非攔截式束流剖面探測器——IPM與BIF.pdf

1、束流剖面測量作為加速器束流診斷系統(tǒng)的一個重要組成部分，對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。同時在加速器正常運(yùn)行中，束流剖面的準(zhǔn)確測量對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。束流剖面測量按對束流的阻擋程度又可以分為攔截式與非攔截式兩種測量手段，相對于傳統(tǒng)攔截式的剖面診斷工具，非攔截式測量方式可以從容應(yīng)對強(qiáng)流剖面測量，還可以實(shí)現(xiàn)剖面實(shí)時監(jiān)測。其中，剩余氣體電離(Ionization P

2、rofile Monitor)與氣體誘導(dǎo)熒光(Beam InducedFluorescence)探測器作為國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)流傳輸線的剖面測量應(yīng)用。國內(nèi)關(guān)于IPM與BIF探測器的研究起步較晚，兩種探測器在國內(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，應(yīng)對即將到來的中國加速器驅(qū)動嬗變研究裝置(CIADS)與強(qiáng)流重離子加速器設(shè)施(

3、HIAF)的強(qiáng)流剖面測量需求，本課題關(guān)于兩種非攔截式IPM與BIF束流剖面探測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-電子對作為測量信號，在探測器內(nèi)置靜電場框架產(chǎn)生的均勻靜電場引導(dǎo)與加速下，信號粒子到達(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)，或者陽極-電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行獲取。氣體誘導(dǎo)熒光BIF探測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)過程中輻射的可見光波段光子作為測量信號，微弱熒光信號通過圖像增強(qiáng)組件進(jìn)行一系列光子轉(zhuǎn)換及增強(qiáng)過程，最后透過觀察窗被外置相機(jī)進(jìn)行光學(xué)獲取。兩種非攔截式剖面探測器基于共同的束流粒子與剩余氣體相互作用機(jī)制，測量信號載體又略有不同各具特色，兩者共同在強(qiáng)流剖面測量應(yīng)用中發(fā)揮著重要價值。
　　論文介紹了國際上IPM與

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

6、研制完成后在TR2超重實(shí)驗(yàn)終端進(jìn)行了剖面測量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究了不同工作氣壓下探測器的剖面測量結(jié)果，并加裝濾光片進(jìn)行了氦氣退激光譜研究。實(shí)驗(yàn)中通過與單絲剖面掃描結(jié)果對比驗(yàn)證了BIF探測器具有較好的準(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CIADS強(qiáng)流剖面測量的應(yīng)用需求。
　　IPM探測器是應(yīng)HIRFL-CSR的實(shí)時非攔截式剖面測量需求而研制，探測器建成之后在SSC-Linac進(jìn)行了束流實(shí)驗(yàn)，其測量結(jié)果與單絲掃

7、描剖面測量吻合極好，實(shí)驗(yàn)中還通過更改不同的電壓設(shè)置，研究了靜電場均勻性對IPM探測器的測量影響。目前IPM探測器經(jīng)過靜電場分壓方式改良后已經(jīng)安裝應(yīng)用于CSRm，并成功實(shí)現(xiàn)對束流剖面的實(shí)時監(jiān)測，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探測器設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用一套IPM探測器能夠?qū)崿F(xiàn)束流橫向水平與垂直兩個方向的剖面測量功能，從而很大節(jié)省剖面測量的空間與