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。

直线感应加速器中四极磁铁聚焦强流电子束研究

为获取小尺寸束斑,研究了直线感应加速器(LIA)产生的强流电子束在四极磁铁作用下的聚焦特性,并对限制最小束斑尺寸的因素进行了分析。结果表明,使用聚焦能力强、像差小的四极磁铁作为聚焦元件具有获取小尺寸束斑的潜力。使用数值模拟程序完成了四极磁铁聚焦束线的初步设计,并在直线感应加速器平台上开展了实验研究,获得了对称性较好、横向尺寸小于2 mm的X射线焦斑,验证了四极磁铁聚焦强流电子束获取小尺寸束斑的可行性。同时,提出了优化的四极磁铁聚焦束线设计方案,预期可在同样入射电子束条件下获得横向尺寸约1 mm的束斑。

宽平顶低横向场分量螺线管线圈设计

介绍了非均匀绕线技术和匀场环技术在螺线管线圈设计中的应用。分析表明这两种技术的采用可以减小线圈间隙的磁场波动、屏蔽线圈磁场的横向分量,从而设计出宽平顶低横向场分量的螺线管线圈。针对中国工程物理研究院12 MeV直线感应加速器螺旋管线圈的设计结果表明,非均匀绕线技术可以使线圈间隙处的轴向磁场波动减小约70%,匀场环的采用则能使线圈磁场的横向分量减小96.5%。

一种在线式电子束能量测量方法

针对直线感应电子加速器中的束流特点,设计了一种在线式电子束能量测量方法。该方法使用分析磁铁和束位置探测器对电子束团切片平均能量进行测量,避免了束团取样带来的误差及测量过程对束流的影响,可以实现电子能量的在线测量。使用该方法对某强流直线感应电子加速器的电子束团能量进行了测量,获得了电子束团切片平均能量随时间变化的曲线,能量测量不确定度为0.177 MeV,能散度测量不确定度为0.39%。

含磁芯线圈动态电感计算

从电感的基本定义出发,推导了一个新的递推公式,可准确地对含磁芯线圈动态电感进行数值计算,并在纯电感、含有5匝磁芯线圈和含有17块铁氧体大环磁芯的感应腔在双脉冲励磁情况下分别计算了动态电感量,验证了该方法的可行性。通过电感值可反推出磁芯在各种情况下磁导率的变化曲线,从而确定磁芯的磁特性及其适用范围。

250 kV,1 MHz重复率方波三脉冲源

阐述了一种新的实现高功率高重复率方波脉冲源的技术途径,利用高压快恢复整流硅堆把三个独立的方波脉冲合成为一个MHz重复率的方波三脉冲。通过合理的串并联设计,可以提高硅堆在高频脉冲下的反向耐压,并使硅堆通过的正向脉冲电流达到kA量级。方波三脉冲源输出指标达到了电压250kV,脉冲电流10kA,峰值功率2.5GW,重复率1MHz,脉冲上升时间约40ns,脉冲平顶宽度50ns。

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 。

低能质子束产生感生放射性的蒙特卡罗模拟

质子束轰击探测器产生的感生放射性核素,将使探测器成为一个典型的外照射辐射源,针对感生放射性核素种类、活度的计算有利于辐射防护工作的开展。使用FLUKA蒙特卡罗程序,研究了低能质子束(20MeV以内)轰击三种探头材料(铜、钽、钨)产生的感生放射性问题,得到探头材料在一定照射时间下的放射性核素活度及指定冷却时间后的剂量水平。研究结果表明,质子束轰击铜探头产生感生放射性的能量阈值最低(4～5MeV),而钨、钽探头与质子束产生感生放射性的能量阈值较高。相同照射时间下的钨、钽探头产生感生放射性总活度远低于铜探头,在冷却1h后其放射性总活度降至最低。

用于高能X射线能谱测量的MLS法

为满足高能X射线能谱测量的需要,提出采用MLS法进行能谱测量的方案。MLS法克服了其他测量方法散射不易控制、光场不均匀性影响较大的缺点,还具有对不同角度能谱进行测量的优势。对MLS法的测量原理以及测量过程中的注意事项进行了明确,并利用蒙特卡罗方法针对一特定的X射线能谱设计了两种不同介质的测量装置,并将测量装置自身散射的影响控制在5%以内。

低能质子回旋加速器内部束流测量探头的感生放射性

为满足回旋加速器内部束流测量探头产生低放射性的要求,通过理论分析和蒙特卡罗模拟方法,研究了11 MeV,50μA质子束轰击铜探头产生的感生放射性,得到各种感生放射性核素的饱和放射性活度,并对结果进行了比较。分析结果表明,采用软件FLUKA进行蒙特卡罗模拟,核反应考虑完全,可同时计算不同照射时间下的直接和间接感生放射性,计算结果准确。应用该方法,质子束轰击不同测量探头产生的感生放射性可以得到详细和准确的分析和预测。

正电子发射成像回旋加速器屏蔽材料防护性能

计算了11MeV正电子发射成像回旋加速器18 O(p,n)18 F反应的双微分截面数据,并采用蒙特卡罗模拟计算方法,分析了单一材料及复合结构对特定辐射源的防护性能。采用单一材料,质量分数为73.8%的重混凝土的防护效果最佳,经过90cm厚屏蔽层的衰减,距离辐射源正前方1m处的总剂量降低约5个量级;复合结构采用多层结构,材料选用铁及硼酸溶液,同样厚度即可达到与重混凝土相同的防护效果,密度可降低至少20%。

回旋加速器束测探头感生放射性实验研究

基于束流沉积法测量回旋加速器内部束流参数将在束测探头上产生感生放射性污染,从而对加速器调束工作人员带来不必要的辐射危害。采用AGM-6型γ监测仪对探头感生放射性进行在线测量,通过测量不同半径处探头受辐射后的空气比释动能率,间接反映探头感生放射性的强弱和危害。研究结果表明,在束流调试实验中,应尽量降低馈入高频的占空比;探头测量后冷却2～3h取出,则不需要考虑测量探头辐照后的残留感生放射性的危害。

铁氧体磁芯感应加速腔模型

针对铁氧体磁芯,建立了以多层有损传输线为基础的同轴感应加速腔物理模型,并在短脉冲励磁条件下,通过低压及高压实验,结合PSpice电路模拟,对模型的准确性进行了验证,并由此间接推算出了铁氧体磁芯在不同情况下的平均脉冲磁导率和介电常数。实验和模拟结果显示,该模型能够准确地反映铁氧体磁芯感应腔在脉冲励磁下的动态物理过程,为感应加速腔实验结果分析、结构优化设计及磁芯性能选取提供了准确有效的方法。

高能X射线能谱测量中衰减材料特性影响

基于衰减透射原理的高能X射线能谱测量,采用蒙特卡罗成像模拟的方法研究衰减材料选择对能谱准确稳定重建的影响。设计多孔准直模型模拟X射线穿过不同衰减材料的透射过程,并在单次成像中获得完整的衰减透射率曲线。由衰减透射率求解能谱是一种病态条件问题,采用改进的迭代扰动法进行解谱,计算时考虑透射率计算值与真实值的差异最小化要求以及高能能谱分布曲线的平滑性特点。通过计算分析了材料在能谱范围内的衰减特性变化趋势与能谱准确稳定重建的内在联系。结果表明,选用材料的质量衰减系数需满足在整个能谱分布范围内单调递减的要求。

PET回旋加速器内部束流测量探头热分析

基于时域有限差分法(FDTD)对PET回旋加速器内部束流测量探头的热传导过程进行了数值模拟。定义了运动和固定两种探头测量模式,在辐射散热的条件下,分别研究了3种探头材料(铜、钽、钨)在两种模式下的表面最高温度和尾部温度随功率加载时间的变化。研究表明:运动模式下,3种探头材料没有明显的优劣,探头速度选为10 mm/s较为合适;固定模式下,由于铜材料具有高黑度、高热导率的优点,是设计探头的最佳材料。

双脉冲电子直线感应加速器实验研究

Mini-LIA为MHz重复频率双脉冲电子直线感应加速器,由双脉冲功率系统、热阴极电子枪注入器及金属玻璃磁芯感应加速腔等组成。在此平台的实验获得了数百ns间隔(即MHz重复频率)的双脉冲高压,每个脉冲幅值达到80kV,脉冲半高全宽为80ns;在感应腔加速间隙处测得双脉冲加速电场;在加速器出口处测量得到流强约1.1A的双脉冲电子束流。实验结果表明:利用硅堆隔离汇流装置可实现MHz重复频率的双脉冲高压,金属玻璃磁芯感应加速腔和六硼化镧热阴极电子枪均适合MHz重复频率双脉冲工作方式。

Blumlein主放电开关中绝缘结构对沿面闪络电压的影响

Blumlein主放电开关作为关键部件被大量地应用于强流电子直线感应加速器等大型脉冲功率装置中,其中绝缘子在主开关中起隔离水或油与气体的作用。设备在高电压脉冲下长时间或高频次作用时,绝缘子气体侧会出现沿面闪络现象,严重影响直线感应加速器的可靠运行。对Blumlein主放电开关中的绝缘结构进行了电场仿真计算,通过对绝缘子的几何结构和电极形状的优化设计,有效调控了绝缘子表面和电极表面的电场分布,试制了不同构型的绝缘子,开展了在标准雷电波脉冲条件下的沿面闪络研究。研究结果表明,优化后的绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%。

螺线管磁场旋转束流法测量Mini-LIA电子束能量

介绍了螺线管磁场旋转束流法的能量测量原理和在Mini-LIA上开展的单脉冲电子束能量测量实验。通过测量束流在螺线管磁场中的旋转角度,得到Mini-LIA出口处电子束能量,与加速器总的加速电压符合得很好。分析了旋束法的测量误差和应用特点,给出了旋束法测量的适用范围。

MHz重复频率双脉冲高压实验研究

介绍了在小型电子直线感应加速器(Mini-LIA)平台上利用两套相同的单脉冲高压功率系统通过脉冲汇流装置获得MHz重复频率双脉冲高压的实验结果。实验结果表明双脉冲高压间隔百纳秒至微秒可调,验证了通过汇流装置可获得百纳秒间隔多脉冲高压。

一种新型矩形密封槽设计

对密封结构设计中经常遇到的问题进行分析,指出矩形密封槽的设计应遵循的4个基本原则,并以此为出发点,进行参数分析、结构尺寸计算,总结出一套具有实际工作意义的矩形密封槽设计方法。在"神龙"加速器等大型复杂系统密封结构设计中的成功应用表明,该设计方法具有简便、易行、有效的特点。同时,提出在中国工程物理研究院实验室等大型复杂系统的密封结构设计中,应确立标准化、系列化的密封圈选取原则,以实现制造维修方便的效果。