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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

用集团运动的观点来研究回流离子问题

建立在单粒子运动学基础上的回流离子理论预测: 强流电子束轰击在 辐射转换靶上可能产生正离子. 这些离子在电子束空间电荷场作用下 回流, 会造成电子束过聚焦, 改变焦斑大小, 从而影响X光机的照相分辨率. 然而大量的实验没有发现相关的现象. 本文分析认为, 电子束 打靶时, 在靶表面可能会形成离子鞘层过渡区. 该区域可以抵消束流空间 电荷场对回流离子的驱动作用, 因此, 回流离子可能以等离子体集团扩散的 方式运动. 这种物理图像得到的结论是离子对聚焦的影响可忽略, 和已有的 实验结果相吻合.     

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.     

微型法拉第筒阵列束流均匀性测量

研制了一种用于测量强流脉冲电子束束流均匀性的微型法拉第筒阵列,其直径为22mm,由5个微型法拉第筒组成,最大可测束流密度为38A/mm2。利用该系统测量了二极管阳极靶面的束流密度,得到了阳极靶面束流均匀性的分布情况。结果显示,阳极靶面中心处束流密度高于靶面其他位置,靶面束流存在弱箍缩,束流局部均匀,大面积不均匀,束流密度呈径向分布。该结果与理论预期和仿真计算符合较好。     

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。     

用偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束

 分析了偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束的原理和影响测量准确度的主要因素,研制了一种结构简单的偏压离子法拉第筒阵列,利用该装置测量了200kV小型强流脉冲离子束源的束流密度分布,束流中心密度最大值约为170A/cm²。     

离化靶中多脉冲强流电子束的不稳定性

多脉冲强流电子束轰击轫致辐射靶,在靶面形成等离子体层,将对后续电子束脉冲的稳定性产生影响。从基本等离子理论出发,利用成熟的等离子体粒子模拟程序计算在不同等离子条件下电子束流的稳定性。模拟显示在无外场情况下,当等离子体与电子束的密度比小于1时,能量20 MeV、束流强度2.5 kA、焦斑1.5 mm的电子束出现腊肠不稳定性,但相对靶面焦点区而言,束流稳定;当密度比在1~100时,箍缩不稳定性能够改善电子束的聚焦;当密度比在100~1000时,扭曲不稳定性起主导作用,靶面焦点区电子束流仍然稳定;当密度比大于1000后,成丝不稳定性破坏束流,电子束无法在靶面聚焦。     

一种小尺寸轫致辐射转换靶设计

以减小直线感应加速器X射线光源横向尺寸为目标,开展轫致辐射转换靶的设计。对聚焦打靶过程中电子束运动轨迹进行分析,指出同一个电子束轨迹分布,既可以描述为电子束在某纵向位置处具有一定的横向展宽,也可以描述为电子束保持较小横向尺寸时的轴向分布展宽,由此提出在束腰附近放置多个小靶片实现聚焦电子束有效阻挡的小尺寸多层靶概念设计。采用EGS4程序对X射线产额进行计算,发现靶厚度在一定范围内改变时X射线产额变化较小,基于这一规律完成了小尺寸多层靶的结构设计。进一步考察了一个设计应用实例,当聚焦电子束最小包络直径3 mm、会聚角100 mrad时,对比大尺寸靶,采用小尺寸多层靶可以获得等效直径减小约50%、产额减小约10%的X射线光源。该设计方法有望在相同的电子束品质和聚焦条件下,获得横向尺寸小于电子束最小束包络直径的X射线光源,具有一定的应用价值。     

10m×10m大靶面激光立靶设计

针对10m×10m大靶面、高精度立靶坐标测量的要求,提出了一种激光阵列式光电立靶坐标测量系统,该立靶采用半导体激光平行光管形成平行光光源,高灵敏度光电二极管及相应信号放大、转换电路组成接收阵列,光源和接收器件相距10m,当飞行弹丸穿越激光形成的光幕时,分别在X和Y方向上挡住了投射在某一个或几个光电二极管上的光线,该光电二极管对应的信号放大、转换电路将二极管产生的微弱电信号放大、整形,最后输出脉冲信号,后续信号编码识别电路将判断出被挡住光线的光电二极管的编号,进而得出弹丸穿越该光幕的X坐标和Y坐标。经实弹试验证明,系统具有测量靶面大,精度高的优点。     

神龙1号加速器束流输运系统研制

神龙1号直线感应加速器由注入器输运段、加速段、聚焦段等3个部分组成。整个束传输线从阴极发射面算起到轫致辐射靶结束，全长约48m，其间数千安培的强流脉冲电子束经过约170mm的二极管加速区，电子能量达到约3．6MeV，再经过4．5m的无加速场漂移区到达注入器出口，随后进入到长38．5m的加速段，在加速段出口时电子能量不低于18MeV；然后进入到长约3．8m的无加速漂移段，经过调整后通过两级磁透镜的聚焦将电子束聚焦到轫致辐射靶上产生X射线。整个束传输线使用了100多个螺线管线圈（包括两个磁透镜）约束电子束的横向发散，     

基于多信息融合回流离子特性的实验研究

 简要介绍了回流离子特性参数的检测要求,分析了多种不同检测方法的特点,进行了离子检测综合实验方案的设计。介绍了激光干涉+分幅相机测量、法拉第筒测量、基于单晶硅片的固体径迹测量3种实验方法及实验结果的分析过程,对各自的原始实验数据进行了具体分析,给出了分析结果。对3种实验方法的分析结果,采用信息融合技术,对电子束打靶时所产生的回流离子的种类、运动速度和密度等特性给出了综合性的分析结论,有助于进一步正确认识束靶作用区的物理特性。     

30 MeV电子束轰击旋转钽靶产生轫致辐射分析

提出了一种基于射频直线加速器的多脉冲X光照相系统,有望用于材料动态性能诊断等流体物理动力学研究。基于射频加速器的特点,该套照相系统能够产生时间跨度10 s以上、数个脉冲间隔可调、脉宽为几十至一百ns的脉冲电子束,产生电子束束斑半高宽尺寸小于1 mm。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4,分析计算了特定的几何布局以及不同厚度及电子束束斑条件下,电子束打靶后在靶中的能量沉积,靶中的电子束散射对X光焦斑的影响,以及1 m处的照射量,探讨了这套X光照相系统的应用可行性。结果表明,在30 MeV,400 nC电子束轰击厚度为1 mm的靶条件下,1 m处照射量约为9.1 R,靶厚在1~2 mm范围内并未引起X光焦斑的明显增大。较小横向尺寸的电子束会引起靶体局部升温严重,将会制约脉冲数量;采用旋转靶能够提升脉冲数量,通过分析二维旋转靶的应力,分析了靶材升温以及钽/钽合金屈服强度对脉冲间隔的限制作用。     

12MeV直线感应加速器X光能谱的实验测量

12MeV直线感应加速器能够产生能量～12MeV、流强2.2kA的电子束, 被传输、聚焦后形成～4mm的束斑, 与轫致辐射靶靶作用来产生高剂量的X光. 首先设计了X光探测器, 并利用多层吸收拟合法来对X光能谱进行了测量, 得到了X光的轫致辐射能谱, X光峰值大约在2MeV,最后对实验结果进行了分析.