乌克兰强流加速器条带靶截面探测器研制

乌克兰哈尔科夫物理技术研究所(KIPT)在建的100 MeV电子直线加速器,束流功率高达100kW,给拦截式条带靶束流截面探测器的电极选材带来巨大的困难。通过ANSYS有限元分析程序对探头与束流的相互作用进行模拟,得到了探头材料在1.2kW束流功率条件下的真空温升和受力、变形结果;通过初步的束流实验,观测了T300碳纤维束在束流作用下的信号情况,最终锁定用T300碳纤维束作为电极材料。这是国际上首次采用碳纤维束作为靶面电极。     

四杆型射频四极场加速器的极间电压调谐及测定北大核心CSCD

为了提高射频四极场加速器(RFQ)的束流传输效率,需要对纵向分布不均匀的极间电压进行补偿,并且准确测量束流实验中极间电压的绝对数值。考虑到极间电压分布不均匀是由于分布电容和端部效应造成的,而采用调谐块可以调节分布电感,通过电磁场数值模拟研究了调谐块对极间电压分布的影响,最终极间电压的平整度被调整到优于95%。在束流实验中,通过测量轫致辐射谱测定了极间电压的数值,通过束流动力学模拟研究了多能峰产生的原因,并最终标定了70kV极间电压对应的输入功率值284kW。     

强流质子加速器束流剖面分布及束晕测量系统设计

 针对一台用于加速器驱动洁净核能源系统研究、高占空比的强流质子加速器,开展强流质子直线加速器束晕产生的研究工作,其中的束流剖面分布特别是束晕部分测量的束流诊断系统是研究工作的核心内容。束晕的产生在低能量段尤其重要,且对整个直线加速器的设计有重要影响。介绍了研究束晕增长的束流输运线和测量系统的布局设计,并根据所研究的加速器束流的情况进行束流剖面探测器和束晕测量的设计和预研,包括丝靶材料的模拟计算和选择、机械驱动的控制系统设计和研究、前端模拟电路的设计和仿真模拟、以及整个系统与EPICS和VxWorks的计算机控制接口等。     

“三剖面”法对HIRFL束流发射度的测量

通过三个多丝剖面监测器测量漂移空间三点处的束流剖面,对HIRFL加速器横向束流发射度(_(12)C~(+6)束)进行了测量。文章给出了测量综合结果,并着重计算分析了“三剖面”法发射度测量中,三个探测器之间的距离、测量区间束腰的位置和束腰的大小对测量误差的影响,最后给出了测量最佳条件。     

兰州重离子加速器综述

兰州重离子研究装置(HIRFL)是由离子源,注入器(扇聚焦回旋加速器,SFC)和主加速器(分离扇回旋加速器,SSC)组成的。由离子源产生的束流经过注入器SFC的预加速后,通过前束流线注入到主加速器SSC,束流在主加速器加速到最大能量后,由后束流线送到各个实验终端。本文首先介绍了HIRFL的建造过程、束流特性和主要结构。然后描述了SSC和束流线的调束过程、调束方法及运行状态。最后展望了HIRFL广泛的应用前景。     

ESS靶前束流剖面及束晕监测器样机的研制

为了研究靶前高功率束流的物理特性，欧洲散裂中子源计划研制一套靶前多丝束流剖面监测器及束晕监测器样机，样机的在线测试将在日本质子加速器研究设施的3 GeV质子束传输束线上进行。针对此束线现场安装管道狭小、监测器样机传动机构行程大的特点，提出一种适用于小通道的多点定位多丝束流剖面探头，将其与束晕探头集成在一个样机上，结构紧凑，可实现双探头的独立驱动。使用ANSYS workbench对探头及传动杆进行了变形分析，完成了样机的研制，通过丝间距光学影像测量、真空检漏、小孔通过性测试及通断检测，确保了样机的可靠性。     

100 MeV强流质子回旋加速器束流调试靶系统

中国原子能科学研究院正在建造一台100 MeV,200 A的强流质子回旋加速器,需要使用束流调试靶来调试加速器,为此设计了一套束流功率为20 kW的质子束调试系统。对该系统的束流输运线、靶材料的选取、靶结构、水冷计算、屏蔽结构等作了介绍。给出了整条束流输运线的匹配计算结果;通过对质子打靶后的中子产额、角通量、靶的活化等方面的比较,最终选用铝作为靶材料;根据加速器引出束流能量和功率,设计了分层式靶结构,同时对靶进行了水冷计算;打靶产生的出射粒子平均能量较高,导致产生的辐射剂量很大,考虑到对环境与工作人员的影响及费用,需要对其进行局部屏蔽,给出了屏蔽计算结果及屏蔽结构的设计。     

光谱法测HT-7托卡马克诊断中性束的束成分

 实验测量了诊断中性束(DNB)中H0的4种主要能量成分(全能量，半能量，1/3能量，1/18能量)，运用光谱法来分析中性束的束成分所占百分数。根据多普勒效应，中性束中的氢粒子发出的Ha波长偏离本底的Ha波长，波长偏移量与氢粒子的能量相关，从而在光谱仪上得到多峰Ha谱线。通过编写程序并以此对实验的原始谱线进行了初步和精确拟合，最终准确有效地分析出中性束的束成分和束能量。实验测得DNB束流的中性氢粒子的全能量、半能量、1/3能量和1/18能量4种成分分别占15%,42%,35%,8%。     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

 3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源，在注入器束流调试中，首先通过数值模拟方法，初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围；然后以注入器出口束流波形为参考，通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置；再通过测量束流的剖面或发射度，在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置，并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV，流强为2.8 kA，归一化边发射度为1 040 mm·mrad，达到了预期的指标。     

ADS注入器II的5 MeV高能传输线的设计与搭建

ADS先导专项的注入器Ⅱ计划在将质子束通过一个Cryomodule加速到5 MeV后,进行10 mA连续束流的调试,以验证ADS低能段的强流超导直线加速器技术。为了将50 kW的束流功率沉积到束流垃圾站,需要搭建一条高能束流传输线,从超导段开始传输束流。采用两套三组合四极透镜控制束流包络及垃圾站的束流尺寸,利用诊断真空室进行水平和垂直发射度的测量。为避免束流产生的真空管道损伤,该传输线必须确保束流无损失地传输到垃圾站。A CW 10 mA,5 MeV beam commissioning of CADS Injector Ⅱ is planed recently to test the high power superconduction linac techniques.To transport 50 kW beam from linac to the beam dump,a high energy beam line (HEBT) line is designed and setup.Two Triplet are used to control the beam size along HEBT and at the beam dump.One diagnostics box is used for horizontal and vertical emittance measurement.To avoid damages to the vacuum pipe,beam should be transported to the beam dump without losses.The details of the HEBT design will be described in the paper.     

EAST中性束穿透损失分析

中性束注入(NBI)是托卡马克装置四种辅助加热手段(中性束注入、低杂波、离子回旋段波、电子回旋段波)中加热效率最高、物理机制最清楚的一种等离子体加热技术,是国际聚变界公认的最有效的辅助加热手段之一。为了探究EAST-NBI的穿透损失,通过对穿透损失率产生原理的理论分析,设计了具体硬件电路框图和实验方案,并通过实验验证了理论推导的正确性。具体做法首先通过对离子源束斑内中心点热电偶进行定量标定的方法作为穿透损失计算的标准。通过石墨瓦上热电偶单位能量下的温升与标定热电偶的温升之比来对穿透损失率进行计算。实验结果表明在一定的束能范围内,穿透损失率随着注入束能的增加而线性增长,穿透损失率随着等离子体密度增长呈指数衰减。     

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HT-7中性束诊断电源系统的计算机控制系统由PLC、工控机、逻辑控制和定时单元等组成。对起弧、束流引出等实验进行了研究。在多种参数下,通过调节弧压、进气量等观察了其对弧流的影响。初步实验结果表明,在高压35kV、弧流80A的情况下,束电流可以达到3.6A,引出的中性束流功率可以稳定地达到50kW以上。     

HL-2A装置NBI加热束线束光学特性

中性束离子源束光学特性直接影响中性束注入功率。通过理论计算和实验扫描的方式对引出束半宽度随导流系数的变化进行了研究。理论上, 采用IGUN程序对HL-2A装置的三电极引出加速器进行了束元轨迹模拟, 采用束几何光学计算程序对高斯束元进行叠加, 得到了在束线量热靶处引出束的1/e半宽度。实验上, 在放电气体为氘气, 弧放电电流分别为200, 300, 400 A时, 对引出高压进行扫描, 利用量热靶上的热偶测量了不同位置处的温升, 用高斯函数拟合得到引出束的分布和1/e半宽度。理论计算和实验结果都表明, 束半宽随着导流系数的增加先减少后逐渐增加。理论计算结果表明不同离子束流下的最佳导流系数值基本不变, 而实验上, 弧流为200, 300, 400 A时, 对应的最佳导流系数分别为1.6, 1.7, 1.85 P。     

光学薄膜测量时平顶光束激励的表面热透镜理论模型

推导了调制的平顶光束激励下基于Fresnel衍射积分的表面热透镜理论，通过数值模拟，比较了平顶光束和高斯光束激励下样品内部温度场、表面形变场和探测光衍射信号的径向分布，分析了影响表面热透镜信号的实验参数.结果表明，在最佳探测位置，平顶光束激励下的表面热透镜系统比相同情况下高斯光束激励下的灵敏度高，最高时约2倍，更有利于薄膜吸收测量. 关键词： 表面热透镜 光学薄膜 平顶光束     

Surface temperature measurements during ion bombardment

A copper constantan thin film thermocouple has been used to measure the surface temperature of a target during ion bombardment. Argon beams of 50–100 keV energy and 0–300 mwatt power have been used as heat source on a target in contact with a massive copper holder maintained at 80 or at 300K. The thermal contact has been changed from that ensured by the mechanical pressure of a metal spring to that obtained by gluing the target to the holder with a silver base paste. The surface temperature reaches a steady state value after about 150 s of bombardment and its maximum value depends on the beam power and on the quality of the thermal contact with the holder. Beam induced surface temperature increase as lar ge as 270°C are measured in the case of a bad thermal contact and for a beam power of 300 mwatt.     

Laser annealing process of ITO thin films using beam shaping technology

In this study, we develop a laser annealing system for In₂O₃Sn (ITO) to carry out heat treatment on oxides with high melting temperature on substrates with low melting temperature. It is known that the working temperature of traditional heat treatments is usually limited by the melting point of the substrate materials. To overcome this problem, we apply a laser annealing technique to modify the film properties, and to measure the electrical and surface properties, we use Hall measurement, a four-point probe, and an atomic force microscope in our experiment. We will discuss how the annealing is affected by the laser machining parameters, including the beam profile, intensity distribution, laser spot overlap, and laser operation mode. We will further show through experimental results that the beam profile greatly affects the surface roughness of the ITO films. With the use of a uniform beam profile with proper laser intensity, the surface roughness and the sheet resistance of the ITO films can be reduced from 23 nm to 4.2 nm and from 417 Ω/sq to 400.4 Ω/sq, respectively.     

强流电子束入射角二维分布测量方法

电子束与靶物质相互作用时的入射角测量是强流电子束热-力学效应研究中的难点问题. 提出了一种新的基于覆盖不同厚度衰减片微型法拉第筒阵列的电子束入射角测量方法, 与现有方法相比, 可获得具有时域特性和位置分布的强流电子束入射角分布. 以此方法进行了入射角二维分布(r, θ)测量实验, 结果表明, 电子束入射角二维分布与束流箍缩情况紧密相关. 如果箍缩不明显, 则电子主要在自身做回旋运动的同时沿着电力线运动, 多以垂直或者小角度(40°以下)轰击到阳极靶面; 如果箍缩明显, 受E×B漂移影响, 电子束入射角度会明显变大, 从40°以下增至60°左右.     

The TMX heavy ion beam probe

A heavy ion beam probe has been used to measure the radial space potential distribution in the central cell of TMX. This was the first beam probe system to utilize computer control, CAMAC instrumentation, and fast time response for broadband fluctuation capabilities. The fast time response was obtained using off-line processing of the energy analyzer detector signals and wideband transimpedance amplifiers. The on-axis space potential was found to be 300-400 V, with φ_e/T_ec~8. The radial potential profile is parabolic when gas box fueling is used. The frequency of observed fluctuations was found to agree with the E×B plasma rotation frequency during the discharge. The measured Tl⁺⁺ secondary ion current level is consistent with calculations, given reasonable assumptions for beam attenuation     

HL-2M装置中性束离子源束光学红外成像实验研究

为了研究HL-2M装置中性束注入(NBI)加热用的80kV/45A/5s热阴极离子源束光学特性，采用红外电荷耦合元件(CCD)成像技术，测量离子源引出粒子束轰击量热靶板产生的温度分布，得到束功率密度空间分布区间特征参数1/e半宽度。在NBI热阴极离子源调试平台上，扫描离子源的放电和引出参数，利用CCD红外热像仪获得了对应参数下量热靶上的束功率密度分布。实验结果表明，HL-2M装置NBI加热系统80kV/45A离子源可用的导流系数范围为0.7~1.5μP。同样导流系数下，梯度电极与等离子体电极的分压比较高时，引出束流的半宽度较小。     

Beam distribution reconstruction simulation for electron beam probe

An electron beam probe(EBP) is a detector which makes use of a low-intensity and low-energy electron beam to measure the transverse profile, bunch shape, beam neutralization and beam wake field of an intense beam with small dimensions. While it can be applied to many aspects, we limit our analysis to beam distribution reconstruction.This kind of detector is almost non-interceptive for all of the beam and does not disturb the machine environment.In this paper, we present the theoretical aspects behind this technique for beam distribution measurement and some simulation results of the detector involved. First, a method to obtain a parallel electron beam is introduced and a simulation code is developed. An EBP as a profile monitor for dense beams is then simulated using the fast scan method for various target beam profiles, including KV distribution, waterbag distribution, parabolic distribution,Gaussian distribution and halo distribution. Profile reconstruction from the deflected electron beam trajectory is implemented and compared with the actual profile, and the expected agreement is achieved. Furthermore, as well as fast scan, a slow scan, i.e. step-by-step scan, is considered, which lowers the requirement for hardware, i.e. Radio Frequency deflector. We calculate the three-dimensional electric field of a Gaussian distribution and simulate the electron motion in this field. In addition, a fast scan along the target beam direction and slow scan across the beam are also presented, and can provide a measurement of longitudinal distribution as well as transverse profile simultaneously. As an example, simulation results for the China Accelerator Driven Sub-critical System(CADS) and High Intensity Heavy Ion Accelerator Facility(HIAF) are given. Finally, a potential system design for an EBP is described.