電離型截面探測器研究

何 俊 汪 林 趙曉巖 于令達(dá) 隨艷峰 岳軍會(huì) 曹建社

（中國科學(xué)院高能物理研究所 粒子加速物理與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

電離型截面探測器研究

何 俊 汪 林 趙曉巖 于令達(dá) 隨艷峰 岳軍會(huì) 曹建社

（中國科學(xué)院高能物理研究所 粒子加速物理與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

針對強(qiáng)流質(zhì)子加速器非攔截式的截面測量需求，開展了以剩余氣體分子為基礎(chǔ)的電離型截面探測器的研究工作。探索了電離信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算方法，利用CST (Computer Simulation Technology)電磁工作室對電場進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)加工了一套應(yīng)用于質(zhì)子直線加速器的電離型截面探測器，該裝置利用高壓電極產(chǎn)生的電場引導(dǎo)電離產(chǎn)物，用微通道板放大電離信號(hào)，熒光屏和相機(jī)組成探測系統(tǒng)。該電離型截面探測器被安裝于加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(China Accelerator Driven Subcritical system, ADS)先導(dǎo)專項(xiàng)的注入器I上，在線束流實(shí)驗(yàn)證明，該套設(shè)備工作穩(wěn)定正常，實(shí)現(xiàn)了束流截面的非攔截式測量。

質(zhì)子加速器，非攔截式，電離型，截面測量，電場優(yōu)化

隨著中國高功率質(zhì)子加速器的發(fā)展，對電離型截面探測器的需求越來越強(qiáng)烈，比如中國散裂中子源和加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)的直線加速器等。這些束流因?yàn)檎伎毡容^高，已經(jīng)發(fā)生過多次將絲靶打斷的情況，高能物理研究所正在積極開發(fā)包括電子束掃描在內(nèi)的截面測量方法，本文主要介紹IPM的設(shè)計(jì)加工情況，并進(jìn)一步介紹其在加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)的注入器I上的應(yīng)用情況。

1 IPM工作原理

IPM是一種利用電場來收集束流與剩余氣體分子碰撞時(shí)產(chǎn)生的電子（離子）來獲取束流截面信息的系統(tǒng)。其工作原理如圖1所示，在與離子束運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向上加上電場，束流與管道內(nèi)的剩余氣體分子碰撞后產(chǎn)生的 H2+或 N2+在導(dǎo)向電場的作用下往微通道板上運(yùn)動(dòng)，離子經(jīng)過 MCP放大后輸出電子液滴，電子轟擊熒光靶被 CCD(Charge-coupled Device)光學(xué)成像系統(tǒng)所記錄。束流中心處束流強(qiáng)度高，產(chǎn)生的離子多，對應(yīng)熒光靶上的光強(qiáng)度高。遠(yuǎn)離中心處，束流強(qiáng)度弱，產(chǎn)生的離子少，對應(yīng)光強(qiáng)弱，光強(qiáng)分布即反應(yīng)了束流分布。IPM使用的探測器分為兩類：光學(xué)讀出系統(tǒng)和條帶電極多路電子學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的位置分辨率較高，時(shí)間分辨能力受熒光的余輝時(shí)間等制約相對較差，而電子學(xué)讀出系統(tǒng)的位置分辨率受條帶電極物理尺寸和多路電子學(xué)的成本制約而較差，但其時(shí)間分辨能力較好。根據(jù)收集產(chǎn)物的不同，系統(tǒng)可分為兩類：1) 利用電場收集正離子的離子模式；2) 利用電場與磁場配合收集電子的電子模式。由于電子的初始橫向速度較大，如果僅用電場收集電子，得到的位置分辨不如離子，因此要獲得更好的束流剖面，需要增加磁場系統(tǒng)。當(dāng)附加磁場足夠強(qiáng)時(shí)，電子沿磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，其回旋半徑一般在微米量級(jí)，系統(tǒng)可達(dá)到較高的位置分辨。這類增加了磁場的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間響應(yīng)較快，受束流場強(qiáng)影響小。低流強(qiáng)束流因?yàn)樗a(chǎn)生的空間電荷場較弱，一般可以直接用離子模式。強(qiáng)流束則應(yīng)該采用電子模式，加上與E平行的磁場B（典型值100 mT），使電子做回旋運(yùn)動(dòng)，電離產(chǎn)生的電子中絕大部分的初始動(dòng)能小于 20 eV，電子的回旋半徑其回旋半徑往往小于50 μm。

圖1 IPM工作原理示意圖 (a) 電場收集離子模式，(b) 電磁場收集電子模式Fig.1 Schematic of IPM. (a) Ion collection by E-field,(b) Electron collection by EM-field

影響IPM系統(tǒng)分辨最重要的參數(shù)是電離產(chǎn)額，即單位時(shí)間內(nèi)有多少電子-離子對產(chǎn)生。它由探測器所在處的束流參數(shù)與剩余氣體的參數(shù)決定。剩余氣體參數(shù)主要包括真空度以及剩余氣體分子的成分，束流參數(shù)包括流強(qiáng)和能量。束流與剩余氣體的相互作用，主要是離子在介質(zhì)中飛行時(shí)與電子的多次非彈性散射。此作用被稱作電阻止，相當(dāng)于與離子與電子云的“摩擦”作用，Bethe-Bloch公式描述了該電阻止能損大?。?/p>

式中：z為入射粒子的電荷數(shù)；e為元電荷電量；E為入射能量；v為速度；N為單位體積內(nèi)的介質(zhì)原子個(gè)數(shù)；Z為介質(zhì)的原子序數(shù)；Ei為介質(zhì)原子的平均激發(fā)和電離能；me為電子質(zhì)量；β=v/c，c為光速；δ/2與 C/Z分別為電子密度修正項(xiàng)和殼修正項(xiàng)?？偟碾婋x數(shù)N可表示為：N=ΔE/ω，其中：△E是在氣體體積中的總能量損失；ω是產(chǎn)生一個(gè)電子-離子對所需的平均能量，也稱為電離能。對于不同能量的同種粒子或不同種粒子在同一種氣體中的電離，其電離能很接近，大部分在30 eV上下。

若束流（入射粒子）強(qiáng)度為 I，探測器有效寬度（沿束流方向）為 l，忽略漂移、擴(kuò)散、復(fù)合等效應(yīng)，可得探測器表面能收集的剩余氣體離子數(shù)為ND=(?dE/dx)·l·I/ω。據(jù)質(zhì)譜分析，在真空度低于1×10?5Pa時(shí)，H2約占40%，而較重的氣體（如CO、N2、H2O、Ar等）約占60%，隨著真空度的提高，H2所占比例提高而重的氣體所占比例下降，1×10?8Pa時(shí)，H2約占85%，而N2約占15%。以加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(China Accelerator Driven Subcritical system, ADS)注入器 I參數(shù)為例，在10mA、3.2 MeV的質(zhì)子束情況下，假設(shè)剩余氣體全部為H2、壓強(qiáng)為10?5Pa、探測器l=3 cm、ω=33 eV、Ei=19 eV 計(jì)算得到的 ND=(6.8×10?6/33)×3I=6.18×10?7×6.25×1016=3.86×1010s?1。在 10 MeV 時(shí)對應(yīng)的值為ND= 3.86×107s?1。據(jù)計(jì)算可知，對于強(qiáng)流加速器來說，電離信號(hào)的強(qiáng)度較高，考慮到系統(tǒng)的離子收集效率、MCP對離子的探測效率、MCP輸出電子液滴轟擊熒光屏的熒光產(chǎn)額和 CCD相機(jī)對光子的探測效率等，每秒 108?109個(gè)光子的信號(hào)是比較合理，以上計(jì)算均是針對 10 mA、CW (Continue Wave)連續(xù)波模式的，其它流強(qiáng)和占空比下的電離產(chǎn)物需要乘以相應(yīng)的比例系數(shù)。

2 IPM設(shè)計(jì)與加工

離子收集模式的 IPM 系統(tǒng)中最重要的是建立均勻的導(dǎo)向電場，因?yàn)殡婋x產(chǎn)物在往探測器飛行的過程中，會(huì)受到束流的電場的影響，當(dāng)束流流強(qiáng)較強(qiáng)，以至于束流產(chǎn)生的電場強(qiáng)度跟電極板產(chǎn)生的導(dǎo)向電場強(qiáng)度變得可以比擬時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的分辨率。如果流強(qiáng)足夠強(qiáng)，測量得到信號(hào)強(qiáng)度分布跟束流真實(shí)分布相比，可能變得面目全非。假設(shè)束流為高斯分布，其徑向電場的大小為：

式中：qeN/l為束流單位長度的電荷密度；σ為束流尺寸；r為離束流中心的距離。對于ADS的參數(shù)來說，當(dāng)流強(qiáng)為10 mA、能量為10 MeV時(shí)，Espace的極大值為800 V·m?1，能量為3.2 MeV時(shí)Espace的極大值為 1600 V·m?1，均遠(yuǎn)小于導(dǎo)向電場強(qiáng)度104V·m?1。探測離子時(shí)，束流對離子的排斥作用將使得測得的束流分布比實(shí)際情況寬。為得到真實(shí)束流尺寸，需要對測量結(jié)果進(jìn)行修正：

在空間電荷電場一階近似之下，存在如下關(guān)系：

校正項(xiàng)正比于束團(tuán)離子數(shù)N，反比于外加導(dǎo)向電場的方根，所以導(dǎo)向電場的影響較弱，通過提高導(dǎo)向電場Uex改善效果不明顯。較大的dgap（兩個(gè)電極板之間的距離）導(dǎo)致較長的飛行時(shí)間，使得電荷力的作用效果變得更明顯。ADS注入器I上IPM所處位置束流形狀為扁平束，測量方向水平方向尺寸較大，所以盡量選擇尺寸較大的 MCP和熒光屏，這樣在典型的導(dǎo)向電場強(qiáng)度 1 kV·cm?1下，垂直方向上的高壓需求較低，實(shí)現(xiàn)起來較為容易。設(shè)計(jì)的上下兩個(gè)電極的距離為dgap=8 cm，MCP的直徑約為7 cm，接近商業(yè)產(chǎn)品的最大尺寸，熒光屏比MCP稍大。其他設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。其中MCP隨著離子的轟擊，其增益系數(shù)會(huì)逐漸下降，即其抗輻照性能有限，根據(jù)其他實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，一般 MCP的壽命為0.5?1 a。MCP中央受到離子的輻照劑量比邊緣更高，在長時(shí)間的測量過程中增益系數(shù)會(huì)下降得更快，為了校正該效應(yīng)對測量結(jié)果的影響，通常的做法是在 MCP的對面設(shè)置一個(gè)能均勻發(fā)射電子或者光子的裝置，比如 EGA (Electron Generator Array)，通過在EGA開啟下得到的圖像來校準(zhǔn)MCP的增益系數(shù)，目前設(shè)計(jì)的IPM系統(tǒng)在MCP的對面電極處為 EGA預(yù)留了安裝位置，留下了將來擴(kuò)展的空間。

表1 IPM設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 IPM design parameters for ADS proton injector I.

如圖2所示，為了能產(chǎn)生1 kV·cm?1的場強(qiáng)，分別在上下兩塊無氧銅電極上施加?4 kV和4 kV的高壓，相對于0 V和8 kV的優(yōu)點(diǎn)是其最高耐壓僅為其一半，缺點(diǎn)是離子在電極P2和P3 之間飛行時(shí)，受到的是排斥力，部分離子會(huì)因?yàn)槟芰坎粔蚨荒苓_(dá)到 MCP上，考慮到上文計(jì)算得到的電離信號(hào)較強(qiáng)，即便部分離子不能被探測也不影響實(shí)驗(yàn)效果。其中MCP in和MCP out之間的2 kV電勢差是為了保證電子能在微通道板通道內(nèi)不斷倍增，MCP out和陽極熒光屏之間3 kV的電勢差是為了讓MCP輸出端的電子得到加速，從而有足夠的能量轟擊熒光屏產(chǎn)生光子，當(dāng)然也可以考慮在上電極P2施加0 V電勢而在下電極P1上施加8 kV電勢，這樣離子在P2和P3之間不會(huì)受到排斥力。目前EGA的引線并未接入，從美國PHOTONIS公司購買的EGA則一直放于真空保持箱中保存，等待IPM系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)時(shí)安裝。

圖2 IPM部件電勢分布圖 (a) 各部件電勢示意圖，(b) 無氧銅電極和MCP實(shí)物組裝照片F(xiàn)ig.2 Potential distribution map of IPM. (a) Schematic of potential distribution of different components,(b) Picture of oxygen-free copper electrodes and MCP

為了保證產(chǎn)生的離子從束流與剩余氣體碰撞的位置（初始電離位置）到 MCP飛行的過程中不在水平方向發(fā)生較大偏移，設(shè)計(jì)導(dǎo)向電場時(shí)需要保證不同位置的Ey盡量相等（設(shè)水平方向?yàn)閤方向，垂直方向?yàn)閥方向，束流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閦方向），Ex分量應(yīng)盡量小，為此一般需要在上下兩個(gè)大電極之間加上分壓小電極，如圖2(b)中所示，本IPM設(shè)計(jì)了三組小電極。它們之間用高阻值耐壓電阻連接，因?yàn)樗须娮杈糜谡婵帐覂?nèi)，所以選用的是高阻真空釉膜電阻，阻值為10 M?，阻值誤差為±2%。圖3是利用CST的電磁工作室計(jì)算所得的電場等勢線的分布狀況，在束流中心區(qū)域的場的均勻性優(yōu)于1%，利用得到的電場分布結(jié)合電子和離子的初始電離能進(jìn)行粒子追蹤模擬，結(jié)果顯示離子的橫向偏移量在10 μm量級(jí)，對系統(tǒng)分辨率的影響可以忽略不計(jì)。增加小電極、增加小電極數(shù)目、增大整個(gè)電極x方向尺寸可改善中心區(qū)域Ex，電極縱向尺寸對Ex影響不大，但可稍微改善Ey的均勻度。

圖3 電場等勢線分布圖 (a) yz平面分布圖，(b) xy平面分布圖Fig.3 The distribution of equal potential curve. (a) yz plane, (b) xy plane

圖 4是 IPM 系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與照片，其中圖4(a)是機(jī)械設(shè)計(jì)圖，其中大電極的尺寸為320 mm×220 mm×3 mm，小電極尺寸為 180 mm×30 mm×3mm，電極之間用可加工陶瓷支撐并絕緣，系統(tǒng)占用總縱向空間為450 mm；圖4(b)是IPM的內(nèi)部照片，高壓分別通過右側(cè)的一個(gè)2芯的耐10 kV和一個(gè)4芯的耐5 kV的穿墻子引入，金屬導(dǎo)線上用陶瓷套管絕緣；圖4(c)是IPM安裝在管道上的外部圖片。圖像的采集用的是工業(yè)相機(jī)，分辨率為 1360×1024，像元尺寸為 5.3 μm×5.3 μm，數(shù)據(jù)位數(shù)為10bit，帶有外觸發(fā)功能，能實(shí)現(xiàn)與束流的同步曝光，對低占空比束流實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。采用的是歐洲進(jìn)口的TECTRA二級(jí)倍增MCP，在其工作電壓2400 V下的標(biāo)稱增益為 1×108，其微通道板長度和直徑的比值為60:1。后端P43熒光屏成分為Gd2O2S:Tb，光強(qiáng)從90%衰減到10%的時(shí)間為1 ms，從10%到1%的時(shí)間為1.6 ms，所以曝光時(shí)間需要控制在束流經(jīng)過后的2.6 ms之內(nèi)。圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線連接到隧道內(nèi)輻射劑量較小處放置的工控機(jī)上。

圖4 IPM系統(tǒng) (a) 機(jī)械設(shè)計(jì)圖，(b) IPM內(nèi)部照片，(c) IPM外部照片F(xiàn)ig.4 The ionization profile monitor system. (a) Mechanical design, (b) Interior photos, (c) Exterior photos

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

IPM系統(tǒng)的測量結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)是曝光時(shí)間為50 ms時(shí)的熒光屏圖像，其中間的陰影是 CCD相機(jī)與支架等在隧道內(nèi)燈光下投影，經(jīng)過黑布屏蔽后，在相同量級(jí)的曝光時(shí)間下看不到任何陰影，圖5(b)是屏蔽了雜散光之后，束流經(jīng)過時(shí)熒光屏圖像的偽彩色圖，在束流實(shí)驗(yàn)期間，宏脈沖長度在20 μs?100 ms之間，相機(jī)從收到觸發(fā)信號(hào)到開始曝光的時(shí)間約為3 μs，而線纜延時(shí)均為ns量級(jí)，所使用 P43熒光靶的余輝時(shí)間在 ms量級(jí)，通過DG645延時(shí)器可控制曝光時(shí)間與束流的同步。圖5(b)中用兩條豎線標(biāo)示出了高斯擬合時(shí)所選取的區(qū)域（沿著水平方向求和），其求和結(jié)果如圖5(c)中虛線所示，該分布高斯分布相差較大，實(shí)線是高斯擬合結(jié)果，均方根(Root Mean Square, RMS)寬度為(13.72±0.28) mm，與理論值15mm較為接近，值得一提的是在較低占空比下(＜1%)，擬合誤差較大，偏離高斯分布較多，主要是因?yàn)槠毓鈺r(shí)間、余輝時(shí)間和束流的同步?jīng)]有完全匹配好，且相機(jī)曝光時(shí)間的最小設(shè)置為100 μs，這些都影響了低占空比束流測量結(jié)果的信噪比。

圖5 IPM測量結(jié)果 (a) 沒有束流時(shí)熒光屏成像，(b) 在10%的束流占空比下的熒光屏成像，(c) 水平截面擬合結(jié)果Fig.5 Results of IPM measurement. (a) Picture of screen without a beam, (b) Picture of screen with a 10% duty factor beam,(c) Horizontal profile by fitting the curse with gaussan

4 結(jié)語

本文主要介紹了在強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器上的IPM系統(tǒng)相關(guān)的研究工作，包括根據(jù)束流參數(shù)來設(shè)計(jì)相關(guān)的IPM的導(dǎo)向場強(qiáng)、利用小電極改善電場均勻性、多級(jí) MCP進(jìn)行電離信號(hào)的放大、熒光屏成像等。此外還研究了根據(jù)束流與真空參數(shù)評(píng)估電離信號(hào)強(qiáng)度的方法和束流本身電場對測量結(jié)果的影響等。介紹了機(jī)械加工IPM系統(tǒng)的相關(guān)情況，包括高壓的引入、MCP與光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試等，最后將設(shè)計(jì)加工的IPM系統(tǒng)安裝在ADS注入器I上進(jìn)行了束流在線實(shí)驗(yàn)，測量出了束流在水平方面的截面，與理論預(yù)期符合較好，存在的問題為低占空比下，因?yàn)樾旁氡鹊脑?，高斯擬合結(jié)果較差，更詳細(xì)的研究有待進(jìn)一步的束流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明IPM是測量強(qiáng)流質(zhì)子束流橫向截面的有效方法，將在進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)之后，在強(qiáng)流質(zhì)子加速器中發(fā)揮重要作用。

致謝 感謝德國重離子研究所Peter Forck的幫助。

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Study on ionization profile monitor

HE Jun WANG Lin ZHAO Xiaoyan YU Lingda SUI Yanfeng YUE Junhui CAO Jianshe
(Key Laboratory of Particle Acceleration Physics and Technology, Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Beam profile determination at high intensity hadron accelerators implies the usage of non-invasive methods. Purpose: This study aims to develop the profile measurement technology for high intensity proton accelerator. Methods: The transverse profile of the beam was monitored via detecting the ionization products produced by the collision of proton with residual gas in the vacuum pipe. High-voltage electrodes were used for producing electrical field to guide ionized offspring whilst microchannel plates (MCP) was employed to amplify the signal. The screen and charge-coupled device (CCD) system were used for position detection. Results & Conclusion:An ionization profile monitor is designed and manufactured, which has been installed on the China accelerator driven subcritical system (ADS) injector I. The signal intensity of ionization products matches the theory’s expectation.Experiments result shows that it is a useful tool to measure the profile of proton beam.

Proton accelerator, Non-invasive, Ionization, Profile measurement, Electrical field optimization

電離型截面探測器(Ionization Profile Monitor,IPM)也叫做 RGM (Residual Gas Monitor)，是最常見的無損截面探測儀器之一，主要安裝于束斑尺寸在毫米到厘米之間的質(zhì)子和重離子加速器上（對于電子機(jī)器，因?yàn)槠涫鞒叽巛^小，IPM的分辨率稍顯不夠，同時(shí)也存在同步光成像和絲靶等實(shí)現(xiàn)起來較容易的方法），它是為了滿足高功率束流的截面探測需求而生的，可用在直線段、傳輸線段，也可用在同步加速器上（區(qū)別是同步加速器上往往需要時(shí)間分辨能力）[1]。對于高功率束流來說，傳統(tǒng)的攔截式方法如熒光屏[2]、絲靶[3]、二次電子?xùn)啪W(wǎng)等都面臨著容易被束流損壞的風(fēng)險(xiǎn)，所以涌現(xiàn)出一批非攔截式的截面測量方法。其中包括激光掃描[4]、電子束掃描[5]和剩余氣體探測器等，其中又以IPM最為普遍。世界上各大實(shí)驗(yàn)室均開展了 IPM 系統(tǒng)的研究，如費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在其直線段和注入器等多個(gè)加速器上均安裝了電子收集模式的 IPM 系統(tǒng)[6?8]，日本高能物理研究所的 Satou等[9?11]也在其 J-PARC的快循環(huán)同步環(huán)和主環(huán)上安裝了多個(gè)IPM系統(tǒng)，其利用日本濱松光子生產(chǎn)的高性能 MCP (Microchannel Plates)的便利，組裝了由多個(gè)條形MCP組成超寬測量范圍的IPM系統(tǒng)。德國重離子研究所在直線段和同步環(huán)里安裝了以多條帶電極為探測器的 IPM 系統(tǒng)[12?14]。此外美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)室[15?16]和歐洲核子中心[17?18]也都在他們的強(qiáng)子機(jī)器上安裝了 IPM系統(tǒng)。蘭州近代物理研究所的趙曉巖和高能物理研究所的張耀峰也在這方面進(jìn)行過研究工作[19?20]。

HE Jun, male, born in 1983, graduated from Wuhan University with a doctoral degree in 2011, focusing on beam diagnostics

date: 2017-01-23, accepted date: 2017-03-21

O571

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110401

國家自然科學(xué)基金(No.11305186)資助

何俊，男，1983年出生，2011年于武漢大學(xué)獲博士學(xué)位，從事束流測量研究

2017-01-23，

2017-03-21

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305186)