中能重离子微束辐照装置的真空窗

为了辐照生物活细胞,束流须经由真空隔离窗引入大气环境中.在真空隔离窗的设计中,对结构、材料种类及其厚度的选择既要尽可能地减小束斑展宽,又要兼顾安全性.应用有限元分析软件对不同结构、不同材料的真空窗进行受力分析,模拟真空窗的形变和等效应力,运用强度理论考察候选真空窗的安全性;并运用SRIM程序模拟离子的小角散射、横向射程,计算入射离子的能量、真空窗材料及其厚度、空气层对束斑展宽的影响;最后提出真空窗适宜的结构、材料及厚度范围.     

一种废束站束窗结构设计与优化

废束站束窗是废束站的重要部件。利用束流的束斑尺寸及功率确定束窗能量的高斯分布方式;通过蒙特卡罗方法计算束窗的沉积能量。利用ANSYS稳态分析确定束窗的材料、截面形状和厚度。通过计算比较束窗在不同材料、截面形状和厚度条件下的温度、应力和变形,得出合适的束窗材料、截面形状和厚度,从而确定束窗的最终结构。最后利用瞬态方法模拟束窗调束时的温度分布情况。     

一种高重频废束桶束窗的设计及热结构分析

深圳中能高重频X射线自由电子激光（S3FEL）将建设成为全球唯一软X射线波段的高重频自由电子激光。废束桶是S3FEL装置的重要设备,在系统调束中发挥着重要作用。废束桶束窗是废束桶的重要组成部件,用于隔离和保护加速器超高真空环境。本文对几种常用的废束桶束窗材料进行了对比分析,最终选择铍作为束窗的材料,并依此设计了一种带有水冷结构的束窗。通过蒙特卡罗方法计算得到不同厚度束窗的沉积功率,采用有限元分析方法对不同厚度的束窗进行热结构计算与分析,得到厚度为1.6 mm的水冷铍窗效果最佳,其最大温度为121.6℃,低真空为1 Pa时的最大应力与中心变形分别为198.7 MPa和0.000 82 mm,低真空为101 325 Pa时的最大应力与中心变形分别为204.2 MPa和0.097 mm,结果均满足使用要求。此研究为S3FEL的废束桶束窗设计提供了重要的理论依据。     

表面离子阱的衬底效应模型研究及新型离子阱设计

通过分析表面离子阱衬底的功率损失和电势损失对离子阱阱深和离子加热速率的影响,提出考虑衬底效应的阱深和离子加热速率的解析分析模型.研究发现,硅基衬底的电势损失对表面离子阱阱深的降幅达17.19%,功率损失对离子加热速率的加速达13.37%.为了降低衬底效应的不利影响,设计了衬底真空隔离结构的表面离子阱,在离子阱射频电极和直流电极间的衬底表面刻蚀出多条隔离槽,从而减小衬底的等效电导和等效电容,达到降低衬底功率和电势损失的目的.模拟结果显示,相比于一般结构,真空隔离结构的硅基表面离子阱能够使阱深加深20.22%,使衬底功率损失降低54.55%.     

纳秒激光驱动非相对论无碰撞静电冲击波反射离子能谱测量的Geant4模拟

间接驱动惯性约束聚变真空或者近真空黑腔实验中,纳秒激光烧蚀产生的腔壁等离子体可以在靶丸烧蚀等离子体（或低密度填充气体）中驱动无碰撞静电冲击波,冲击波电场会以二倍冲击波速度反射离子。为了测量纳秒激光驱动非相对论无碰撞静电冲击波产生的10 keV量级的反射离子能谱,设计了低能汤姆逊离子谱仪。利用Geant4建模,对离子测量过程进行了全过程蒙特卡罗模拟,用以评估靶室残余气体和喷气气体对低能离子测量的影响。模拟结果显示,靶室残余气体会造成10 keV量级D离子信号在谱仪电场和磁场方向展宽。电场方向的展宽会增加不同荷质比离子谱线发生交叠的风险,而磁场方向的展宽会导致离子能谱展宽。喷气气体会造成离子信号向低能区移动并拖尾,导致测量的离子谱偏离真实的反射离子能谱。     

C-ADS中质子束窗散射效应和热力学计算

质子束窗是C-ADS中隔离加速器的真空环境与靶的非真空环境的重要部件。质子束窗材料及其冷却介质造成的束流散射效应是造成束流在靶外损失的主要因素,由于质子束窗中的高能量沉积和高辐照效应,束窗的热力学计算显得尤为重要。计算结果表明:当质子束窗和散裂靶距离为1.5 m时,通过选取合理的结构参数,多管道型质子束窗结构可以将靶外束流损失控制在1%以内。束窗中总的应力,包括由于温度升高造成的热应力、冷却剂的静压,以及束窗两侧加速器真空与外部非真空环境的压强差造成的应力,可以有效控制在所用材料的许用应力之内。并通过计算讨论给出C-ADS中质子束窗的初步设计参数。     

脉冲Nd∶YAG激光诱导钼等离子体UTA辐射特性研究

利用Nd∶YAG激光作用于真空腔内的高纯固体钼(Mo)靶产生等离子体,并测量了不同脉冲激光功率密度下Mo等离子体在2～9 nm范围内的时间积分光谱。基于碰撞辐射平衡模型(CRM)和Cowan程序计算得到不可分辨跃迁峰(UTA)原子光谱数据,并假设谱线展宽为高斯线形,获得了在不同电子温度和电子密度下的理论模拟光谱,模拟光谱与实验光谱吻合的较好。实验与理论研究光谱表明：Mo ⅩⅥ-Mo ⅩⅫ离子的3d-4f不可分辨跃迁峰位于水窗波段,通过控制脉冲激光参数和采用合适的等离子体约束条件,获得水窗辐射波段Mo离子的高丰度布居,有望将激光Mo等离子用于单脉冲活体细胞显微成像水窗光源。     

托卡马克等离子体中共振磁扰动场放大效应对离子轨道特性的作用

首先,利用MARS-F程序模拟了HL-2A装置中不同电阻率、环向旋转频率和环向模数条件下等离子体对共振磁扰动(RMP)的线性响应过程,分析了不同情况下共振场放大效应对三维扰动磁场的影响;然后,利用Boris算法追踪了三维场作用下的离子轨道,并详细探究了不同扰动磁场改变离子轨道特性的物理机制.研究发现,考虑等离子体响应后的扰动磁场可增强离子轨道径向展宽,且轨道最大径向展宽随轨道上扰动磁场平均值的增大而增大;同时,离子在通过扰动磁场被强烈放大的区域时轨道径向展宽会显著增加.该物理机制可用于解释RMP缓解边界局域模实验中离子直接损失增加和等离子体径向输运增强现象.     

离子束修形中光学元件表面热量沉积数值模拟

根据Sigmund溅射能量沉积理论建立了低能离子入射光学元件引起的能量扰动层厚度模型．理论推导了离子束倾斜入射时光学元件表面的束流密度,并建立了低能离子束对光学元件的热量沉积模型．采用MonteCarlo方法模拟了低能离子与熔石英光学表面的相互作用．分析了离子能量、离子类型、入射角度等参数对光学元件热量沉积和扰动层深度的影响规律．以离子束沉积在工件的能量作为热源,采用有限元分析软件ANSYS模拟了离子束入射工件的温度场分布、温度梯度场分布和温度应力分布．入射表面温度和热梯度呈高斯分布,束斑中心最高并向工件边缘逐渐减小．入射表面束斑区域受热膨胀,其膨胀受到外环区域的制约,从中心区域到大约束斑半峰值半径的区域,所受环向应力为压应力,在大致束斑半峰值半径以外区域为拉应力．     

聚焦慢速高荷态重离子束微束斑X射线源

利用电子束离子源(EBIS)或者电子束离子陷阱(EBIT)产生的慢速高电荷态重离子束轰击金属靶面,离子束与靶面作用并复合辐射特征X射线;并将高荷态离子束采用离子光学系统会聚为微细束后再与靶面作用,能够辐射出微米甚至亚微米级、纳米级的微束斑X射线.本文介绍这一新型微束斑X射线源的结构、机理及其特性等.     

Laser array beam propagation through liver tissue

Laser array beam propagating through mouse liver tissue is investigated. The turbulence power spectrum of the liver tissue is employed in the extended Huygens–Fresnel method to obtain an optical intensity profile and beam broadening at the observation point in biological liver tissue. Variations of the beam profile and the beam broadening are simulated based on the number of beamlets, source size, wavelength and the ring radius of the array. A biological tissue, illuminated by the laser array beam, exhibits different beam profiles and beam spot radius variations when the number of beamlets, source size, wavelength and the ring radius of the laser array beam are varied. Examining these variations observed in the propagated optical beam and comparing them with the test cases, abnormalities such as cancer and tumor in a biological liver tissue can be diagnosed.     

Shells on nanowires detected by analytical TEM

Nanostructures in the form of nanowires or filled nanotubes and nanoparticles covered by shells are of great interest in materials science. They allow the creation of new materials with tailored new properties. For the characterisation of these structures and their shells by means of analytical transmission electron microscopy (TEM), especially by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDXS), and electron energy loss spectroscopy (EELS), the accurate analysis of linescan intensity profiles is necessary. A mathematical model is described, which is suitable for this analysis. It considers the finite electron beam size, the beam convergence, and the beam broadening within the specimen. It is shown that the beam size influences the measured result of core radius and shell thickness. On the other hand, the influence of the beam broadening within the specimen is negligible. At EELS, the specimen thickness must be smaller than the mean free path for inelastic scattering. Otherwise, artifacts of the signal profile of a nanowire can pretend a nanotube.     

大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

用于空间X射线通信的栅极控制脉冲发射源研究

利用X射线作为载波实现空间远距离、高速率的信息传输已引起研究者的关注,这项技术的发展将对拓宽电磁波频谱的使用范围具有积极意义.针对X射线通信地面模拟真空实验系统对信号发射源的需求,设计了一种栅极控制X射线源.该X射线源是在传统X射线管的基础上,增加了电压控制栅极,通过改变栅极电压实现X射线的脉冲发射.利用三维电磁场仿真软件CST粒子工作室设计了实验样管,模拟计算了管内的电位分布、电子运动轨迹、实际焦斑大小和打靶电子数.仿真结果表明,实际焦斑大小约为0.4 mm×4 mm,栅极开启电压和截止电压分别为0和-10 V.实验测试了样管特性,测试结果与仿真结果符合得很好,并且在X射线真空实验系统中实现了数字信号传输.     

上海同步辐射装置储存环注入冲击磁铁的设计

 开展了上海同步辐射装置储存环注入冲击磁铁的结构和脉冲电源的技术设计,并进行了磁场分布和励磁电流波形的模拟计算。还给出了陶瓷真空盒镀膜的设计参数,提出了计算陶瓷真空盒镀膜接受同步光功率的公式,研究了防止镀膜和波纹管受到同步光照射的机械布局设计。     

基于固体介质的倍频程连续光谱产生的研究进展

超快激光经过透明介质时由于非线性作用光谱会得到展宽,甚至能够产生超过一个倍频程的相干超连续光谱,这样的光源能够压缩得到几个甚至单个光周期的超短脉冲,并在现代超快科学的各个领域得到了广泛应用.实验中已经在气体、液体和固体中都观测到了光谱的展宽,目前较为成熟的方法是使用充满惰性气体的空芯光纤和具有高非线性效应的固体材料展宽光谱.但空芯光纤由于芯径限制无法用于高能量激光脉冲的光谱展宽,而固体材料又容易被高功率密度的脉冲激光损坏.随着激光技术的发展其脉冲能量不断提高,一种新的、利用多片薄固体介质实现光谱展宽的方式被提出.多片薄的非线性介质可以实现光谱展宽的逐片累积,而且避免了激光在介质中因自聚焦产生过高功率密度带来的损坏.目前使用这种方法已经在实验上得到了近毫焦尔量级的倍频程光谱,覆盖了近紫外到中红外的整个区域,并实现了脉冲压缩.本文简要回顾了超快激光在固体中光谱展宽的发展历程,概述了新型薄片固态介质产生超连续光谱的原理,对近年来使用此新方法的实验进行了简要分析,并对其发展前景进行了展望.     

采用啁啾脉冲堆积的时间束平滑技术

成丝不稳定性是间接驱动靶丸均匀压缩面临的重要问题,10μm到100μm的靶面光强起伏对其影响尤为严重,须采用合理的束平滑措施加以抑制。提出用光纤系统对啁啾脉冲堆积,然后对组合脉冲做光谱角色散,利用焦斑不同时刻对应频谱成分不同形成的束平滑机制,抑制焦斑内的高频起伏。利用傅里叶变换方法推导出了光栅色散后的组合脉冲表达式。模拟结果表明,焦斑尺寸随色循环数和光栅色散方向上基准脉冲带宽的增加而增大。通过计算包含焦斑能量95%范围内的通量衬比度随时间变化的曲线,得出一个色循环、基准脉冲带宽0.3~0.5 nm下可以获得最佳的焦斑平滑效果。这种新型的时间束平滑方法结构简单且焦斑特性可调,这些优点使得它在提高靶面辐照均匀性方面具有重要的应用价值。