强流脉冲束流位置探测器标定技术

电子直线感应加速器性能提升对束流探测器提出了高精度测量要求,由此不仅要求高精度的探测器设计装配技术,而且也要求探测器的准确标定。从强流脉冲束流位置探测器测量原理出发,从理论和实验两方面开展强流脉冲束流位置探测器标定技术研究。在理论上采用解析方法,分析了不同的计算处理方法和标定方法的标定效果,提出了特征平面标定,在建立的位置标定系统上,对用于多脉冲电子直线感应加速器的No.23电阻环进行了标定实验研究,实验结果验证了理论分析结果,根据理论和实验研究结果,确定了强流脉冲束流位置探测器标定方法。

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。

强流脉冲束流位置探测器标定装置物理设计

从强流脉冲电子直线感应加速器电子束流位置探测器测量原理出发,进行了标定装置物理设计,确定标定装置采用同轴结构,对束流探测器位置测量精度和测量范围、偏心同轴线对位置标定结果的影响进行了理论分析,并根据分析结果确定同轴结构内外导体相对位置调节范围、同轴线长度和特性阻抗。电路模拟和实验测量结果验证了在非匹配传输条件下可以得到满足位置标定要求的快脉冲信号波形。

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。

强流短脉冲电子束束剖面测量技术

束流剖面信息的获得对于加速器的研究有着重要的意义。对强流短脉冲电子加速器束剖面测量技术作了评述。目前,发展时间分辨的快响应的光学测量技术及实时在线测量为主要发展趋势。

强流短脉冲电子束束斑实时测量

介绍了一套基于切伦科夫辐射的用于强流短脉冲电子束束斑实时测量的装置。切伦科夫辐射体采用厚度为0.5mm、直径为80mm的石英玻璃,背面经过磨砂处理,安装在磁密封真空传动装置上,可以随传动杆上下左右转动。切伦科夫光经滤光片后由CCD相机进行接收,图像信号经CA MPE 1000F(H)型黑白图像采集卡读入计算机进行处理。报告了在中国工程物理研究院流体物理研究所的12MeVLIA和2MeV注入器上进行的束斑测量实验结果。

高能电子辐照对束测量系统的影响

在直线感应加速器束参数测量系统实验的基础上,给出了束参数测量系统的实验布局和特点,分析高能电子辐照对直线感应加速器中测量系统电子器件介电性能的影响和变化规律;进一步探讨电子器件介电性能受高能电子辐照后的抑制措施。针对电磁空间干扰情况,主要通过采用光纤传输控制信号的措施,能很好地传输窄脉冲,信号延时抖动小,达到了高速信号的可靠传输要求,利用紧凑嵌入式方法,提高了抗电磁干扰的能力,这样可以更好保护束参数测量电子器件。

电磁干扰下时间分辨测量系统信号外触发技术

在实验的基础上给出了束参数时间分辨测量系统的实验布局和特点,分析高压电磁干扰对直线感应加速器中时间分辨测量系统外触发性能的影响和变化规律;进一步探讨系统高压电磁干扰后的抑制措施。针对电磁空间干扰情况,主要通过采用光纤传输控制信号的措施,能很好地传输窄脉冲,信号延时抖动小于2ns,达到了高速信号的可靠传输要求,采用嵌入式控制器既解决了抗电磁干扰的要求,也满足了束参数时间分辨测量系统的使用要求。

高能X射线源焦斑尺寸的时间分辨诊断

将门控分幅相机与快闪烁晶体结合,构成时间分辨X射线诊断系统,对神龙一号直线感应加速器产生的高能脉冲X射线源焦斑进行了测量,在时间间隔为10 ns的情况下,获得了焦斑尺寸随时间的变化曲线。在此基础上,设计了单像素尺寸为0.78 mm×0.78 mm的LYSO闪烁晶体阵列,并进行了X射线照射晶体阵列发光的初步实验,结果表明该阵列可用于高能X射线源焦斑的时间分辨诊断,并能显著提高成像的空间分辨力。

用于高能X光测量的Si-PIN阵列探测器

设计了用于高能X光测量的小面积PIN硅光电二极管线列探测器,通过理论计算和EGSnrc蒙卡软件模拟分析了Si-PIN的探测灵敏度、线性电流和时间响应。根据理论研究可知,该探测器适用于大注量率、高能轫致辐射光的空间分辨力(3 mm)和时间分辨力(8 ns)的测量。并在理论设计的基础上进行了部分实验,采用小面积PIN硅光电二极管和放大电路,在"神龙一号"直线感应加速器上进行高能X光的测量,初步得到了PIN硅光电单元的响应结果,为线列小面积PIN光电管阵列的实用设计提供优化基础。

神龙一号电子束质心运动测量研究

在强流直线感应加速器中,电子束质心位置的控制是一项重要技术,要达到较好的控制效果,前提是对电子束质心位置进行准确的测量和定位.针对具有时间分辨的电子束质心位置的测量和确定,介绍了测量实验系统的建立和数据处理两个方面的研究工作.该处理方法在实际应用时能够将电子束质心位置的误差控制在1～2个像素内.用高速分幅相机以10ns的时间间隔、3ns的曝光时间获得了神龙一号加速器在漂移段出口处的电子束质心运动情况.结果表明:束的质心主要在半径为0.5mm的区域内运动,束斑直径dFWHM值分别为8.4,8.8,8.5,9.3和7.6mm,测量结果可以为束的调控提供准确参数.

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。

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%。

3.3MeV LIA脉冲功率源系统研制

简要介绍了3.3MeV LIA脉冲功率系统的设计思想和结构特点及功率调制过程,论述了如何运用系统的电压传递公式预估实验结果和确定故障位置,以及保证多开关系统实现同步触发的方法,分析了开关油箱中各阻容元件的相互制约关系,以实际测量结果的数据为例,从系统中的各单个开关多次放电和开关群各次放电两方面分析了系统的同步问题,提出进一步提高系统同步性的各种途径。

用于LIA强流脉冲电子束能谱测量的磁分析器设计

为了测量一台直线感应加速器输出的强流脉冲电子束的能谱宽度,开展了磁分析器的设计研究工作。从磁分析器测试能谱的原理出发,根据被测对象以及测试的一些基本条件提出了磁分析器的基本参数,据此进行了磁铁的理论设计,利用Vector Fields公司的Opera3D/Tosca软件对磁铁进行了三维仿真计算,并对理论设计的结果进行了优化。设计得到的磁分析器为C型磁铁,偏转半径300mm,硬边近似后偏转角度60°,磁极间隙30mm,好场区宽度65.4mm。磁分析器的设计结果很好地满足了物理需求。

新类型电子射野影像装置系统-IVS影像质量测试与分析

目的:运用iQC模体对IVS(LinaTech)、iViewGT(Elekta)和aS1000(Varian)三种型号的新类型电子射野影像装置(EPID)系统影像质量进行定量分析。方法:采用EPID影像质量的图像畸变、空间分辨率和低对比度3个质量控制指标,对医院加速器进行月检。运用iQC(LinaTech)检测模体对医院Synergy(Elekta)、Unique(Varian)和600CD(Varian)加载IVS等3台加速器的EPID系统进行影像质量测试,收集15次的测试数据进行统计分析,定量分析不同类型EPID成像质量的差异。结果:三种类型的EPID图像质量均能满足临床需求,获取的EPID图像在图像畸变和低对比度两项检测指标上无统计学差异;IVS在空间分辨率上明显优于iViewGT和aS1000,差异有统计学意义。结论:IVS作为新类型EPID系统可以满足临床影像质量要求,与iViewGT和aS1000相比较,在空间分辨率上具有明显优势。

强流电子束时间分辨系统瞬态脉冲干扰的抑制

强流电子束时间分辨测量系统在直线感应加速器(LIA)环境中会受到一些短暂的高能脉冲干扰,这些瞬态脉冲干扰既针对电路又针对测量系统,这对测量系统电子设备危害很大。介绍了时间分辨测量系统的原理,分析了瞬态脉冲干扰的成因和抑制方法,给出了束参数测量系统的实验布局和特点,分析瞬态脉冲干扰对LIA中测量系统电子器件电性能的影响和变化规律,并进一步探讨电子器件电性能受瞬态脉冲干扰后的抑制措施。通过采用光纤传输控制信号的措施,能很好地传输窄脉冲,信号延时抖动小,达到了高速信号的可靠传输要求,利用紧凑嵌入式方法,提高了抗电磁干扰的能力,这样可以更好地保护束参数测量电子器件,提高了整个系统的抗干扰能力及可靠性。

光学渡越辐射理论及其在直线感应加速器脉冲电子束诊断中的应用

匀速运动的带电粒子在穿过具有不同介电常数的两种媒质界面时要产生所谓光学渡越辐射。该辐射在粒子的入射平面上呈偏振行为;从辐射强度的角分布可以确定入射粒子的能量。在入射到双膜系统的情况下,由于干涉的发生,在第二膜前表面的强度角分布有振荡行为。利用这些现象,可对脉冲电子束包络半径、束电流密度的横向分布,束能量以及横向散角进行测量,依照这一原理在各LIA加速器上进行的脉冲电子束参数测量,获得的有效数据极大地提高了加速器的调试效率。

碳纳米管阴极强流脉冲发射特性实验

在2 MeV直线感应加速器注入器平台上研究了采用浸渍涂覆方法制备的大面积碳纳米管阴极发射体的强流发射特性。研究结果表明:在脉冲高压电场下,碳纳米管阴极具有强流电子束发射能力,发射电流密度较大;碳纳米管阴极发射电子过程为场致等离子体发射。实验过程中,阴极端取样电阻环收集到的最大发射电流达350 A,阳极端法拉第筒收集的发射电流为167 A,最大阴极发射电流密度为19.4 A/cm2。

三种高密度强流束亮度测量技术

利用已经建成的4 MeV LIA注入器,结合时间分辨测量系统研究了三种测量技术:发射度测量法、无场准直器和磁场准直器测量法。介绍了强流束亮度定义和典型方法理论分析及测量技术的物理概念,提出了用于猝发多脉冲电子束发射度测量装置的设计与调试,通过对时间分辨测量系统的分幅相机记录的光强度分布信息处理,得到电子束束斑均方根半径和发射角,分析某一时刻数据,即可得到电子束某一时刻发射度,从而获得多脉冲电子束时间分辨发射度。在4 MeV LIA注入器上对多脉冲电子束流的发射度进行测量,得到电子束归一化均方根发射度约为114mm·mrad、双脉冲456mm·mrad的归一化发射度。最后结合电子束的高斯分布初步分析并给出均方根发射度、实测发射度和边发射度的关系。