神龙二号多脉冲电子束束参数的时间分辨测量技术

神龙二号是一台三脉冲强流脉冲电子束直线感应加速器,就其多脉冲的电子束束参数的测量而言,基本要求是单个脉冲可分辨,进一步的要求是脉冲内时间可分辨。基于光学渡越辐射原理及瞬态发射度测量系统原理,发展了一种束斑与发散角可以分开测量的光学布局结构,结合多台高速分幅相机,成功研制了一套完整的多脉冲电子束束参数的测量系统,其特点是灵活的组合测量方式,全面满足了神龙二号复杂艰难的调试及参数测量工作要求。测量系统最高时间分辨测量能力达到约2 ns的水平,单个脉冲可以获得至少8个时间分辨的束参数测量结果。     

回流离子对强流相对论电子束传输的影响

 介绍了采用双膜法测量神龙一号直线感应加速器靶区回流离子效应的实验工作,通过一片厚度数十μm的靶膜产生回流离子,并采用基于光学渡越辐射的电子束剖面测量系统记录时间分辨的束斑,首次证实了神龙一号加速器靶区存在回流离子。通过采用不同材料的靶膜,实验观测到了不同离子发射情况下回流离子对强流相对论电子束传输的影响,结果发现采用金属靶膜时,回流离子导致电子束部分汇聚、部分发散,而采用聚合物薄膜时,回流离子会导致电子束剖面出现剧烈的变化。     

强流电子束加载下Ta,Al,Cu的温度测量

利用六波长瞬态光学高温计测量了"神龙一号"加速器发射的高能电子束与靶材作用后靶受作用区的温度变化过程。获得了厚度为0.1~0.25mm的Ta,Al和Cu片靶与强流电子束作用后的温度变化过程,最高温度接近9000K,达到了温密物质区域。实验结果表明,利用"神龙一号"加速器发射的强流电子束与特定靶材作用可以获得可供观测的温密物质,而多波长瞬态光学高温计是测量这种温密物质的温度变化的有效手段。     

神龙二号热阴极注入器束流调试

神龙二号注入器是一台感应叠加型强流脉冲电子束源,采用热阴极工作模式,为神龙二号加速器提供间隔可调的三脉冲电子束。该注入器的束流调试采取PIC模拟和实验调试交互验证、互相促进的方式,先是通过束斑测量确定引导线圈磁场的加载范围,然后通过PIC方法逐级梳理阳极段束线各线圈的磁场配置,再通过束斑测量加以确认。通过这种束流调试方法,获得了保持束流脉冲平顶完整通过的三种磁场配置,以适应下游加速段束流传输的不同要求。讨论了影响束流调试效果的因素,认为提升神龙二号注入器性能的关键是进一步改进大面积热阴极发射的均匀性。     

三种高密度强流束亮度测量技术

利用已经建成的4 MeV LIA注入器,结合时间分辨测量系统研究了三种测量技术:发射度测量法、无场准直器和磁场准直器测量法。介绍了强流束亮度定义和典型方法理论分析及测量技术的物理概念,提出了用于猝发多脉冲电子束发射度测量装置的设计与调试,通过对时间分辨测量系统的分幅相机记录的光强度分布信息处理,得到电子束束斑均方根半径和发射角,分析某一时刻数据,即可得到电子束某一时刻发射度,从而获得多脉冲电子束时间分辨发射度。在4 MeV LIA注入器上对多脉冲电子束流的发射度进行测量,得到电子束归一化均方根发射度约为114 mmmrad、双脉冲456 mmmrad的归一化发射度。最后结合电子束的高斯分布初步分析并给出均方根发射度、实测发射度和边发射度的关系。     

神龙一号电子束质心运动测量研究

 在强流直线感应加速器中，电子束质心位置的控制是一项重要技术，要达到较好的控制效果，前提是对电子束质心位置进行准确的测量和定位。针对具有时间分辨的电子束质心位置的测量和确定，介绍了测量实验系统的建立和数据处理两个方面的研究工作。该处理方法在实际应用时能够将电子束质心位置的误差控制在1～2个像素内。用高速分幅相机以10 ns的时间间隔、3 ns的曝光时间获得了神龙一号加速器在漂移段出口处的电子束质心运动情况。结果表明：束的质心主要在半径为0.5 mm的区域内运动，束斑直径dFWHM值分别为8.4，8.8，8.5，9.3和7.6 mm，测量结果可以为束的调控提供准确参数。     

具有时间分辨能力的强流电子束束剖面测量系统

 高能强流电子束的束参数测量是加速器研制过程中重要的一项测量工作，由于光学渡越辐射具有时间响应快、分辨率高等特点而被用于测量电子束的具有时间分辨能力的束剖面、发散角、能量等多个参数；通过电子束束参数的时间分辨测量则能够了解电子束产生、输运中的问题，非常有利于加速器的研究与调试。一种具有时间分辨能力的、利用光学渡越辐射进行高能强流电子束束斑测量的系统在中国工程物理研究院被建立起来，并在12 MeV LIA的电子束束斑的测量中用于电子束传输研究，该系统拍摄图像的间隔时间最小为10 ns，最小的曝光时间为3 ns，具有一次可以拍摄8幅图像的能力，并获得了12 MeV LIA约100 ns内相应的时间分辨的束斑变化情况，观察到了一些过去未观察到的现象，为加速器的研究提供了又一个新测试方法。     

电子束发散角的直接测量技术模拟研究北大核心CSCD

切伦科夫辐射是一种方向性极好的辐射,其辐射能量发射方向严格地与带电粒子的运动方向相关,辐射光携带了带电粒子的方向信息,利用这种特性可以进行电子束发散角及其分布的测量。在基于切伦科夫辐射原理的基础上,考虑电子与物质作用时的多重库仑散射、电离等效应,进行了电子束发散角测量的蒙特卡罗数值模拟程序的建模工作,并完成了理想电子束及具有发散角分布的电子束的测量技术模拟工作。大量模拟结果显示,这种测量方法是可行的,具有对电子束发散角分布进行直接测量的能力,并且其测量系统结构简单。     

利用切伦科夫辐射进行电子束发散角及分布概况的测量技术研究

针对切伦科夫辐射特点,采用厚度尽量小的石英薄片作为转换靶,并将电子束以切伦科夫辐射角入射转换靶的形式构成一种电子束发散角分布的测量布局,并基于焦平面成像原理,研制了相应的电子束发散角光学测量系统。在强流脉冲直线感应加速器上完成了装置研制和测试工作,显示了电子束发散角分布测量系统可以获得电子束一定方向上的散角分布概况,测量结果具有一定的可信度,具有装置结构简单、数据处理难度低及速度快等特点。     

利用切伦科夫进行电子束发散角测量的模拟研究北大核心CSCD

利用切伦科夫辐射方向性极好的特性进行电子束发散角的测量是一个比较有希望的方法,但转换靶材料对电子的库伦作用力等因素又使得电子束散角展宽,对发散角的测量产生影响。在将转换靶划分成多重薄片并以串联的形式构建了靶模型,考虑了库仑力、多重散射、轫致辐射、电离等全物理过程作用效果的情况下,利用蒙特卡罗模拟软件相关程序对电子在靶材料中的发散过程进行了仿真。基于电子束散角分布与切伦科夫辐射光子分布相对应的原理,完成了对电子束发散角测量技术的模拟,获得了转换靶材料及其厚度、电子束能散、测量系统光学带宽等对电子束发散角测量的影响规律,为测量系统的设计及数据反演处理工作提供了指导性的建议。模拟结果显示,基于切伦科夫辐射进行电子束发散角测量的方法具有可行性,具有一定的对电子束发散角分布进行测量的能力。     

神龙一号参数测量用高速两分幅相机

采用长焦距镜头的后工作空间全口径分光原理,利用门控型像增强器、CCD相机、基于大规模可编程集成电路的高速快门控制触发系统等部件,研制了具有较高时间分辨能力和高灵敏度的两分幅高速相机,并在此基础上建立了束参数的高速测量系统。两分幅相机的最高快门速度约3 ns,幅间间隔时间则具有以0.5 ns的步进进行调节的能力;快门时间及幅间间隔时间可以分别独立调节,最大可到1 s;同时具有较好的线性度和空间响应的均匀性,等效背景噪声低到约5 electronspixel-1s-1,并且分幅相机灵敏度调节范围大。该系统一次可以拍摄两幅图像,图像阵列可达到1 0241 024,满足神龙一号的各种测量要求。     

Instantaneous electron beam emittance measurement system based on the optical transition radiation principle

One kind of instantaneous electron beam emittance measurement system based on the optical transition radiation principle and double imaging optical method has been set up. It is mainly adopted in the test for the intense electron-beam produced by a linear induction accelerator. The system features two characteristics. The first one concerns the system synchronization signal triggered by the following edge of the main output waveform from a Blumlein switch. The synchronous precision of about 1 ns between the electron beam and the image capture time can be reached in this way so that the electron beam emittance at the desired time point can be obtained. The other advantage of the system is the ability to obtain the beam spot and beam divergence in one measurement so that the calculated result is the true beam emittance at that time, which can explain the electron beam condition. It provides to be a powerful beam diagnostic method for a 2.5 kA, 18.5 MeV, 90 ns (FWHM) electron beam pulse produced by Dragon I. The ability of the instantaneous measurement is about 3 ns and it can measure the beam emittance at any time point during one beam pulse. A series of beam emittances have been obtained for Dragon I. The typical beam spot is 9.0 mm (FWHM) in diameter and the corresponding beam divergence is about 10.5 mrad.     

Dragon-I Linear Induction Electron Accelerator

Dragon-Ⅰ is a linear induction electron accelerator. This facility consists in a 3.6MeV injector, 38 meter beam transport line and 16MeV induction accelerator powered by high voltage generators, including 8 Marx generators and 48 Blumlein lines. This paper describes the physics design, development and experimental results of Dragon- Ⅰ. The key technology is analyzed in the accelerator development, and the design requirements and operation of the major subsystems are presented. The experimental results show Dragon-Ⅰ generates an 18—20MeV, 2.5kA, 70ns electron beam. The X-ray spot size is about 1.2mm and dose level about 0.103 C/kg at 1 meter.     

双轴准直测量调节系统

根据"神龙一号"和"神龙二号"两台直线感应加速器的直线性偏差不超过±0.2 mm、角度误差不超过±2″和高程误差不超过±0.2 mm的总体精度要求,分析了影响准直安装精度的主要因素和误差限定值;确定了采用激光跟踪仪、全站仪和水准仪相结合,建立包括大六边形网和小四边形网两个层次的高精度控制测量网;再通过专门设计的串并联精密调节机构,依据合理的准直安装工艺达到准直安装的精度要求。经过在"神龙一号"直线加速器准直安装的验证,此方法满足精度要求。     

直线感应加速器输运磁场遗传算法优化

以直线感应加速器（LIA）匹配磁场设计和束线调谐为背景,提出解决强流相对论电子束长距离、小波动、多元件磁约束的输运优化问题的数值优化办法,建立基于遗传算法的优化程序。结合束质心轨迹及束包络耦合模型,设计描述束传输半径波动大小的评价函数,采用励磁元件馈入电流为优化对象,解决LIA磁场配置组合爆炸优化问题。计算结果表明:优化程序可依据不同的初始束流,有针对性地快速给出一组符合束输运要求的励磁电流配置。研究成果为在建的LIA装置束线调谐提供一种重要的数值分析工具。     

神龙一号轫致辐射靶靶区回流离子测量

神龙一号直线感应加速器(LIA)产生的强流高功率的脉冲电子束与X光转换靶作用后可以产生高剂量的X光,同时由于转换靶的被烧蚀破坏在靶面产生回流离子,该回流离子的存在影响到电子束的聚焦。设计了4套法拉第筒及其对应的偏压电路,法拉第筒被放置在神龙一号X光转换靶上游不同位置,分布在电子束轴线两侧,电路设计最高偏压为1 kV;对神龙一号LIA的X光转换靶面产生的回流离子进行了实验测量,分别得到回流正离子密度约在1021/m3,离子运动速度可达2～3 mm/s。计算比较表明,该离子流强度与神龙一号靶前电子束流相差很大,只有电子束流强的0.27%,对神龙一号电子束聚焦不会造成影响。     

Development of Beam Transport System of “Dragon-Ⅰ”LIA

The development of beam transport system of “Dragon-Ⅰ” linear induction accelerator(LIA) and the achievements are introduced in this paper. Along with the designs of many key elements such as solenoid coil, dipole steering coils, and multi-functional cavity, several research items including measurement of magnetic axis, alignment, layout and beam tuning are also described respectively. The experimental results indicated that the design of whole beam transport system is successful. In the end of the paper, some suggestions are given for the future work.     

高能X射线源焦斑尺寸的时间分辨诊断

将门控分幅相机与快闪烁晶体结合,构成时间分辨X射线诊断系统,对神龙一号直线感应加速器产生的高能脉冲X射线源焦斑进行了测量,在时间间隔为10 ns的情况下,获得了焦斑尺寸随时间的变化曲线。在此基础上,设计了单像素尺寸为0.78 mm×0.78 mm的LYSO闪烁晶体阵列,并进行了X射线照射晶体阵列发光的初步实验,结果表明该阵列可用于高能X射线源焦斑的时间分辨诊断,并能显著提高成像的空间分辨力。