“神龙一号”直线感应电子加速器

!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 C3R!'-58!'/"/#*-/15-'"J QW A J Q N R N#Z'56(李勤!王毅!刘云龙!等Z针孔法测量H光源焦斑尺寸'[(Z强激光与粒子束!'-'5!,,"6#*-66--*ZF+f J Q!29%^e J!F+`e>Q S M Q"!N E C S Z H$)C IR T M ER J]N3N C R>)N3N Q E b J E A T J Q A M S N'[(Z c J"A=M b N)F C R N)C Q&=C)E J L S N:N C3R!'-'5!,,"6#* -66--*"J QW A J Q N R N#Z'51(:O+V D!V+D U V O[;Z!W%=,9"N Q N)C S!M Q E N W C)S M%$T C)E J L S N E)C Q R T M)E L M&N*d N)R J M Q6W!F9$5'8'1$!'O(Z F M R9S C3M R!`D9*F M R9S C$3M R%C E J M Q C S F C G M)C E M)I!5..*Z'66'原子能科学技术!!第1*卷。

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]。