非攔截式束流剖面探測(cè)器——IPM與BIF.pdf

1、束流剖面測(cè)量作為加速器束流診斷系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)加速器物理的空間電荷效應(yīng)、束流橫向冷卻等研究具有重要意義。同時(shí)在加速器正常運(yùn)行中，束流剖面的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)加速器不同位置的束流橫向匹配、束流尺寸控制、機(jī)器參數(shù)優(yōu)化等也至關(guān)重要。束流剖面測(cè)量按對(duì)束流的阻擋程度又可以分為攔截式與非攔截式兩種測(cè)量手段，相對(duì)于傳統(tǒng)攔截式的剖面診斷工具，非攔截式測(cè)量方式可以從容應(yīng)對(duì)強(qiáng)流剖面測(cè)量，還可以實(shí)現(xiàn)剖面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，剩余氣體電離(Ionization P

2、rofile Monitor)與氣體誘導(dǎo)熒光(Beam InducedFluorescence)探測(cè)器作為國(guó)際上常用的非攔截式剖面診斷設(shè)備，非常適合于質(zhì)子及重離子類型同步加速器和強(qiáng)流傳輸線的剖面測(cè)量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)關(guān)于IPM與BIF探測(cè)器的研究起步較晚，兩種探測(cè)器在國(guó)內(nèi)加速器設(shè)施的剖面診斷中均未實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。為了配合蘭州重離子加速器(HIRFL)束流診斷系統(tǒng)的改造升級(jí)，應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的中國(guó)加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置(CIADS)與強(qiáng)流重離子加速器設(shè)施(

3、HIAF)的強(qiáng)流剖面測(cè)量需求，本課題關(guān)于兩種非攔截式IPM與BIF束流剖面探測(cè)器的研制是極其迫切與必要的。
　　非攔截式IPM與BIF束流剖面探測(cè)器都是基于束流帶電粒子與剩余氣體的電離與激發(fā)理論。IPM探測(cè)器利用束流粒子與真空管道內(nèi)剩余氣體分子的電離作用，以電離產(chǎn)物的離子-電子對(duì)作為測(cè)量信號(hào)，在探測(cè)器內(nèi)置靜電場(chǎng)框架產(chǎn)生的均勻靜電場(chǎng)引導(dǎo)與加速下，信號(hào)粒子到達(dá)微通道板進(jìn)行倍增放大，放大后的電子由靜電場(chǎng)繼續(xù)引導(dǎo)至磷光屏-相機(jī)構(gòu)成的光學(xué)系

4、統(tǒng)，或者陽(yáng)極-電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行獲取。氣體誘導(dǎo)熒光BIF探測(cè)器是利用束流粒子使稀有氣體分子電離或激發(fā)，氣體分子在隨后的退激發(fā)回到基態(tài)過(guò)程中輻射的可見(jiàn)光波段光子作為測(cè)量信號(hào)，微弱熒光信號(hào)通過(guò)圖像增強(qiáng)組件進(jìn)行一系列光子轉(zhuǎn)換及增強(qiáng)過(guò)程，最后透過(guò)觀察窗被外置相機(jī)進(jìn)行光學(xué)獲取。兩種非攔截式剖面探測(cè)器基于共同的束流粒子與剩余氣體相互作用機(jī)制，測(cè)量信號(hào)載體又略有不同各具特色，兩者共同在強(qiáng)流剖面測(cè)量應(yīng)用中發(fā)揮著重要價(jià)值。
　　論文介紹了國(guó)際上IPM與

5、BIF探測(cè)器的研究背景、發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了兩種探測(cè)器的基本原理、工作流程以及影響因素，如靜電場(chǎng)非均勻性，空間電荷效應(yīng)，雜散電子干擾等。論文的重點(diǎn)是對(duì)IPM與BIF探測(cè)器的設(shè)計(jì)制造、束流實(shí)驗(yàn)和改良優(yōu)化等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。經(jīng)過(guò)大量理論調(diào)研與工程實(shí)踐，IPM與BIF探測(cè)器均成功完成了模擬設(shè)計(jì)和離線測(cè)試，并在HIRFL不同區(qū)域進(jìn)行了束流實(shí)驗(yàn)。BIF探測(cè)器是應(yīng)加速器驅(qū)動(dòng)次臨界嬗變系統(tǒng)(ADS)直線注入器II的強(qiáng)流剖面測(cè)量需求而研制，探測(cè)器

6、研制完成后在TR2超重實(shí)驗(yàn)終端進(jìn)行了剖面測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究了不同工作氣壓下探測(cè)器的剖面測(cè)量結(jié)果，并加裝濾光片進(jìn)行了氦氣退激光譜研究。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)與單絲剖面掃描結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了BIF探測(cè)器具有較好的準(zhǔn)確性與可靠性，且空間分辨率達(dá)到115μm，可以滿足ADS以及未來(lái)CIADS強(qiáng)流剖面測(cè)量的應(yīng)用需求。
　　IPM探測(cè)器是應(yīng)HIRFL-CSR的實(shí)時(shí)非攔截式剖面測(cè)量需求而研制，探測(cè)器建成之后在SSC-Linac進(jìn)行了束流實(shí)驗(yàn)，其測(cè)量結(jié)果與單絲掃

7、描剖面測(cè)量吻合極好，實(shí)驗(yàn)中還通過(guò)更改不同的電壓設(shè)置，研究了靜電場(chǎng)均勻性對(duì)IPM探測(cè)器的測(cè)量影響。目前IPM探測(cè)器經(jīng)過(guò)靜電場(chǎng)分壓方式改良后已經(jīng)安裝應(yīng)用于CSRm，并成功實(shí)現(xiàn)對(duì)束流剖面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其空間分辨率高達(dá)55μm，可以滿足CSRm電子冷卻后極冷、極小發(fā)射度束流的剖面測(cè)量需求。論文的最后還提出了一種全新緊湊型結(jié)構(gòu)的IPM探測(cè)器設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用一套IPM探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)束流橫向水平與垂直兩個(gè)方向的剖面測(cè)量功能，從而很大節(jié)省剖面測(cè)量的空間與