回流离子源特征分析

强流电子束轰击在辐射转换靶上可产生正离子. 这些离子在电子束空间电荷场作用下回流，对电子束聚焦会有影响，从而可能改变焦斑大小，影响X光机的照相分辨率. 离子种类、离子流的大小是很关注的参量. 本文分析了回流离子来源及其特征，认为回流离子以靶表面杂质热释放后被电子束直接电离生成的离子为主，离子发射受空间电荷限制而非受源限制.     

闪光机回流离子效应及抑制方法

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。     

闪光机回流离子效应及抑制方法

 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。     

轫致辐射转换靶靶面回流离子对电子束聚焦的影响

 分析了轫致辐射转换靶靶面回流离子产生的机制及其对电子束聚焦的影响,并提出了相应的解决方法。结果表明,H⁺和C⁺轻离子回流约60ns后,将对束聚焦产生严重影响;Ta⁺或W⁺的回流,就短脉冲而言,对束聚焦的影响很小,对长脉冲而言(如脉冲宽度大于200ns),则影响很大。     

轫致辐射转换靶靶面回流离子对电子束聚焦的影响

分析了轫致辐射转换靶靶面回流离子产生的机制及其对电子束聚焦的影响,并提出了相应的解决方法。结果表明,H+和C+轻离子回流约60ns后,将对束聚焦产生严重影响;Ta+或W+的回流,就短脉冲而言,对束聚焦的影响很小,对长脉冲而言(如脉冲宽度大于200ns),则影响很大。     

回流离子动力学行为研究

 建立了强流电子束撞击轫致辐射转换靶而使靶面产生回流离子的物理模型,得到了具有回流离子作用的轫致辐射转换靶前的空间电荷势分布,对可能产生的几种回流离子的运动尺度、回流离子对电子束束斑的影响和利用磁场补偿来消除回流离子的影响的方法进行了计算研究。     

回流离子动力学行为研究

建立了强流电子束撞击轫致辐射转换靶而使靶面产生回流离子的物理模型,得到了具有回流离子作用的轫致辐射转换靶前的空间电荷势分布,对可能产生的几种回流离子的运动尺度、回流离子对电子束束斑的影响和利用磁场补偿来消除回流离子的影响的方法进行了计算研究。     

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。     

12MeV直线感应加速器轫致辐射靶靶面回流离子测量

强流直线感应加速器（LIA）能够产生2—3kA、10-20MeV、约80ns（FWHM）的强流高功率的脉冲电子束，经过数十米的传输、聚焦成毫米量级的束斑后打击到轫致辐射靶上，来产生高剂量的X光。同时电子束打靶使靶面沉积大量的能量导致靶面的温度骤然升高，引起靶表面物质或杂质（如碳、氢、水蒸气与靶材料等）被汽化电离而产生等离子体。强流电子束在靶前附近产生的强空间电荷电场（场强可达MV／cm）把离子从靶面拉出，以逆着电子束的方向前进，被称为回流离子。人们提出回流离子与电子束发生作用，会导致电子束被提前聚焦，在预定的靶面形成散焦。     

12MeV LIA轫致辐射靶面回流离子测量

强流高功率脉冲电子束聚焦成mm量级的束斑后,打击到轫致辐射靶的过程中会产生回流离子,它会导致电子束被提前聚焦,在预定的靶面形成散焦。描述了法拉第筒对12MeV 直线感应加速器的轫致辐射靶面可能产生的离子及其参数进行的实验测量,并对实验结果进行了分析讨论。结果表明在靶前60°~70°方向未发现回流离子。     

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。     

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。     

Angular Distribution Analysis of Nitrogen Ions in a Low Energy Dense Plasma Focus Device

Angular distribution of nitrogen ions from a 4 kJ plasma focus device (PFD), as obtained by two detection methods was studied. The results obtained with two methods including consisting of (i) polycarbonate (PC) detectors (1 mm thick with about 15 cm diameter large etchable area) using electrochemical etching (ECE) at 50 Hz and 48 kV cm^–1 field strenth and (ii) an array of five Faraday cups (FC) are analyzed, compared and discussed in this paper. The results obtained by the two detectors are quite different. A new concept is proposed in this paper for the ring‐shaped angular distribution of ions. (© 2013 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

强流电子束入射叠靶能量沉积计算

计算了多脉冲相对论强流电子束入射钽-石墨叠靶的能量沉积和轫致辐射谱。能量沉积采用Geant4程序计算,轫致辐射谱根据基本的辐射理论和蒙特卡罗方法计算。结果显示,各层的热区能量沉积呈由大到小的递减分布,截面轫致辐射分布和电子束径向分布主要受钽层的影响。石墨层的低能量沉积率和高热容能改善叠靶的性能。对于单脉冲,钽-石墨层厚比为1∶1时,石墨能全部吸收相邻钽层的热沉积,轫致辐射效率为35.4%;4脉冲情况下,钽-石墨层厚比应为1∶13,总轫致辐射效率降到19.9%。考虑轫致辐射剂量和质量,钽-石墨两者的厚度比为1∶5时,钽层的总厚度应为1.2 mm;当钽-石墨层厚比为1∶10时,钽层的总厚应降到0.7 mm。     

强流电子束入射叠靶能量沉积计算

计算了多脉冲相对论强流电子束入射钽-石墨叠靶的能量沉积和轫致辐射谱。能量沉积采用Geant4程序计算,轫致辐射谱根据基本的辐射理论和蒙特卡罗方法计算。结果显示,各层的热区能量沉积呈由大到小的递减分布,截面轫致辐射分布和电子束径向分布主要受钽层的影响。石墨层的低能量沉积率和高热容能改善叠靶的性能。对于单脉冲,钽-石墨层厚比为1∶1时,石墨能全部吸收相邻钽层的热沉积,轫致辐射效率为35.4%;4脉冲情况下,钽-石墨层厚比应为1∶13,总轫致辐射效率降到19.9%。考虑轫致辐射剂量和质量,钽-石墨两者的厚度比为1∶5时,钽层的总厚度应为1.2 mm;当钽-石墨层厚比为1∶10时,钽层的总厚应降到0.7 mm。