“神龙一号”直线感应电子加速器
直线感应加速器中四极磁铁聚焦强流电子束研究
!第1*卷第5'期原子能科学技术d M S Z1*!%M Z5' !'-',年5'月9E M3J LV Q N)"I D L J N Q L N C Q&U N L A Q M S M"I P N L Z'-',直线感应加速器中四极磁铁聚焦强流电子束研究荆晓兵 王!毅 杨治勇 石金水"中国工程物理研究院流体物理研究所脉冲功率科学与技术重点实验室!四川绵阳!8'5.--#摘要 为获取小尺寸束斑!研究了直线感应加速器"F+9#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'33的H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533的束斑%关键词 直线感应加速器)强流电子束)四极磁铁)聚焦中图分类号 U F1,文献标志码 9文章编号 5---$8.,5"'-',#5'$'6,1$-/503 5-Z*1,/+I]\Z'-',Z I M>_J C Q Z-1/1P295806F049736E R3E/M911.62C-.42106T.+=7@32/U9+519;0-.$+E6.2736V Q H[+%^H J C M G J Q"!29%^e J!e9%^(A J I M Q"!D c+[J Q R A>J"N39'0O<605<69<I F A+43F<G36?%/31%301>(3%;1<+<89!D145/5A53<I T+A/>F;94/%4!=;/10P%0>3K9<I718/1336/18F;94/%4!:/0190188'5.--!=;/10#H,721+42*!9J3N&E MM G E C J QR3C S S$R J]N&G N C3R T M E R!E A N K M L>R J Q"L A C)C L E N)J R E J L RM KA J"A L>))N Q E N S N L E)M QG N C3R"N Q N)C E N&G I S J Q N C)J Q&>L E J M QC L L N S N)C E M)R"F+9#b J E AE A N i>C$ &)>T M S N3C"Q N E Rb N)N R E>&J N&J Q E A J R T C T N)Z U A N3C J Q K C L E M)Rb A J L A J Q K S>N Q L N E A N3J Q J$3>3G N C3R T M E R J]N M K A J"A L>))N Q E N S N L E)M QG N C3Rb N)N C Q C S I]N&Z U A N A J"A$M)&N)3C"$Q N E J L K J N S&L M3T M Q N Q E R C Q&Q M Q S J Q N C)N K K N L E R G N E b N N Q C i>C&)>T M S N3C"Q N E C Q&C R M S N Q M J& L M J Sb N)N L M3T C)N&!C Q&E A N N_T)N R R J M Q R K M)E A N3J Q J3>3G N C3R T M E)C&J>Rb A N Q K M L>$ R J Q"b J E A i>C&)>T M S N3C"Q N E Rb N)N&N)J a N&Z:C R N&M Q E A J R!J E J R T M J Q E N&M>E E A C E>Q&N)E A N R C3N J Q L J&N Q E N S N L E)M QG N C3T C)C3N E N)R!J E J R C T M E N Q E J C S E M>R N C i>C&)>T M S N3C"Q N Eb J E AR E)M Q"N)K M L>R J Q"C G J S J E I C Q&R3C S S N)C G N))C E J M QC RC K M L>R J Q"N S N3N Q E J QM)&N)E MC L A J N a NG N E E N)K M L>R J Q"M KA J"AL>))N Q EN S N L E)M QG N C3RC Q&M G E C J QR3C S S N)G N C3R T M ER J]N R Z U A N Q E A N\N I&N R J"Q J Q"T M J Q E R K M)E A N K M L>R J Q"G N C3S J Q N M K C i>C&)>T M S N3C"Q N Eb N)N T)M T M R N&Z U A N i>C&)>T M S N3C"Q N E K M L>R J Q"G N C3S J Q N Rb N)N R J3>S C E N&b J E AU)C L N$,PC Q&:V9!=9U c!C Q&E b ME I T N RM K K M L>R J Q"G N C3S J Q N&N R J"Q RC Q&E A NN_T N L E N&收稿日期 '-',$-/$56)修回日期 '-',$5-$5'3J Q J3>3G N C3R T M E R J]N Rb N)N"J a N Q Z U A N K J)R E E I T N J R G C R N&M Q E A N N_J R E J Q"i>C&)>T M S N 3C"Q N E Rb A J S N E A NR N L M Q&E I T N J RC QM T E J3J]N&S C I M>EM KR E)M Q"N)K M L>R J Q"i>C&)>T M S N 3C"Q N E R Z+EL C Q G NR N N QK)M3E A NQ>3N)J L C SR J3>S C E J M Q)N R>S E RE A C EE A NJ Q K S>N Q L NM K N S N L E)M QG N C3N Q N)"I&J a N)"N Q L N C Q&N3J E E C Q L N J R R3C S S N)b A N Q E A N K M L>R N&G N C3S J Q N J R &N R J"Q N&b J E ACR E)M Q"N)K M L>R J Q"3C"Q N E J L K J N S&!R3C S S N)G N C3E)C Q R3J R R J M QN Q a N S M T N C Q&R A M)E N)K M L C S S N Q"E A Z9Q N_T N)J3N Q E C S R E>&I>R J Q"E A N K J)R E E I T N&N R J"Qb C R L M Q&>L$ E N&M Q C S J Q N C)J Q&>L E J M Q C L L N S N)C E M)E M M G E C J Q R3C S S H$)C I R T M E Rb J E A C Q N_J R E J Q"i>C&)>$ T M S N3C"Q N E Z U A N T C)C3N E N)R R>L AC RN S N L E)M QG N C3N Q N)"I C Q&L>))N Q E J Q E N Q R J E I b N)N 3N C R>)N&K M)N C L AR A M E!C Q&E A NG N C3R T M E&J R E)J G>E J M QC EE A NG)N3R R E)C A S>Q"E C)"N E R>)K C L Nb C RN i>J a C S N Q E S I M G E C J Q N&G I3N C R>)J Q"E A N H$)C I R T M E&J R E)J G>E J M Q>R J Q"C T J Q$A M S N J3C"J Q"R N E>T Z+Q E A N N_T N)J3N Q E!b A N Q C K M L C S S N Q"E A C E E A N N Q&J R'6133E A N H$)C I K M L C S R T M E Rb J E A"M M&R I33N E)I C Q&A C S Kb J&E A S N R R E A C Q'33J QG M E A&J)N L E J M Q R C)N M G E C J Q N&!b A J L AJ RR J3J S C)E ME A NQ>3N)J L C S R J3>S C E J M Q)N R>S E R Z9E E A NR C3NE J3N!E A N M)N E J L C S C Q C S I R J R C Q&Q>3N)J L C S R J3>S C E J M QC S R M"C a N C QN_T N L E C E J M Q E M K>)E A N)C L A J N a N R3C S S N)K M L C S R T M E R J]N RG I>R J Q"M T E J3J]N&&N R J"QM K i>C&)>T M S N3C"Q N E K M L>R J Q"G N C3 S J Q N R ZI.8@0157*S J Q N C)J Q&>L E J M QC L L N S N)C E M))A J"AL>))N Q E N S N L E)M QG N C3)i>C&)>T M S N3C"$ Q N E)K M L>R!!在闪光H射线照相'5(应用中!需要将加速器产生的流强为数千安培的强流电子束聚焦!以获得小尺寸束斑%对于电子束!利用螺线管所产生的纵向磁场对电子的横向运动进行聚焦是简便且有效的方法!它可实现两个方向的同时聚焦!目前世界上具有代表性的直线感应加速器"F+9#均采用包铁螺线管短磁透镜实现电子束的末端聚焦''$8(%应用中!螺线管也有一些固有缺点!当线圈纵向尺寸较短时!由于纵向磁场均匀性的破坏导致磁场的高阶分量增大!将对经过的电子束产生较大的非线性作用'*()当电子能量较大时!其提供的径向聚焦力较弱%作为能够提供强聚焦力的元件!四极磁铁在各种粒子聚焦传输中都有广泛的应用%但在直线感应加速器中目前仅有少量应用!主要用于束流偏转和截面形状调整'/$.(!尚未见到使用四极磁铁开展强流电子束聚焦获取小尺寸束斑的研究报道%对于能量数十!N d的千安培强流电子束!相对于一般的螺线管线圈!四极磁铁能够提供更强的聚焦力$更小的高阶磁场分量!具备应用于强流电子束聚焦的潜力%本文以获取小尺寸束斑为目标!对直线感应加速器产生的强流电子束在四极磁铁作用下的聚焦特性进行研究%!!影响束斑尺寸的主要因素考虑横载面上均匀分布的平行入射电子束!影响聚焦过程的主要因素有束流空间电荷效应$束流发射度$聚焦场球面像差$色散像差!这些因素制约的最小束斑半径"分别为6i$6N$ 6R$6L#'5-(计算如下*63J Q"6'i#6'N#6'R#6槡'L6i",-N_T"$$'+'N#6N"'N+$6R"=R$,+6!=R""I+6T#,"6T6L"'=L$+5#+"++!=L"5'&,I,-./&"5#其中*63J Q为总的最小束斑半径),-为入射电子束半径)&为入射电子动量)I为焦距)$为经过聚焦磁铁后的束包络会聚角!$7,-+I)N为电子束的广义导流系数)'N为束流的几何发射度) =R为聚焦磁铁的球面像差系数)=L为聚焦磁铁的色散像差系数)+为相对论系数)"+++为能散度%直线感应加速器中电子束能量为5-! '-!N d$流强为数\9!由式"5#可知!空间电荷效应限制的最小束斑半径小于-?-533!是很8,6'原子能科学技术!!第1*卷小的量%球面像差描述入射粒子因径向位置差异导致的聚焦差异程度%直线感应加速器中电子束的径向尺寸多为L 3级!已接近聚焦元件的尺寸!相应的球面像差影响也较大%螺线管短磁透镜球面像差限制的最小束斑半径通常为-!533%四极磁铁在6-@孔径范围内"与直线感应加速器中束流尺寸相当#!聚焦磁场的非线性分量减弱至主磁场万分之一以下是易于实现的!其球面像差的影响远小于螺线管短磁透镜%色散像差描述入射粒子因动量差异导致的聚焦焦距差异程度%理想四极磁铁的焦距为*I ;"5U i R J Q "U i +#"53槡8R J Q "38+槡&#&-?1I P "$5U i R J Q A "U i +#"$53槡8R J Q A "38+槡&#&-./-?1"'#式中*I ;为聚焦平面焦距)I P 为散焦平面焦距)U i 为四极磁铁聚焦强度)+为磁铁有效长度)3为电子电荷量)8为磁场梯度)&为电子动量%利用色散像差系数的定义!从焦距公式可求得四极磁铁在聚焦平面和散焦平面的色散像差系数=L !如式",#所示%=L !;"56'5#L M E "U i +#U i+(I ;=L !P "56'5#L M E A "U i +#U i+(I -./P ",#!!取四极磁场纵向有效长度为-?513!四极磁铁焦距I $色散像差系数=L 随聚焦强度U i 的变化如图5所示%不论在聚焦平面还是在散焦平面!I 在-?5!53范围内变化时!=L+I 在-?6!-?8之间变化%螺线管短磁透镜的色散像差系数可利用同样方法计算获得!其=L+I 一般在-?*!5之间%将上述分析引入式"5#!可得采用螺线管线圈$四极磁铁聚焦电子束时的最小束斑半径*6'3J Q !D"''NI ',$'-#"',6#,$'"-"+5##+'#558='R ,8-I $8"6#6'3J Q !f "''N I ',$'-#"-?*,5?1#,"'-"+5##+'"1#式中!63J Q !D 和63J Q !f 分别为采用螺线管短磁透镜聚焦和四极磁铁聚焦获取的最小束斑半径%式"6#中!聚焦磁铁色散像差系数取-?*!5倍焦距%式"1#中!聚焦磁铁色散像差系数取-?6!-?8倍焦距!聚焦磁铁球面像差系数取-%由式"6#可知!对于螺线管短磁透镜!在束流参数确定的情况下!减小焦距虽有利于弱化发射度项!但同时需防止球面像差项的快速增长%在入口束包络半径选择上也面临同样的问题!减小入口处包络半径有利于弱化聚焦磁场的非线性效应!但增大了发射度项的影响%对于四极磁铁!选择要简单些!在束流参数确定的情况下!减小包络半径有利于弱化聚焦磁场的非线性效应!虽然导致了发射度项的增大!但只要同步增强聚焦减小焦距!即可实现总束斑尺寸的减小%在同样入射电子束参数情况下!使用聚焦能力更强$像差更小的四极磁铁作为聚焦元件具有获取更小束斑尺寸的潜力%C ,,,聚焦平面)G ,,,散焦平面图5!四极磁铁焦距$色散像差系数随聚焦强度的变化;J "Z 5!W A C Q "N R J Q K M L C S S N Q "E AC Q &&J R T N )R J M Q L M N K K J L J N Q E M K i >C &)>T M S N3C "Q N E Rb J E A K M L >R J Q "J Q E N Q R J E I*,6'第5'期!!荆晓兵等*直线感应加速器中四极磁铁聚焦强流电子束研究#!四极磁铁聚焦束线设计#"!!四极磁铁聚焦设计直线感应加速器四极磁铁聚焦束线的设计目标是在韧致辐射靶面处获得横向尺寸尽可能小的束斑!根据式"1#!四极磁铁聚焦束线设计中需注意以下几点*5#要充分发挥四极磁铁的强聚焦效果!设计时尽量减小末端磁铁与靶面的距离)'#为减小能散度的影响!需尽量减小聚焦束线中的束包络尺寸),#为获取对称分布的束斑!末端磁铁出口处)$9方向需具有相同的包络尺寸和会聚角%由于直线感应加速器提供的入射电子束为轴对称分布!仅采用'块四极磁铁无法在同一纵向位置处实现)$9方向均相同的包络尺寸$会聚角!必须采用更多磁铁的组合设计!将束流截面进行逐步整形后再聚焦打靶%基于上述分析!四极磁铁聚焦束线采用水平方向;P;"聚焦$散焦$聚焦#的三级聚焦结构设计*第5个四极磁铁对束截面进行整形!实现)方向尺寸减小$9方向尺寸增大)第'个四级磁铁对束流进行垂直方向的聚焦!在第'块四极磁铁的出口!)方向具有小的发散角!9方向具有大的会聚角)第,个四极磁铁实现水平方向的聚焦!电子束经过第,块磁铁时!)方向受到聚焦作用!在出口处形成会聚角!9方向虽受到散焦作用!但由于入口处会聚角较大!所以在出口处仍能保持会聚状态!在第,块磁铁出口处)$9方向实现相同的横向尺寸和会聚角%#"#!数值模拟四极磁铁聚焦束线设计中采用了两种数值模拟程序!首先使用基于传输矩阵计算开发的程序U)C L N,P'55(开展初步设计!其次采用基于=)C E J L S N$+Q$W N S S"=+W#方法开发的粒子跟踪模拟程序:V9!=9U c'5'(进行优化设计%U)C L N,P程序采用矩阵计算!能够快速给出大传输距离内束流包络变化情况!采用它可高效完成四极磁铁聚焦束线配置下的束流包络$焦距的初步设计%:V9!=9U c程序采用有限差分方法和粒子模拟方法对麦克斯韦方程组和洛伦兹方程进行自洽的数值求解!能够反映U)C L N,P程序无法考虑的聚焦磁铁像差等影响!提供更丰富的数值模拟结果%取电子束参数为*能量!5/?1!N d)流强!'?-\9)归一化发射度!''6-33&3)C&"高斯分布!包含.-@粒子#)能散度!5@)入口处束包络半径!,-33)包络倾角!-X%利用U)C L N$ ,P程序和:V9!=9U c程序!得到两种四极磁铁聚焦束线设计及预期可获得的最小束斑尺寸%验证束线设计是基于已有磁铁元件的布局!优化束线设计是采用新开发$聚焦能力更强磁铁元件的优化布局%计算得到的两种磁铁布局$磁场配置及靶面处束斑半高宽";2c!#列于表5%表!!两种聚焦束线设计与最小束斑尺寸预估*+,-.!!*@0:36570<5.73E6<0497.5,.+=-36.+65 .723=+23060<=363=9=,.+=7;0273?.参数数值验证束线设计优化束线设计5#磁铁磁场有效宽度!33'1-'1-5#磁铁磁场梯度!U+34-?8'4-?*-5#$'#磁铁中心间距!336--,-1'#磁铁磁场有效宽度!335618-'#磁铁磁场梯度!U+3'?-1.?-6'#$,#磁铁中心间距!33'115,-,#磁铁磁场有效宽度!335618-,#磁铁磁场梯度!U+34'?1-458?.-,#磁铁中心与靶面间距!33'61.-靶面处束斑半高宽!335?/!5?.5?5!5?'从数值模拟结果来看!采用验证束线设计可获得半高宽约5?/33$对称性较好的束斑%而优化束线设计中磁铁提供的聚焦磁场更强$束包络更小$焦距更短!使得能散度$发射度的影响更小!可获得半高宽接近533的束斑%A!实验结果与分析A"!!实验布局在直线感应加速器平台上开展了四极磁铁聚焦强流电子束实验研究!实验布局如图'所示%主要器件为*直线感应加速器平台!为强流电子束产生系统)四极磁铁聚焦束线!由,块四极磁铁及真空管道组成!其中磁铁尺寸$安装位置及初始磁场配置与表5中验证束线设计一致)束流探测器!用于测量打靶电子束流强参数)韧致辐射靶!用于产生H射线光源)小孔测量装置$H射线成像转换屏$反射镜和W W P相机组成H射线光源分布测量系统%/,6'原子能科学技术!!第1*卷图'!四极磁铁聚焦束线实验布局;J"Z'!V_T N)J3N Q E C S S C I M>E M K i>C&)>T M S N3C"Q N E K M L>R J Q"G N C3S J Q N!!直线感应加速器产生的强流电子束经四极磁铁聚焦后轰击在韧致辐射靶面上!产生H射线光源%通过调节四极磁铁的励磁电流可改变聚焦磁场强度!从而调整靶面处的电子束斑分布!与其等效的H射线光源尺寸则通过厚针孔法测量获取%A"#!W射线光源尺寸测量应用厚针孔法对H射线光源尺寸进行测量!即利用射线的直线传播特性进行投影成像!通过测量像面光斑分布计算得到物面光源尺寸!其中使用重金属材料厚针孔结构体对H射线进行空间限束%图,为H射线光源尺寸测量示意图!其中>为针孔孔径!'为针孔轴向长度!0为针孔出射面至光源距离!O为针孔出射面至接收平面距离%图,!H射线光源尺寸测量示意图;J"Z,!D L A N3C E J L&J C")C3M KH$)C I S J"A E R M>)L N R J]N3N C R>)N3N Q E针孔装置可测量的最大几何边界直径为.7'0&>+'%当光源尺寸远小于针孔装置可测量的最大几何边界时!光源尺寸'5,$56(可表示为*C-"C+:"8#其中*C-为靶面处H射线光源尺寸)C为接收系统处图像尺寸):7O+0为成像系统几何放大比%由于针孔孔径不为-!物平面上一点在像平面上会扩散为一个圆斑!从而影响测量的空间分辨能力%针孔装置轴向长度趋近-时!其空间分辨能力""6#可根据式"*#进行估计*"6">"5#5+:#"*# !!针孔孔径越小$成像几何放大比越大时!空间分辨率越高!实际使用中通常>取机械加工能力的极限!一般为-?,!-?133%需要指出!式"*#表示的点光源成像模糊!当待测对象为具有一定空间分布的光源时!各发光点在成像平面上扩散为大小相近的圆斑!光源尺寸测量误差将小于式"*#给出的空间分辨能力%光子穿过吸收物质后!其强度按指数规律衰减!则接收平面上的H射线本底强度为*@"@-N$-""+"/#其中*@为接收平面上远离针孔轴线处的H射线强度)@-为接收平面上针孔轴线对应处的H射线强度)"$-"$+分别为针孔装置的密度$质量吸收系数$轴向长度%针孔装置轴向长度不足时!本底光强偏大!将导致测量结果失真%设计时可取@约等于@-的5@!当光子能量为,! 1!N d$材料为钨时!针孔装置轴向长度需大于8-33%针孔装置孔径小而轴长大!导致其成像视场较小!随着发光点偏离中心位置的距离增大!其对应的透射孔面积逐渐减小!引起光源边缘强度测量偏低!成像畸变!;2c!测量值偏小%不考虑光子透射情况下!偏心距离)处发光点对应的透射孔面积?")#计算如下*")#">''L M R$5')0>$')'0>'$''0')槡'".# !!针对确定的针孔孔径>减小针孔轴向长.,6'第5'期!!荆晓兵等*直线感应加速器中四极磁铁聚焦强流电子束研究度'!针对确定的被测.射线光源分布增大针孔装置与光源距离0!均可减小该因素的影响%如针孔装置准直定位存在偏差!将导致光源中心偏离针孔轴线!造成在偏心方向成像分布不对称性的图像畸变%从上述讨论可看出!使用厚针孔装置测量H 光源尺寸的物理过程复杂!测量误差与装置结构$照相布局$待测光源分布均密切相关!基于式"8#!".#可完成测量系统的基本设计!但详细优化和测量误差评估通常需要借助数值模拟计算来开展%厚针孔装置由钨板加工而成!如图6所示!其中针孔孔径为-?6*33$轴向长度为8133!小孔出射面到待测光源和成像转换屏的距离分别为5'*/33和68-.33!H 射线成像转换屏单个像素点尺寸为-?51533%采用激光跟踪仪进行准直安装!针孔装置的定位误差可控制在-?-633以内!等效为光源偏心不大于-?/33%图6!厚针孔装置实物照片;J "Z 6!=A M E MM K T J Q A M S N &N a J L N 分析可知!厚针孔成像测量系统可测量的最大几何边界直径约为5/?133%直线感应加速器产生的H 光源;2c!通常为5!,33!远小于针孔装置可测量的最大几何边界!所以可应用式"8#进行光源尺寸的测量%采用!W %=程序'51(对厚针孔法测量H 射线光源尺寸过程进行了数值模拟和测量误差评估!模拟计算中设置光源;2c!为5!633"高斯分布#!模拟获得的光源分布典型结果示于图1!不同光源的;2c!列于表'%由表'可见!待测光源尺寸较大时!光源尺寸测量值偏小!且光源尺寸越大相对偏差越大!这与前文关于厚针孔装置引起成像畸变的分析相一致%待测光源尺寸小于,33时!光源;2c!测量相对偏差不大于5-@%图1!数值模拟中设置及测量的光源分布;J "Z 1!F J "A E R M >)L N &J R E )J G >E J M Q R N E C Q &3N C R >)N &J QQ >3N )J L C S R J 3>S C E J M Q 表#!$M 'G 模拟计算结果*+,-.#!$M 'G73=9-+23064+-49-+23061.79-27光源;2c!+33设置值测量值相对偏差+@5?--5?-,,?-5?1-5?6.4-?*'?--5?.,4,?1'?1-'?,841?8,?--'?*84/?-,?1-,?5645-?,6?--,?1545'?,A "A !实验结果图8为四极磁铁聚焦束线调试实验中获得的H 射线焦斑图像!图中右侧色条表示光源相对强度!黑色虚线为光源强度1-@峰值等高线!白色虚线为'-@峰值等高线)横纵坐标为像素点!根据像素点尺寸和照相放大比!可利用式"8#计算靶面处H 光源尺寸%由测量结果可看出!H 射线焦斑形状复杂!偏离标准椭圆较远%数据处理中!用以下,个指标来描述H 射线焦斑形状*5#等效半高宽!计算图像中1-@峰值等高线包围区域的面积!并求出相等面积圆的直径!以此作为焦斑的等效半高宽)'#)方向"水平方向#投影半高宽),#9方向"垂直方向#投影半高宽%各发次实验中的电子束参数$四极磁铁励磁电流及H 射线焦斑尺寸数据列于表,%-66'原子能科学技术!!第1*卷图8!聚焦磁场优化实验中获得的H射线焦斑图像;J"Z8!H$)C I K M L C S R T M E J3C"N R M G E C J Q N&J Q K M L>R N&3C"Q N E J L K J N S&C&g>R E3N Q E N_T N)J3N Q E R表A!四极磁铁聚焦束线调试实验参数*+,-.A!C S;.13=.62+-;+1+=.2.170<X9+519;0-.=+E6.2<049736E+655.,9E E36E参数不同实验发次的参数值'*'/'.,-,5,',,,6电子束能量!!N d5/?685/?,85/?,'5/?-55/?6.5/?685/?6.5/?-'电子束流强!\9'?--5?//5?/15?/85?/85?/.5?//5?.' 5#磁铁励磁电流!98?/8?1*?-*?,*?//?-/?-*?/ '#磁铁励磁电流!98-?-1.?-85?-8'?-8'?.8,?,8'?.8,?5 ,#磁铁励磁电流!9*1?-*1?-*8?-*.?-/5?-/5?./5?./5?-H射线焦斑等效半高宽!33'?666?'''?,-'?6.5?//'?**'?5,'?8/ H射线焦斑)方向投影半高宽!33'?6-,?65'?68'?185?8*'?5-5?.''?61 H射线焦斑9方向投影半高宽!33,?5-1?'6'?5/'?,85?//6?-6'?,16?'1!!'*号实验采用初始磁场配置!从测量结果看!对其进行优化的重点是减小9方向焦斑尺寸及焦斑分布的对称性!调试中减小了5#$'#磁铁电流!即'/号实验采用的磁场配置%实验结果显示)$9方向尺寸均增大!表明'*号实验配置中)$9方向均聚焦不足%由此!在'.号实验中同时按比例增大,个四极磁铁的聚焦强度!两个方向焦斑尺寸均减小到'?133左右!且对称性较好%,-号实验中!,个磁铁的聚焦强度再次增大约6@!焦斑尺寸变化不大!根据数值模拟数据!对于电子能量5/?,!N d的情况!,-号实验中的磁场配置较为合适!对于目标能量5/?1!N d!聚焦磁场则需再增大5@!'@%,5号实验中!将,个磁铁的聚焦强度再次增大后!获得了两个方向均小于'33的焦斑尺寸%,'!,1号实验中!将,个四极磁铁的聚焦强度做了双向小幅度改变!从焦斑测量结果看!,5号实验中的磁场配置为最优配置!5?/33左右的焦斑尺寸也与'?'节的模拟计算预期相符%N!结论本文对强流电子束在磁铁作用下的聚焦行为进行了分析!讨论了四极磁铁的高阶磁场分量和非线性作用影响!推导了分别采用螺线管短磁透镜和四极磁铁聚焦时!电子束最小束斑半径的表达式!指出采用聚焦强度大$像差小的四极磁铁作为聚焦元件有望在韧致辐射靶面处获取较小的束斑尺寸%设计了四极磁铁聚焦束线!并以直线感应加速器为平台!开展了四极磁566'第5'期!!荆晓兵等*直线感应加速器中四极磁铁聚焦强流电子束研究铁聚焦实验研究!在末端焦距'6133的布局下!获得了两个方向半高宽均小于'33!且对称性较好的H射线焦斑%实验结果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533的束斑%参考文献'5(!=V9W c0!V0P9c F W Z=C)E J L S NG N C3)C&J M$ ")C T A I'[(ZO N a J N b RM K9L L N S N)C E M)D L J N Q L NC Q&U N L A Q M S M"I!'-5,!8*55*$56'Z''(!:`O%D![!W9O F D U V%:V!029%U[U!N E C S Z P9O c UC L L N S N)C E M)R>T&C E NC Q&T S C Q R K M) J Q J E J C S M T N)C E J M Q'W('=)M L N N&J Q"RM K5...=C)E J$L S N9L L N S N)C E M)W M Q K N)N Q L N Z%N b e M)\*'R Z Q Z(!5...Z',(!!V O F VV!:#+d+%V U O!!#`+F F V U!!N EC S Z U)C Q R T M)E M K E A N5Z.'$,Z5\99+O+HN S N L E)M QG N C3'W('=)M L N N&J Q"RM K'--5=C)E J L S N9L L N S N)$C E M)W M Q K N)N Q L N Z W A J L C"M*'R Z Q Z(!'--5Z'6(!丁伯南!邓建军!王华岑!等Z-神龙一号.直线感应电子加速器'[(Z高能物理与核物理!'--1!'."8#*8-6$85-ZP+%^:M Q C Q!P V%^[J C Q g>Q!29%^c>C L N Q!N E C S Z P)C"M Q$(S J Q N C)J Q&>L E J M Q N S N L E)M Q C L L N S N)$C E M)'[(Z c J"AV Q N)"I=A I R J L R C Q&%>L S N C)=A I R$J L R!'--1!'."8#*8-6$85-"J QW A J Q N R N#Z'1(!D W c`F(V!!9O W c`F V U9O!:9O9((9[!N E C S Z W M33J R R J M Q J Q"E A NP9O c U$*C L L N S N)C E M)&M b Q R E)N C3E)C Q R T M)E C Q&E C)"N E'W('=)M L N N&$ J Q"R M KF J Q N C)9L L N S N)C E M)W M Q K N)N Q L N'--/Z d J L$E M)J C*'R Z Q Z(!'--/Z'8(!石金水!邓建军!章林文!等Z神龙二号加速器及其关键技术'[(Z强激光与粒子束!'-58!'/"5#* -5-'-5ZD c+[J Q R A>J!P V%^[J C Q g>Q!(c9%^F J Q b N Q!N E C S ZP)C"M Q$*C L L N S N)C E M)C Q&J E R\N I E N L A Q M S M"I'[(Z c J"A=M b N)F C R N)C Q&=C)E J L S N:N C3R!'-58!'/"5#*-5-'-5"J QW A J Q N R N#Z'*(!杨尧!张子民!张文慧!等Z螺线管透镜像差导致的束流发射度增长研究'[(Z原子能科学技术!'-5,!6*"5'#*',,8$',6-Ze9%^e C M!(c9%^(J3J Q!(c9%^2N Q A>J!N E C S Z D E>&I M QG N C3N3J E E C Q L N")M b E AJ Q&>L N&G I R T A N)J L C S C G N))C E J M Q M K R M S N Q M J&S N Q R'[(Z9E M3J LV Q N)"I D L J N Q L NC Q&U N L A Q M S M"I!'-5,!6*"5'#*',,8$',6-"J QW A J Q N R N#Z'/(!2V D U V%D0#2^9!:V O U#F+%+FO!P`;$ ;e=U!N EC S ZP9O c U$*&M b Q R E)N C3E)C Q R$T M)E G N C3S J Q N'W('=)M L N N&J Q"RM K'--5=C)E J L S N9L L N S N)C E M)W M Q K N)N Q L N Z W A J L C"M*'R Z Q Z(!'--5Z '.(!2V D U V%D0#2^9!:V O U#F+%+F O!W c V%e[!N EC S ZP N R J"Q M KE A N P9O c U$*&M b Q R E)N C3G N C3S J Q N'W('=)M L N N&J Q"R M KF J Q N C)9L L N S N)C E M)W M Q K N)N Q L N'--'Z^I N M Q"g>*'R Z Q Z(!'--'Z'5-(石金水!刘承俊!邓建军!等Z5-!N d F+9强流电子束的聚焦'[(Z强激光与粒子束!5..8!/"'#* '-.$'56ZD c+[J Q R A>J!F+`W A N Q"g>Q!P V%^[J C Q g>Q!N EC S Z;M L>R J Q"M KJ Q E N Q R NN S N L E)M Q G N C3RK M)E A N5-!N dF+9'[(Z c J"A=M b N)F C R N)C Q&=C)E J L S N:N C3R!5..8!/"'#*'-.$'56"J QW A J Q N R N#Z'55(W O9%P9F F0O!O`D U c#+P=Z U O9W V,$P &M L>3N Q E C E J M Q*,)&V&J E J M Q!F9$`O$.*$//8'O(Z F M R9S C3M R!`D9*F M R9S C3M R%C E J M Q C S F C$G M)C E M)I!5..*Z'5'(:9U e^+%e:Z=C)E J L S N$J Q$L N S SL M&N:V9!$ =9U cK M)G N C3&I Q C3J L RR J3>S C E J M Q RJ QS J Q N C)C L L N S N)C E M)RC Q&G N C3S J Q N R'[(Z%>L S N C)+Q R E)>$3N Q E R C Q&!N E A M&R J Q=A I R J L R O N R N C)L A9!'--1!1,.",#*611$6/.Z'5,(王毅!李勤!代志勇!等Z高能闪光射线源空间位置抖动实验测量'[(Z强激光与粒子束!'-58!'/"/#*-/15-'Z29%^e J!F+f J Q!P9+(A J I M Q"!N E C S Z V_T N)J$3N Q E C S3N C R>)N3N Q E M K R T C E J C S T M R J E J M Q g J E E N)R M K CA J"A$N Q N)"I)C&J M")C T A J L R M>)L N'[(Zc J"A=M b N)F C R N)C Q&=C)E J L S N:N 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11-3电子感应加速器
涡电流的热效应 利用涡电流进行加热 1、冶炼难熔金属及特种合金 、 2、家用 如：电磁灶 、 3、 3、电磁阻尼 利弊 热效应过强、温度过高， 热效应过强、温度过高， 易破坏绝缘，损耗电能， 易破坏绝缘，损耗电能，还可能造成事故
涡流线 交 流 电 源 铁芯
减少涡流： 、 减少涡流： 1、选择高阻值材料
11-3 电子感应加速器
一、 电子感应加速器 利用涡旋电场对电子进行加速
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •f• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
ห้องสมุดไป่ตู้
电子束
• • • • •
F涡
• • • •
E涡
靶
电子枪
涡电流（涡流） 二、 涡电流（涡流） Vortex Current
大块的金属在磁场中运动， 大块的金属在磁场中运动，或处在变化的磁 场中，金属内部也要产生感应电流， 场中，金属内部也要产生感应电流，这种电流在 金属内部自成闭合回路，称为涡电流或涡流 涡电流或涡流。 金属内部自成闭合回路，称为涡电流或涡流。 涡流线 交 流 电 源 铁芯 趋肤效应——涡电流或涡流这种交变电流集中 涡电流或涡流这种交变电流集中 趋肤效应 于导体表面的效应。 于导体表面的效应。
直线感应加速器输运磁场遗传算法优化
术 问题 是 ： 如何 保证 束流在 加 速的 同时 ， 保 持或 改善束 流 品质 ， 这 是加 速器 设 计及 调 试 的关 键技 术 之 一 。 目前
闪光 Ｘ射 线照相 是直 线感应 加速 器 （ Ｌ Ｉ Ａ） 口 ］ 的一个应 用方 向。为获得 高质 量 的闪光 照相 图像 ， 需要 Ｌ Ｉ Ａ 提 供高 品质 （ 流强 高 、 发射 度小 、 能散 低） 电子束 。大型 直线 感应 加 速器 的主体 由多个 加速 腔 叠 加排 列 构成 ， 装
直 线 感应 加 速 器 输运 磁 场 遗传 算 法优 化
王 强， 赵海龙， 代 志勇， 孙文遂 ， 谢 龙 ， 王文斗
（ 中 国工 程 物 理研 究 院 流 体 物 理研 究 所 ，四川 绵 阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ）
摘
要： 以 直线 感 应 加 速 器 （ Ｌ Ｉ Ａ） 匹 配磁场设 计和束 线调 谐为背 景 ， 提 出 解 决 强 流 相 对 论 电 子 束 长 距
ｌ 基 于 遗传 算 法 的优 化 模 型
建立 的基 于遗传算 法 的 Ｌ Ｉ Ａ 主螺线 管线 圈励磁 电流 优化模 型包 括两个 部分 ： 遗 传算 法 优化 计算 和束 流 输 运过 程数值 模拟 。优 化思路 是 ： 采 用束 流输运 过程 的数值 模 拟替代 实验 ， 快速评 价 不同磁 场对束 流输 运调控 效 果； 利用遗 传算 法结合 数值模 拟 给 出的评价效 果 完 成磁 场 优化 ， 优化对象为 Ｌ Ｉ Ａ 加 速 腔 主螺 线管 线 圈励 磁 电 流 大小 。之所 以考虑 采用遗 传算 法处 理 Ｌ Ｉ Ａ 束线 调谐这 样一 个复 杂离散 系统 优化 问题 ， 是 因为与 其他 传统 优 化 算法相 比， 遗 传算 法不需 要导 数或其 他辅 助信 息 ， 仅 通过模 仿 自然界 中筛选 成功 基 因实现进 化 的过 程来 逼近
加速器原理-直线感应加速器
三、直线感应加速器技术的主要发展
直线感应加速器40余年的发展进程中，应用需 求始终推动着直线感应加速器技术不断发展和创 新。前20年，主要侧重发展强流和高峰功率技术； 上世纪80年代开始，发展高平均功率技术和束品 质控制技术；90年代以后，主要发展MHz重复频 率能力的固体开关调制器技术和高频磁芯材料技 术，以及高梯度绝缘体技术，并促进了概念创新， 出现了环形直线感应加速器、感应同步加速器和 介质壁加速器等新概念直线感应加速器。下面分 别进行介绍。
二、直线感应加速器的工作原理及基本组成
直线感应加速器利用经典的电磁感应原理工作，即利 用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子。带电粒 子沿直线被加速，为此直线感应加速器采用了如图1所示 的感应组元（或加速组元）结构。
另一种产生加速电压的方法是采用无磁芯的感应 组元。这种组元工作时，虽然磁通密度B不变化， 但B所占的面积发生变化，同样导致磁通量的变 化，因而感应产生加速电压。无磁芯感应组元基
感应组元本身是一个感应电压源，当用金属导体代替粒子 束流将N个感应组元轴向串联起来时，可将这N个组元的电压 感应叠加形成N倍高的电压，称为感应电压叠加器（IVA）， 如图3所示。感应电压叠加器产生的高电压可用于产生粒子束 或提供给负载，它本身就是一台加速器，也常作为直线感应 加速器的前级（注入器），为其提供粒子束源。通常，感应 电压叠加器也看成是一种直线感应加速器。
图像。为了防止加速器和图像探测器被模型内爆产物破坏， 可采取保护措施或在爆炸容器内进行试验。
2. 重离子束聚变
重离子束聚变的最终目标是要在10ns内将能量为几 MJ且动能为几GeV的重离子束聚焦到靶上，以实现靶的 聚变点火。美国的重离子聚变计划选择多束直线感应加速 器作为重离子聚变的驱动器，有代表性的驱动器主线设计， 如图10所示。输入一台约3 GeV的多束直线感应加速器 被同时并行加速（每一束都有自己的交变梯度四极子聚焦 通道）；出加速器后，这些束在漂移压缩段被纵向压缩， 再经末级聚焦和中性化进入靶腔，在其内传输到靶。
“神龙一号”电子束时间分辨能谱测量新方案
６０ ４
强 激 光 与 粒 子 束
第 ２ 卷 ２
龙一号 ” 速器末 端聚焦段 螺线 管总有效 长度可 达 ４Ｉ， 加 幅值 达 ０ ２Ｔ， ｎ ． 提供 的有效 旋转磁 场积分 达 ０ ８Ｔ ・ ． ｍ，
“ 龙 一号 ＂ 神 电子束 时 间分 辨能 谱测 量 新 方案
廖树清， 张开志， 石金水
（ 国工 程 物 理 研 究 院 流 体 物 理研 究 所 ，四川 绵 阳 ６ １ ０ ） 中 ２ ９ ０
摘 要 ： 介 绍 了“ 龙一 号” 线感 应加 速 器 电子 束 时 间 分 辨 能 谱 测 量 新 方 案 —— 用 螺 线 管 磁 场 旋 转 束 神 直
冲束流 的能谱 。 用螺 线管磁 场旋转 束流法 是一 种绝对 的能谱 测量方 法 ， 利用 电子 束在 螺线 管 磁场 中 的旋转 运 动来 测量 对 应 能量 。电子束 在磁场 中除 了受到 聚焦作用 外 ， 受到旋 转作用 ， 流总 的旋 转角度 为 还 束
一 — — — 一
－ＪＢ２ｚ ｆ （ｄ 列 ） 。 救
子束 的能 谱 ， 但此 法会 阻断束 流 的输 运 。“ 神龙一 号” 流 电子直 线感 应加 速器 研 制过 程 中开 展 了电子 束 时间 强 分辨能谱 测量实 验ｌ ］ 即采用磁 分析器偏 转 电子束测 量 电子柬能谱 。本 文介绍 “ ＿ ， 】 神龙一 号” 采用 的电子 束能 拟 谱测量新 方案—— 用螺 线管磁 场旋转 束流 法测量束 流 能谱 ： ］ 即在 “ 龙一 号” 速器后 段 束 流聚 焦输 运线 上 神 加
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ＣＣＤ ｂ ａ ｅ ｍ ｓｉ ｅ ｍ ｌ ｂａ ｔ Ｆ ｇ １ Ｌａ ｏｕ ｆｂ ａ ｅ ｅ ｇ ｐ ｃ ｒ ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｉ． ｙ ｔ ｏ ｅ ｍ ｎ ｒ ｙ ｓ ｅ ｔ ｕ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ
“神龙一号”加速器聚焦磁场准直
第14卷 第4期强激光与粒子束V o l.14,N o.4 2002年7月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Ju l.,2002 文章编号: 100124322(2002)0420621204“神龙一号”加速器聚焦磁场准直①章文卫, 潘海峰, 李 洪, 刘云龙, 章林文(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘 要: “神龙一号”是一台正在建造中的脉冲强流加速器。
这台加速器的主体由72个直线感应加速腔和18个用于测试和真空泵接口的多功能腔组成。
为获得高品质的电子束流,减小发射度的增加,抑制co rk screw的增长,聚焦磁场的磁轴准直精度要求很高。
在使用激光跟踪仪对机械轴进行准直的前提下,脉冲悬丝技术被应用于准直加速段聚焦磁场,并在磁轴准直测试的同时对磁场固有倾斜偏差(tilt)进行初步校正。
介绍和讨论了测试方法,测试精度以及测试结果。
关键词: 磁场准直; 机械轴; 脉冲悬丝法 中图分类号: TL501 文献标识码: A “神龙一号”强流脉冲电子束加速器正在建造中,这台加速器由注入器和18个加速段组成。
每个加速段包含4个加速腔和1个连接腔,每一个加速段装有一个电阻环B PM(beam po siti on m on ito r)。
每个腔内都装有螺线管聚焦线圈,sin,co s steering线圈,形成束流输运系统。
高品质的束流要求较低的发射度增长,较低的能散.而由于加速器束输运系统磁场准直偏差所引起的束流co rk screw运动是导致发射度增长的重要原因之一。
五腔加速段组装时采用了激光跟踪仪对其机械轴进行准直,准直误差约为75Λm。
加速段磁轴准直仍采用脉冲悬丝技术,此技术在国外实验室应用于磁场测试已数年,最多的应用是w iggle场的测试[1]。
法国的A I R I X在建造时也采用了这一技术进行磁轴准直[2]。
“神龙一号”装置产生的光中子特性模拟研究
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图 ３ 不同材料的光巾子产额
前途 。
参考 文 献
【］ 向艳军，马景芳． “ １ 神龙一 号”装置产生的 振能区中子特性模拟研究【 ．核 电子学与探测技术 ，２ １ ，３ （）３４４ ０ Ｊ ］ ０ ０ ０３： ９ 。０
时 ，其表面 的共振 能区 中子注量 （ 靶） ２６ ￣ ０Ｎ ．５ １ ／ Ｖ． ） 慢 化 导致 的时 问展宽在 ０６ １ ， 铀 为 ． ｜６ １ ｘ ０ ｎ（ ｃ ， ５ ２ ｅ ｍ２ ． ． ～５
比散裂源（ Ａ Ｃ ） 中子慢化 后 时间展宽 小 １ ２个数 量级 。 Ｌ ＮＳ Ｅ 的 ～
展望
本 文 的所有 结果 均是 理论模 拟计算所 得 ， 理论 计算和 实验 测量还 存在 一些 差别 ， 需要 在实验 上测量 “ 神
龙一 号”装 置 的光 中子 特性 。在核技 术应用 领域 ， 中子 的应用 相 当广泛 ，若 “ 龙一 号 ”装置 具有较 高 的 神
“神龙一号”加速器聚焦磁场准直
文 章 编 号 ： １ ０１４ ２ （ Ｏ ２ Ｏ － ６ １０ ０ －３ ２ ２ Ｏ ）４ ０ ２ －４
“ 龙一号＂ 速器聚焦磁场准直’ 神 加
章 文卫， 潘海峰 ， 李 洪 ， 刘云 龙 ， 章林 文
（ 国 工 程 物 理 研 究 院 流 体 物 理 研 究 所 ，四 川 绵 阳 ６ １ ０ ） 中 ２ ９ ０
１ ｃ ｒ ｓ ｒ ｗ 的 产 生 及 抑 制 ｏ ｋ ｃｅ
ｃ ｒ ｓ ｒｗ 是 束 流 输 运 过 程 中 产 生 的 束 质 心 的 低 频 横 向运 动 ， 强 流 直 线 感 应 加 速 器 中 ｃ ｒ ｓｒ ｗ 的 产 生 ｏ ｋ ｃｅ 在 ｏ ｋ ｃｅ 主 要来 源 于 束 脉 冲期 间 的 能 散 和 加 速 器 束 传 输 系 统 的 准 直 误 差 。ｃ ｒ ｓ ｒｗ 的 产 生 将 导 致 发 射 度 的 增 长 ， 束 ｏ ｋ ｃｅ 使
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第 １ ４卷
第 ４期
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ Ｉ ＡＳＥＲ Ａ ＮＤ ＰＡＲＴ Ｉ ＣＩ Ｅ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖ Ｏ１ ４． Ｏ． ．１ Ｎ ４
Hale Waihona Puke ２０ ０ ２年 ７月 Ｊ １ ２ ０ ｕ ．， ０ ２
含 ４个 加 速 腔 和 １个 连 接 腔 ， 一 个 加 速 段 装 有 一 个 电 阻 环 Ｂ Ｍ （ ｅ ｍ ｏ ｉｏ ｎｔ ｒ 。 个 腔 内 都 装 有 螺 每 Ｐ ｂ ａ ｐ ｓｔ ｎｍｏ ｉ ） 每 ｉ ｏ
线 管 聚焦 线 圈 ，ｉ ， Ｏ ｔｅ ｉｇ线 圈 ， ｓｎ Ｃ Ｓｓｅ ｒｎ 形成 束 流 输 运 系 统 。 品质 的 束 流 要 求 较 低 的发 射 度 增 长 ， 低 的能 散 ． 高 较 而 由 于加 速 器 束 输 运 系 统 磁 场 准 直 偏 差 所 引 起 的 束 流 ｃ ｒ ｓ ｒｗ 运 动 是 导 致 发 射 度 增 长 的 重 要原 因之 一 。 五 ｏ ｋ ｃｅ 腔 加 速 段 组 装 时 采 用 了激 光 跟 踪 仪 对 其 机 械 轴 进 行 准 直 ， 直 误差 约 为 ７ ｍ。加 速 段 磁 轴 准 直 仍 采 用 脉 冲 悬 准 ５ 丝 技 术 ， 技 术 在 国外 实 验 室 应 用 于磁 场 测 试 已数 年 ， 多 的 应 用 是 ｗｉｇｅ场 的测 试 ［ 。 国 的 ＡＩ Ｘ 在 建 造 此 最 ｇｌ １ 法 ］ ＲＩ 时 也 采 用 了 这 一 技 术 进 行 磁 轴 准 直 ［ 。 “ 龙 一 号 ” 速 器 聚 焦 系 统 元 件 设 计 阶段 ， 们 曾 采 用 脉 冲悬 丝 技 术 ２在 神 ］ 加 我
神龙一号直线感应加速器X光转换靶破坏诊断
冲造成 “ 靶可 打” 无 的情 况 ， 也就 不可 能产 生连续 的多脉 冲 ｘ光 ］文献 ［ —］ 靶 的破坏 与影 响进行 了描 述 与 ， ６９ 对
研 究 ， 出 了靶 破坏 的部 分解 释 ， 对 于靶 破坏 持续 时 间没 能够 进 行 深入 的 研究 ， 给 但 因而 需要 对 单 脉 冲 电子束 情
光 时间控 制是 通 过神 龙一 号 的时 序 控 制 系统 来 实 现 的 ， 间 时
调节范围可以从ｎ 到ｍ 连续可调， ｓ ｓ 误差在ｎ 级。 ｓ
２ 实 验 测 量 与 结 果
实验 在神 龙 一号加 速 器口 上 进 行 ， 速器 的正 常运 行 参 加
匝 一—
吲 。
摘 要 ： 利 用 能 量 约 ４ ０ｋ Ｖ、 斑 直 径 １ ４１１ 的低 能 ｘ光 对 神 龙 一 号 直 线 感 应 加 速 器 束 靶 作 用 后 ５ ｅ 焦 ～ １． ７１ ３ 钽靶 的破坏进行诊断 ， 利用 增 强 型 电 荷 耦 合 器 件 （ｃ Ｄ） 诊 断 过 程 记 录 ， 到 束 靶 作 用 后 数 ｓ时 间 内钽 靶 材 Ｉｃ 对 得 料 密度 的 变 化 。结 果 表 明 ： 束 靶 作 用 后 约 １ ｓ内靶 材 料 密度 基本 没 有 变 化 ， 该 时 问段 内 ＩＣ 在 且 Ｃ Ｄ相 机 没有 观 察到有 靶前钽靶材料的微粒喷射 。 关 键 词 ： 轫 致 辐 射 转 换 ； 束 靶 作 用 ； 灰度 ； 钽 靶 中 图分 类 号 ： Ｔ ５ ３ ９ Ｌ ０． ２ 文 献 标 志码 ： Ａ
多脉 冲 的直 线感 应 加速 器 能够 产 生 多个 连 续 的 、 能量 ｌ ～２ Ｖ、 Ｏ ０ Ｍｅ 流强 大 于 ２ｋ 脉 宽 （ ＷＨＭ） ６ Ａ、 Ｆ 约 ０
强流直线感应加速器束心轨迹调谐技术探索
２６ ２ ０ 年１ 月 ０
高 能 量 密 度 物 理
第４ 期
强流直线感应 加速器束心轨迹调谐技术探 索
蒋 薇， 章文卫， 楠， 陈 张开志
（ 中国工程物理研究院流体物理研究所 １６室 ， ０ 四川绵 阳 ６ １０ ） ２ ９ ０
调 谐束质心 轨迹具 有很重 要 的意 义 。
世 界上 已投 入 使 用 的典 型 的 强 流加 速 器 有 美 国 的 Ｅ Ａ Ⅱ， ＸＲ， ＡＲＨＴ Ｉ和 法 国 的 Ｔ Ｆ Ｄ — ＡＩＩ 以及我 国的“ ＲＸ 神龙 一 号” 。其 中 ， 国 的 Ｅ Ａ Ⅱ和 Ｄ 美 Ｔ ＡＲＨＴ Ｉ的 束 心位 置 采用 了人 工 — 智能动 态校 正技术 。建造 ＡＴＡ 和 Ｅ ＴＡ 时 ，Ｌ ｗｒｎ ｅＬｖｒ ｒ 验室 研 制 了一 套 加 速 器 ａ ｅｃ ｉｅｍｏｅ实 人工智 能调谐 系统 ＭＡＥ Ｔ Ｓ ＲＯ并 沿 用 至今 ， ＡＲ — Ｄ ＨＴ Ｉ的 束线 调 试 也采 用 这套 系统 。ＭＡ — ＥＴ Ｓ ＲＯ是基 于在线 数值模 型进 行调控 的专 家 系统 ， 主要作 用 是通 过对 束 心轨 迹 的实 时调 整 ， 减小束 质心 的横 向位 移［ 。为 了提 高“ 龙一 号” ２ ］ 神 的束 输 运水 平 ， 得 高 品质 的强 流脉 冲电子 获 束， 提高 调谐 效率 ， 短调谐 周期 ， 缩 一套 强流 电子束 束 心轨 迹 智能 调谐 系统 正在 中物 院加 速器
数据采集 卜——— 束流参数 ＿ 测试
柬流包络数值模拟 束心轨 迹数值模拟 Ｃ ｒｓ ｅ ｏｋｃ ｗ计算 ｒ 调谐参数佳 正计算
调谐控制 Ｈ
用户图形界面 Ｉ ・————叫
数据库
调谐执行
人工调谐 Ｉ Ｉ 克隆人工调１ ｌ 墙ｌ 智能调谐
中国完成世界最先进加速器
中国完成世界最先进加速器：美国人不一定想得到2015年12月30日08:29来源：中国科学报作者：姜洋16801人参与856评论神龙二号装置全景2015年1月22日，神龙二号装置国家级科技成果鉴定会现场。
窗外，春寒料峭；场内，热情涌动。
经过包括14位院士在内的鉴定委员会的鉴定：中国工程物理研究院流体物理研究所“成功研制了世界上首台兆赫兹重复率猝发强流多脉冲直线感应加速器”。
“该项目系统复杂，研制难度很大，有重大创新，总体技术处于国际先进水平，部分重要指标国际领先。
神龙二号研制成功是直线感应加速器和我国尖端武器闪光照相技术发展中的一个重要里程碑！”中国工程物理研究院（以下简称中物院）流体物理研究所是从事国防尖端武器研制的科研单位，科研人员历经十余载坎坷征程，终于研制出世界最先进的多脉冲强流加速器——神龙二号。
世界惊叹“中国龙”，创新助力强国梦。
神龙二号的成功，受到国际国内同行的高度评价：神龙二号是世界第一台兆赫兹重复率猝发多脉冲高功率感应加速器！神龙二号从设计思想到技术突破完全是独创的！神龙二号多脉冲感应加速器技术的突破被国际同行专家评价为：“确实代表感应加速器领域重大新成就”！神龙二号是直线感应加速器和我国尖端武器闪光照相技术发展中的一个重要里程碑！“火眼金睛”在内爆流体动力学实验过程中，仅仅百万分之几秒的时间内发生快速和巨大的物理化学反应，爆炸区域的物质温度达到几十万摄氏度、压力骤然升高至百万大气压以上，所形成的高压冲击波以每秒几公里至十几公里的速度传播，实验材料的形状、密度等产生极为复杂且剧烈的变化。
作为揭示内爆过程的“火眼金睛”，直线感应加速器闪光X射线照相设施在认识武器内爆物理规律和校验武器设计过程中占据了极为关键的地位。
它的工作原理类似于医院的人体X 光透视照相，只不过这里照相的对象不是静止而柔软的人体，而是利用加速器产生的高强度脉冲X光，穿透厚度相当于数十厘米钢的致密材料，对其内部以大于10马赫超高速运动的材料内亚毫米细节及其变化进行高精度的瞬态透视照相。
“神龙一号”直线感应加速器物理设计
第15卷 第5期强激光与粒子束Vol.15,No.5 2003年5月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS May,2003 文章编号: 100124322(2003)0520502203“神龙一号”直线感应加速器物理设计Ξ邓建军1,2, 丁伯南2, 王华岑2, 戴光森2, 程念安2, 章林文2, 张开志2, 戴志勇2, 石金水2(1.清华大学工程物理系,北京100084; 2.中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘 要: 介绍了“神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。
“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器,由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。
能产生20MeV、束流大于2.5kA,脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束,X光焦斑均方根直径为1.5mm。
关键词: 直线感应加速器; 脉冲功率; 束流输运和聚焦; 物理设计 中图分类号: TL53 文献标识码: A 近年来随着闪光照相对分辨率的要求不断提高,为获得更小的焦斑,对电子束品质的要求也越来越高,促进了直线感应加速器(L IA)技术的快速发展;1999年底法国和美国相继建成了直线感应加速器A IRIX[1]和双轴流体动力学试验设备的第一轴DARHT2I[2],美国还正在建造能进行四幅照相的第二轴DARHT2II,预计2004年完成,届时DARHT2II能在2μs内进行四个时刻的闪光照相实验[3]。
英国原子武器研究中心(AWE)也计划建造能进行五个方向照相的五台感应叠加器,并正在建造其中的一台[4]。
本文主要介绍正在中国工程物理研究院流体物理研究所研制的“神龙一号”直线感应加速器的物理设计。
1 “神龙一号”直线感应加速器主要技术指标 “神龙一号”(Dragon2I)L IA是一台能量为20MeV,束流大于2.5kA,脉冲宽度为60ns,焦斑均方根直径为1.5mm的强流脉冲电子直线感应加速器,它利用的是电磁感应原理[5],由一台3.6MeV注入器、72个加速腔组成的加速段、脉冲功率系统、束流输运系统、控制系统及辅助系统组成,表1给出了其总体设计指标及与国内外同类装置指标的对比,括号内为实际达到的束流。
“神龙一号”加速器〈2008-11-19〉
“神龙一号”加速器〈2008-11-19〉——核武器模拟试验关键设备工程总投资：—工程期限：1982年——2005年“神龙一号”直线感应加速器位于四川绵阳中国工程物理研究院，主要用于核武器流体动力学试验闪光X光照相，是中国自行研制的核武器模拟试验关键设备。
有了这种设备，就可以在实验室进行模拟核弹头初级模型的内爆试验、校验巨型计算机的数值模拟计算程序，也就是采用实验室模拟+ 数值模拟，可以解决核弹头从原理设计到武器化、工程化的一系列问题，不用进行地下核试验就能进行新弹头的设计、评估核材料的老化效应以确保核武器的可靠性和安全性。
另外直线感应加速器还用来进行高功率微波和自由电子激光、重离子聚变研究。
1985年下半年，中国核武器研制元勋邓稼先被诊断患了癌症，这个时候他和于敏同志一起给中央写了一份非常重要的报告，他们估计到以当时的核武器水平，美国和苏联就有可能按照他们的政治需要会签署《全面禁止核试验条约》停止核实验，这对我们国家的损失太大了，所以他们根据我们国家的情况，建议加速模拟核武器试验关键设施的研制工作。
报告交上去以后，中央对此非常重视，这对我国1986年以后的核武器发展起到了非常重要的作用。
而几位两弹元勋把自己生命的最后全部贡献给了国家的国防事业。
内华达核试验场（Nevada Nuclear Test Site）位于内华达州拉斯维加斯城西北105公里，占地面积3700平方公里，是美国最主要的核试验场。
从1951年起，至1996年《全面禁止核试验条约》开放签署以前，该试验场共进行过928次核试验，其中包括100次大气层核试验，828次地下核试验（内含24次美英联合进行的地下核试验）。
1974年美苏签订《美苏限制地下核武器试验条约》后，该试验场是美国惟一进行地下核试验的场地。
1962年起英国的地下核试验也全部在这里进行。
1992年以后，美国不再在那里进行核试验。
目前，那里已经成了无人区，地面的坑洞就是核试验留下的，核试验的辐射影响将持续50年-500年……这些都是地下核试验留下的坑洞，感兴趣的同学不妨用Google Earth看一下现场。
电子感应加速器原理
电子感应加速器原理
在电磁铁的两极间有一环形真空室，电磁铁受交变电流激发，在两极间产生一个由中心向外逐渐减弱、并具有对称分布的交变磁场，这个交变磁场又在真空室内激发感生电场，其电场线是一系列绕磁感应线的同心圆，这时，若用电子枪把电子沿切线方向射入环形真空室，电子将受到环形真空室中的感生电场E的作用而被加速，同时，电子还受到真空室所在处磁场的洛伦兹力的作用，使电子在半径为R的圆形轨道上运动。
应用感应电场加速电子的电子感应加速器(betatron)，是感生电场存在的最重要的例证之一。
早在1932年J.斯莱皮恩就提出利用感应电场加速电子的想法，接着也有不少人进行了这方面的研究，但他们都没有成功，直到1940年D.W.克斯特解决了电子轨道的稳定问题以后，才建成了第一台电子感应加速器，把电子加速到2.3MeV。
随后这种加速器发展得很快，1942年建成了20MeV的电子感应加速器,1945年建成了100MeV的电子感应加速器。
在电子感应加速器的示意图中，磁轭和磁极均用硅钢片制成。
在上下圆形磁极间的气隙中放置用优质玻璃或陶瓷材料做成的环形真空盒。
在真空盒内，需要保持Torr的真空度。
当电磁铁绕组通以交变电流,产生交变磁场时，在真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化，这时真空盒空间内也就产生感应涡旋电场。
因磁场分布是轴对称的，所以感应电场的电力线是闭合的同心圆族，其中一条同真空盒轴线相一致。
如果用电子枪沿电力线方向将电子注入到真
空盒内，那么这些电子将在涡旋电场作用下得到加速。
多束脉冲作用下韧致辐射转换靶照射量模拟
多束脉冲作用下韧致辐射转换靶照射量模拟朱隽;禹海军;谢龙【摘要】20 MeV的强流脉冲电子束经加速聚焦后轰击韧致辐射转换靶,在产生脉冲X光的同时将大量能量沉积在靶内,导致靶材迅速膨胀飞散.在多个束脉冲作用下,后续脉冲由于靶材密度的降低可能无法产生足够的X光照射量.本文采用Monte-Carlo软件MCNP以及流体动力学软件ANSYS AUTODYN对靶材的动力学响应以及各脉冲所能产生的照射量进行了数值模拟,结果表明,在3个间隔500 ns的20 MeV、2 kA、70 ns、束斑1.5 mm(FWHM)的电子束脉冲作用下,X光照射量无明显降低.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2010(044)008【总页数】3页(P1003-1005)【关键词】脉冲电子束;束靶相互作用;流体动力学;ANSYS AUTODYN【作者】朱隽;禹海军;谢龙【作者单位】中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】TL503.92“神龙一号”直线感应加速器能够产生能量20 MeV、电流强度 2.5 kA、脉冲平顶宽度60 ns、焦斑1.5 mm(FWHM)的电子束脉冲,轰击钽金属靶后能够在靶正前方1 m处产生约0.129 C/kg的照射量,同时将约8 kJ/g的能量沉积在靶内,足以导致靶材部分电离,形成的等离子体将迅速膨胀飞散,其轴向速度可达3 mm/μs[1]。
美国的DARHT Ⅱ装置在1.6μs内计划有4个束脉冲依次打到韧致辐射转换靶上[2],靶材的迅速膨胀导致密度降低,将可能导致后续脉冲无法产生足够的照射量,而在数百ns的脉冲间隔内显然无法更换靶材[3]。
因此,有必要研究多束脉冲作用下靶材的流体动力学响应以及对应状态能够产生的照射量。
本文模拟研究3个间隔500 ns的电子束脉冲依次打靶后靶材的动力学响应以及所能产生的照射量。
电子直线加速器与电子感应加速器的比较_刘雨婷
条件： 1）为便于比较，直线加速器焦距取1.8m，回旋加 速器焦距取1.0m； 2）以200mm钢为例计算； 3）采用柯达AA400底片； 4 ）根据我们拍片经验，底片吸收剂量按3.1cGy计算； 5）本计算仅供参考。 根据公式可得出表3所示结果。
式中， I为底片吸收剂量，取3.1cGy； I0为距加速器焦点1米处，出束剂量率cGy/min.m； d为焦距，取1.8m； D为工件厚度，取200mm； D 1/2为 半 价 层 ， 对 4 M e V 电 子 直 线 加 速 器 约 为 25mm；对7.5MeV电子感应加速器约为28mm； 根据上述公式可推出透照时间t的计算公式：
2 透照时间对比
以下是两种加速器具体的计算比较。由于目前普遍 工业所需用X射线进行检测的工件厚度一般在250mm左 右，因此下面对4MeV电子直线加速器和7.5MeV电子感 应加速器就透照时间、工作性能、防护墙厚度、造价等 方面进行比较。 计算公式说明如下：
4 防护墙厚度对比
计算方法 在厅外距靶点r（m）处的辐射剂量率为（单位rad/ min）：
表3 电子直线加速器和电子感应加速器工作效率对比 D/D1/2 6 5.17 最大剂量率 （cGy/m.min） 500 5 透照时间 4.98分 84.79分
能量（MeV） 4MeV电子直线加速器 7.5MeV电子感应加速器
0.2×3 0.2×3 0.2×3 0.2×3 0.3×3 150 1% 200 1% 250 1% 250 1% 350 1%
神龙一号轫致辐射靶靶区回流离子测量
神龙一号轫致辐射靶靶区回流离子测量禹海军;程健;朱隽;陈楠;戴文华【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2010(22)2【摘要】神龙一号直线感应加速器(LIA)产生的强流高功率的脉冲电子束与 X光转换靶作用后可以产生高剂量的X光,同时由于转换靶的被烧蚀破坏在靶面产生回流离子,该回流离子的存在影响到电子束的聚焦.设计了4套法拉第筒及其对应的偏压电路,法拉第筒被放置在神龙一号X光转换靶上游不同位置,分布在电子束轴线两侧,电路设计最高偏压为1 kV;对神龙一号LIA 的X光转换靶面产生的回流离子进行了实验测量,分别得到回流正离子密度约在10~(21)/m~3,离子运动速度可达2～3 mm/s.计算比较表明,该离子流强度与神龙一号靶前电子束流相差很大,只有电子束流强的0.27%,对神龙一号电子束聚焦不会造成影响.【总页数】4页(P421-424)【作者】禹海军;程健;朱隽;陈楠;戴文华【作者单位】中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国科学技术大学,信息技术学院,合肥,230027;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900;中国工程物理研究院,流体物理研究所,四川,绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】TL503.92【相关文献】1.12MeV直线感应加速器轫致辐射靶靶面回流离子测量 [J], 禹海军;龙继东;李勤;周符新;石金水;马冰;陈楠;荆小兵2.一种新阈探测器的实验验证和重离子靶区中子测量 [J], 李桂生;张天梅;苏有武;李树伟3.12MeV LIA轫致辐射靶面回流离子测量 [J], 禹海军;龙继东;李勤;周符新;石金水;马冰;陈楠;荆小兵;沈克明;任兆杏4.轫致辐射转换靶靶面回流离子对电子束聚焦的影响 [J], 石金水;罗达十5.中能^(12)C离子轰击铯靶的超靶余核截面测量 [J], 李宗伟;杨维凡;赵之正;杨永峰;秦芝因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
神龙1号加速器束流输运系统研制
神龙1号加速器束流输运系统研制
代志勇章文卫谢字彤李洪张开志章林文李伟峰刘承俊邓建军丁伯南
【期刊名称】《《工程物理研究院科技年报》》
【年(卷),期】2008(000)001
【摘要】神龙1号直线感应加速器由注入器输运段、加速段、聚焦段等3个部分组成。
整个束传输线从阴极发射面算起到轫致辐射靶结束，全长约48m，其间数千安培的强流脉冲电子束经过约170mm的二极管加速区，电子能量达到约3．6MeV，再经过4．5m的无加速场漂移区到达注入器出口，随后进入到长38．5m的加速段，在加速段出口时电子能量不低于18MeV；然后进入到长约3．8m的无加速漂移段，经过调整后通过两级磁透镜的聚焦将电子束聚焦到轫致辐射靶上产生X射线。
整个束传输线使用了100多个螺线管线圈（包括两个磁透镜）约束电子束的横向发散，
【总页数】2页(P48-49)
【作者】代志勇章文卫谢字彤李洪张开志章林文李伟峰刘承俊邓建军丁伯南【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TN949.7
【相关文献】
1.CYCIAE-30医用回旋加速器束流输运系统升级改造 [J], 魏素敏;张天爵;钟俊晴;姚红娟;储诚节;邢建升
2.1.2m迴旋加速器束流输运线性能的改进 [J], 孙官清
3.“神龙-Ⅰ”直线感应加速器束流输运系统设计 [J], 代志勇;章林文;邓建军;丁伯南
4.上海软X射线自由电子激光装置直线加速器束流位置测量系统研制 [J], 吴桐;赖龙伟;俞路阳;袁任贤;陈健;阎映炳;冷用斌
5.能量可变的回旋加速器引出束流输运系统设计 [J], 陈德智;陈帆;郁庆长
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