度和靶厚的影响.     

针孔法测量X光源焦斑尺寸

通过针孔成像法得到X光源强度空间分布图像,直接读取图像数据得到X光源的半高宽焦斑（FWHM）尺寸,对图像数据进行傅里叶变换得到调制传递函数,并计算得到X光源的等效焦斑尺寸（50%MTF）。应用针孔成像法测量多脉冲电子直线感应加速器产生的X光源焦斑尺寸,测量结果表明,加速器性能稳定。定义焦斑形状因子参数并用于描述X光源分布,结果表明,该加速器X光源分布在高斯分布和本涅特分布之间变化。     

狭缝法测量X射线斑点大小

 应用狭缝光阑成像法测量X射线斑点大小，通过狭缝成像获得光源的线扩展函数和调制传递函数MTF，而后从MTF为0.5所对应的空间频率之值确定出光源的光斑大小。应用该方法测量得到12 MeV 直线感应加速器(LIA)X射线斑点大小为3.2 mm，及磁透镜在不同焦距下的X射线斑点大小。该项测量为12 MeV LIA电子束聚焦调试实验提供有效判据。     

激光高能X射线成像中探测器表征与电子影响研究

基于激光尾场加速电子的高能X射线源具有高光子能量与小源尺寸的特点,在高空间分辨无损检测方面发挥着十分重要的作用.在X光机上测量了CsI针状闪烁屏、锗酸铋(BGO)闪烁阵列与DRZ闪烁屏的本征空间分辨率,并模拟了三类探测器对高能X射线的能量沉积响应,其中CsI针状闪烁屏的空间分辨率高达8.7 lp/mm.采用Ta转换靶产生的高能X射线开展透视照相,能够分辨最高面密度33.0 g/cm~2的两层客体结构.开展了X射线照相、X射线与电子混合照相以及电子照相三种情况的比对实验,在X射线产额不足或探测效率不够情况下采用X射线与电子混合透视照相的方案,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像信号强度.     

厚靶轫致辐射特性的数值模拟研究

X光机正朝高能强流方向发展.这些装置中普遍采用mm厚度的重金属厚靶,其辐射特性和各种参数间的规律受到关注.本文采用基于蒙特卡罗法的EGS4程序比较全面的研究了高能X光机中所关心的靶厚度的选择、轫致辐射场的角分布和X射线能谱的规律.同时还专门就X光强度和束流发射度、打靶焦斑尺寸三者的依赖关系进行分析,结论表明针对现有的X光机参数,不用担心因追求小焦斑而带来X光照射量的损失。文中还分析了强束流条件下单粒子蒙特卡罗模拟程序的适用性.文中结论和已有实验结果吻合,对实际工作具有意义.     

Consideration of Femtosecond Radiation Generation on NewSUBARU Storage Ring

We studied on realization of short pulse gamma ray and X-ray simultaneously induced by a femtosecond laser on NewSUBARU storage ring. Based on the fact that the transverse dimensions of electron beam are much shorter than the longitudinal one, the laser light is arranged to collide the electron beam at a right angle to generate femtosecond pulse gamma ray, furthermore, the modulated part of the electron bunch gives rise to short pulse X-ray by synchrotron radiation from a downstream bending magnet. The temporal characteristic of the radiation is analyzed in this paper, as well as the performances are estimated.