低能强流质子束空间电荷补偿度研究(英文)

对于低能强流离子束来说,空间电荷效应的存在将导致束流发散、发射度增加等一系列问题,从而降低束流品质。幸运的是,当束流由离子源引出通过低能传输线时会与其中的剩余气体发生电离反应,产生二次电子与二次离子;二次电子在束流自身产生的电场作用下,在束流中积累并中和部分空间电荷,达到抑制空间电荷效应的效果。为了测量空间电荷中和程度,中国科学院近代物理研究所研制了一台三栅网式能量分析仪用以测量电离过程中产生的二次离子能量来间接计算空间电荷中和度。实验结果表明,对于40 keV, 18.5 mA的质子束,真空度为1.510*3 Pa 时得到最佳补偿度;真空度一定的情况下,空间电荷补偿度随束流流强增加而变大。For high-intensity low-energy ion beams, space charge effect is a main cause of beam divergence  and emittance growth. Fortunately, residual gas molecules in the drift space tend to be ionized and neutralize the beam space charge spontaneously. The level of Space Charge Neutralization (SCN)is measured through the detection of created secondary ion energy distribution in the beam region. A so-called non-interceptive Three-grid Energy Analyzer (TEA) has been designed and manufactured at Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences (IMP). This paper will present the detailsof the TEA detector and the application to diagnose proton beam SCN level in the Low Energy Beam Transport (LEBT) line. As a preliminary result, for an 18.5 mA proton beam a best compensating point appears at the vacuum pressure of 1.510*3 Pa. And the neutralization level is advanced with thegrowth of beam current in a constant vacuum pressure.     

离子束流剖面分布离线诊断方法探索

提出了一种基于二次离子质谱分析技术的离子束流剖面分布的离线诊断方法,具有分辨率高、可同时给出束流剖面分布和成分信息的特点。利用数值模拟方法对该诊断方法的可行性进行了分析和讨论,并结合原理实验给出了验证结果。结果表明:该方法可以用于真空密封型中子发生器离子束流剖面分布的诊断,能够成为其他诊断方法的验证手段和有力补充。     

离子束流剖面分布离线诊断方法探索

提出了一种基于二次离子质谱分析技术的离子束流剖面分布的离线诊断方法,具有分辨率高、可同时给出束流剖面分布和成分信息的特点。利用数值模拟方法对该诊断方法的可行性进行了分析和讨论,并结合原理实验给出了验证结果。结果表明：该方法可以用于真空密封型中子发生器离子束流剖面分布的诊断,能够成为其他诊断方法的验证手段和有力补充。     

GaN的补偿度与离子束沟道最小产额比的关系的研究

用ＲＢＳ／沟道技术对ＭＯＣＶＤ生长的未故意掺杂的ＧａＮ的结构性能进行了测试，同时用霍耳方法测试了样品的电学性能。结果表明：ＧａＮ薄膜的背散射沟道说与随机谱之比Ｘｍｉｎ和其补偿度存在一定的依赖关系。补偿度小的样品，其Ｘｍｉｎ小；随着样品补偿度的增大，Ｘｍｉｎ也逐渐增大；但它们之间的知系变化是非线性的。对这些结果给予了一定的解释。     

离子束治疗中的靶区运动补偿方法

相对于被动式束流配送系统,由患者呼吸因素而引起的肿瘤靶区运动会对主动式束流配送系统下的离子束放射治疗带来非常严重的影响,造成离子束辐射场剂量分布的严重畸变,甚至对肿瘤靶区周围的健康组织造成严重损伤,很大程度上影响离子束治疗的疗效。因此,在主动式束流配送系统下,建立针对由呼吸因素引起的运动肿瘤靶区的适形调强照射方法就显得必要,且具有重要意义。系统介绍了呼吸运动探测、4D-CT 以及目前主要的3 种运动补偿方法(多次扫描、呼吸门控和主动跟踪技术),并对这3 种方法在靶区适形度、稳健性以及技术复杂度等方面进行了比较。在靶区适形度方面主动跟踪技术优于门控技术,而门控技术又优于多次扫描技术;在稳健性方面多次扫描技术优于门控技术,而门控技术优于主动跟踪技术;在技术复杂度方面,多次扫描技术最简单,其次是门控技术,而主动跟踪技术最复杂。Active beam scanning results in serious distortion of ion-beam irradiation field in the presence of target motion and causes damage to healthy tissues round tumor target compared to passive beam shaping techniques. Therefore,it is necessary to establish suitable conformal irradiation methods for moving targets caused by the factor such as respiration in active ion beam scanning system. In this paper, motion detection, 4D-CT and three main ion beam specific mitigation techniques, namely rescanning, gating and beam tracking, are introduced. In addition, three motion mitigation techniques are compared comprehensively in terms of target conformation, robustness and mplementation complexity,respectively. For target conformation, the beam tracking is superior to gating, and gating is better than beam rescanning;the robustness decreases in the order rescanning-gating-beam tracking; for implementation complexity, beam rescanning is the most simple technology, followed by gating, while beam tracking is the most complex technique.     

一台小型强流脉冲离子束加速器

 介绍了一台小型强流脉冲离子束加速器的结构组成,采用箍缩反射型离子二极管,可以稳定工作的峰值电压为200kV,得到了峰值为1.5kA、脉宽约20ns的离子束流,平均离子流密度110A/cm²。     

一台小型强流脉冲离子束加速器

介绍了一台小型强流脉冲离子束加速器的结构组成,采用箍缩反射型离子二极管,可以稳定工作的峰值电压为200kV,得到了峰值为1.5kA、脉宽约20ns的离子束流,平均离子流密度110A/cm2。     

静电加速管中强流空间电荷效应的研究

 对一种工业用大功率电子加速器(450kW)的加速管中的空间电荷效应作了5点假设，建立了物理模型。对模型的束内外径向电位分布、空间电荷对轴上电位的影响，以及空间电荷力对束流传输的影响等进行了理论分析，得到了束内径向电位分布。结果表明：束流内部径向电位沿径向均呈抛物线变化，并在轴上达到最小值；而空间电荷产生的束内电场与半径呈线性变化；空间电荷不仅会引起轴上电位的跌落，而且对束流有发散作用，特别是在电子速度较低时更为明显。在考虑了空间电荷效应后，强流静电加速管的电场设计关键在加速管的前端，与弱流加速管相比，强流加速管的电场变化要大得多。     

静电加速管中强流空间电荷效应的研究

对一种工业用大功率电子加速器(450kW)的加速管中的空间电荷效应作了5点假设,建立了物理模型。对模型的束内外径向电位分布、空间电荷对轴上电位的影响,以及空间电荷力对束流传输的影响等进行了理论分析,得到了束内径向电位分布。结果表明：束流内部径向电位沿径向均呈抛物线变化,并在轴上达到最小值;而空间电荷产生的束内电场与半径呈线性变化;空间电荷不仅会引起轴上电位的跌落,而且对束流有发散作用,特别是在电子速度较低时更为明显。在考虑了空间电荷效应后,强流静电加速管的电场设计关键在加速管的前端,与弱流加速管相比,强流加速管的电场变化要大得多。     

低能强流离子束输运实验台控制系统的研制

介绍了一种基于Siemens S7-300 PLC的计算机控制系统,用于对北京大学重离子物理研究所低能强流离子柬实验台设备的自动控制和束流监测.该系统通过PROFIBUS-DP过程现场总线完成主站和从站的数据交换和分布控制,上位机采用Siemens WinCC软件集中监控,实现可视化过程控制、数据记录和保存、报警和自动保护、远程控制和数据通信等功能.本文着重阐述在离子束输运装置对控制系统基本要求的基础上,如何选择系统结构并确定系统方案,以及对现有设备的自动化改造、软硬件的合理配置、可视化人机操作界面的设计.     

ECR源低能强流高电荷态离子束四维发射度测量仪的研制

为全面研究ECR（Electron Cyclotron Resonance）离子源引出的高电荷态离子束流品质,获取ECR离子源引出离子束流的横向四维相空间分布,提高向加速器的注入效率,中国科学院近代物理研究所研制了一台高精度Pepper Pot型发射度测量仪PEMiL（Pepper pot Emittance Meter in Lanzhou）。根据使用需求,利用KBr晶体喷涂技术取代传统的CsI闪烁体成像技术,解决了束流光斑重叠效应,获得了边界清晰的束流图像;并开发了相应的数据处理分析程序,以分析处理得到的束流横向四维相空间分布。利用PEMiL获得了75 keV,170 eμA的O5+束流横向四维发射度。分析结果表明:PEMiL测量分析后的束流发射度结果可靠性高,荧光屏电荷累积效应造成的发射度差异不超过25%,PEMiL可作为ECR离子源引出离子束流品质诊断的有效装置。     

CSRm内靶实验中的轻离子束流寿命模拟研究

 建立了内靶对兰州冷却储存环主环束流影响的单粒子跟踪模拟程序,对pellet小丸靶和碳靶对束流带来的负面影响进行了模拟研究,主要讨论CSRm内靶实验中的束流存活率和束流寿命状态。结果显示利用厚度为1×10¹⁶ atoms×cm^-2小丸内靶时,2.6 GeV质子束流寿命在100 s量级,而对于目前技术水平下的碳膜靶 (厚度为 5×10¹⁷ atoms×cm^-2),质子束流寿命为s量级;束流寿命和束流能量基本成正比关系,束流寿命和内靶厚度近似成反比关系。     

高压直流连续波光阴极注入器中发射度补偿

空间电荷效应是引起发射度增长的主要因素,特别是在高压直流连续波光阴极注入器中。分析了高压直流连续波光阴极注入器中线性空间电荷力的特点及其对电子束横向发射度的影响,并从理论上解析地研究了螺线管发射度补偿的原理及特点。最后利用Parmela程序对中国工程物理研究院高压直流连续波光阴极注入器的发射度补偿作了模拟计算。结果表明,束团电荷量为80 pC的电子束在350 keV高压直流电子枪出口处的横向归一化发射度为5.14 mmmrad,经过螺线管补偿后,其最小横向发射度变为1.27 mmmrad。电子束的发射度得到了很好的补偿。     

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强...     

光阴极RF腔注入器束流发射度研究

 分析了光阴极RF腔注入器中的RF场效应和空间电荷效应，给出了电子在加速腔中束流发射度的解析表达式，它说明在加速过程中束流发射度是振荡变化的。利用SUPERFISH和GPT程序模拟计算了光阴极1+1/2腔注入器输出束流发射度与加速场强、注入相位、束团大小和形状、束团电荷的关系。适当选择这些条件，可以获得横向发射度小于2πmm·mrad 的输出束流。     

低能质子环束流与等离子体相互作用过程的一维混合模拟研究

运用一维混合模拟方法, 研究了垂直于等离子体磁场入射的低能质子环束流与等离子体的相互作用过程. 结果显示: 由质子环束流激发的等离子体波首先经历指数式快速增长的线性阶段, 随后出现饱和、衰减和相对稳定的非线性阶段. 在线性阶段, 质子束投掷角散射使波模共振作用迅速减弱, 波的增长很快出现饱和. 随后, 持续的投掷角散射, 使入射质子在速度空间从环状分布渐变为均匀分布, 同时初始阶段的右手共振不稳定性逐渐消失, 在最后相对稳定阶段只存在阿尔芬波. 研究发现, 背景等离子体的有效加热始于非线性阶段, 等离子体波的形成有助于将质子束动能转换为背景等离子体的热能.     

光阴极RF腔注入器束流发射度研究

分析了光阴极RF腔注入器中的RF场效应和空间电荷效应,给出了电子在加速腔中束流发射度的解析表达式,它说明在加速过程中束流发射度是振荡变化的。利用SUPERFISH和GPT程序模拟计算了光阴极1+1/2腔注入器输出束流发射度与加速场强、注入相位、束团大小和形状、束团电荷的关系。适当选择这些条件,可以获得横向发射度小于2πmm·mrad 的输出束流。     

ADS强流质子加速器低能传输段发射度匹配研究北大核心CSCD

研制了一套强流质子源及低能传输线(LEBT)注入器用于ADS质子直线加速器。质子源产生35 ke V强流束经过低能传输段聚焦进入射频四极(RFQ)入口。低能传输段不匹配是强流RFQ中引起束流丢失的主要原因。不同加速段的束流匹配是减少束流损失与抑制发射度增长的重要手段。束流损失导致RFQ电极表面受热变形进而引起高频打火,降低RFQ长期运行的稳定性。针对以上问题,研究LEBT发射度在不同的实验条件下如何实现加速器更好的匹配。研究结果表明,LEBT出口束流在35 ke V,10 m A下,束流发射度小于0.2πmm·mrad,当LEBT螺线管电流为210和270 A时,束流在RFQ入口满足匹配条件。     

利用强流脉冲离子束技术在室温下沉积类金刚石薄膜研究

利用强流脉冲离子束技术在Si基体上快速大面积沉积类金刚石(DLC)薄膜.电压为250kV,束流密度为250A·cm-2,脉宽为80—100ns,能流密度为5J·cm-2的离子束(主要由碳离子和氢离子组成)聚焦到石墨靶材上,使石墨靶材充分蒸发和电离,在石墨靶的法线方向的Si基体上沉积非晶的碳薄膜.Raman谱分析显示,所沉积薄膜为类金刚石薄膜.随着靶材与基体之间距离的减小,薄膜中sp3碳成分含量增加,同时硬度值也有所增大,并且薄膜的摩擦系数和表面粗糙度增加.x射线光电子能谱(XPS)分析显示薄膜中的sp3碳 关键词： 强流脉冲离子束 类金刚石薄膜 XPSRaman谱分析     

折/衍混合的红外双视场光学系统设计

为了实现红外双视场光学系统两个视场间的快速切换,同时满足便携式及易安装的需求,设计了一种轻量化的折/衍混合红外双视场光学系统.系统采用折/衍混合和二次成像光学结构,利用光学设计软件对系统进行优化,评价了系统的像质,分析了系统温度补偿问题并给出其温度调焦曲线.系统工作波长为3.7～4.8μm,能实现120mm/60mm两档焦距变换.设计结果表明,冷光阑效率达到100%,在探测器的Nyquist频率33lp/mm处,轴外视场光学系统的调制传递函数大于0.3,系统光学总长为200mm.整个系统包括7块透镜,只需移动一片透镜就能完成双视场的转换,结构简单,实现了轻量化和高质量成像.