用于自由電子激光裝置的絲掃描束流橫向截面測(cè)量系統(tǒng)原型機(jī)

萬 鈞，冷用斌,,*，俞路陽(yáng)，陳 杰，高 波，陳方舟，陳 健，曹珊珊

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201204)

絲掃描截面測(cè)量系統(tǒng)[1-2]是國(guó)內(nèi)外各大加速器裝置普遍采用的技術(shù)，用于半阻攔束流截面測(cè)量。作為一種常用于直線加速器束流截面測(cè)量的方法，其在國(guó)外自由電子激光(FEL)裝置，如第2代直線加速器相關(guān)光源(LCLS-Ⅱ)[3]、瑞士自由電子激光(SwissFEL)[4]、歐洲X射線自由電子激光(EXFEL)[5]、韓國(guó)浦項(xiàng)X射線自由電子激光(PAL-XFEL)[6]等加速器裝置上應(yīng)用并取得了很好的效果。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用于電子束團(tuán)的截面測(cè)量，目前主要是中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)[7]的改進(jìn)項(xiàng)目BEPC-Ⅱ，該裝置將電子加速至1.89 GeV，束流重復(fù)頻率為50 Hz。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的中國(guó)散裂中子源(CSNS)[8]和中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ADS)[9]是將絲掃描系統(tǒng)應(yīng)用于質(zhì)子或H-離子的束團(tuán)截面測(cè)量。雖然各加速器裝置應(yīng)用絲掃描束流橫向截面測(cè)量系統(tǒng)的工作原理大致相同，但由于加速器的粒子種類、粒子能量、束團(tuán)重復(fù)頻率等參數(shù)不同，各裝置使用的絲掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在很大不同。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于FEL的束流橫向截面的測(cè)量大多依靠熒光靶等傳統(tǒng)手段，這些傳統(tǒng)手段的局限性明顯，對(duì)于束流有阻擋作用。同時(shí)成像系統(tǒng)難以排除相干渡越輻射的干擾，測(cè)量精度將受到影響[10]。絲掃描系統(tǒng)應(yīng)用于FEL裝置，可實(shí)現(xiàn)在幾乎不阻擋束流的情況下對(duì)FEL裝置進(jìn)行束流橫向截面尺寸的測(cè)量，相比于使用截面靶的測(cè)量方法其不影響束流運(yùn)行，并在下游產(chǎn)生更少的次級(jí)粒子，可減少超導(dǎo)高頻腔的失超風(fēng)險(xiǎn)。目前在建的上海高重復(fù)頻率硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)[11]因其超高的束流重頻，不能采用全阻攔式束團(tuán)截面測(cè)量技術(shù)，計(jì)劃采用絲掃描技術(shù)來實(shí)現(xiàn)束流橫向截面的在線測(cè)量。為此將研制一套用于FEL裝置的絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)用于關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，該原型機(jī)將安裝于上海軟X射線自由電子激光(SXFEL)[12]開展束流實(shí)驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)可為SXFEL的束流橫向截面測(cè)量提供半阻攔式測(cè)量方法的補(bǔ)充。

1 工作原理

絲掃描束流橫向截面測(cè)量系統(tǒng)的探頭是一種單絲靶，其工作原理如圖1所示。用依靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)裝有若干掃描絲(材料一般為鎢、碳等)[13-14]的探頭。掃描絲彼此分開，保證不會(huì)有兩根絲同時(shí)和束流接觸，可分別測(cè)量不同方向的尺寸。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)探頭在束流管道截面方向直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探頭和束流的相互接觸和分離。在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝位置的下游，裝有束損探測(cè)器，探測(cè)束流和掃描絲相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子，主要包括高能電子、γ射線、掃描絲產(chǎn)生的次級(jí)電流。

圖1 絲掃描測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of wire scanner system principle

當(dāng)其中1根掃描絲與束流碰撞，同步測(cè)量探頭移動(dòng)的距離和束損探測(cè)器的束損信號(hào)強(qiáng)度。多次脈沖后，將測(cè)得的探頭位置序列{Xi}和束損信號(hào)強(qiáng)度序列{Ii}進(jìn)行高斯擬合，則：

(1)

其中，σ為掃描絲對(duì)應(yīng)方向的束流橫向截面尺寸。

該原理主要基于如下前提：1) 與束流尺寸相比掃描絲足夠細(xì)，對(duì)測(cè)量結(jié)果幾乎無影響；2) 下游的次級(jí)產(chǎn)物流正比于穿過鎢絲電子束流的強(qiáng)度；3) 束流截面尺寸在絲掃描系統(tǒng)測(cè)量過程中不變。

影響淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)景區(qū)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度的因素可以總結(jié)為3個(gè)原因:景區(qū)知名度,季節(jié),假期．景區(qū)的知名度越高,關(guān)注度越高,如泰山和沂蒙山,泰山的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沂蒙山．季節(jié)變化會(huì)給人們帶來感知體驗(yàn)的不同,4月和10月的關(guān)注度每年都出現(xiàn)峰值,是由于我國(guó)“五一”和“十一”假期較長(zhǎng)且氣候較宜人,全國(guó)出游的人數(shù)較多,一年四季中春秋出游的人數(shù)普遍較高．人們旅游時(shí)間大多集中在假期,所以在假期到來之前,景區(qū)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度便會(huì)明顯升高．

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研制

2.1 總體設(shè)計(jì)

絲掃描系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包含絲靶探頭、機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、束損探測(cè)器、控制及信號(hào)采集子系統(tǒng)4部分，其中控制及信號(hào)采集子系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊。另外，由于束流橫向位置的抖動(dòng)會(huì)顯著影響掃描絲與束流的相對(duì)位置，降低測(cè)量精度，因此在絲掃描系統(tǒng)上游安裝1套腔式束流位置測(cè)量(CBPM)系統(tǒng)[15-20]，用于鎢絲與束流間相對(duì)位置抖動(dòng)和電荷量的數(shù)據(jù)分析補(bǔ)償。

圖2 絲掃描系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of wire scanner system

2.2 絲靶探頭

2) 運(yùn)動(dòng)控制模塊

圖3 20 μm鎢絲與SXFEL裝置束流持續(xù)碰撞時(shí)溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Temperature versus time with 20 μm tungsten wire when continuous colliding with beam in SXFEL

圖4為絲靶機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，絲靶探頭是由1個(gè)鋁支架和固定在支架上的1根鎢絲組成的，鎢絲兩端固定，利用中間的5個(gè)支點(diǎn)將1根鎢絲分成3段。3段鎢絲彼此相交成45°，分別負(fù)責(zé)測(cè)量束流的水平、垂直和斜45° 3個(gè)方向的束團(tuán)橫向截面尺寸。裝配后的探頭被放置在絲靶探頭真空結(jié)構(gòu)內(nèi)，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探頭在真空盒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，完成3個(gè)方向的鎢絲掃過束團(tuán)截面。

圖4 絲靶機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Mechanical structure diagram of wire target

2.3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)主要由帶法蘭和波紋管的真空室、直線電機(jī)、磁尺傳感器、45°安裝座和獨(dú)立可調(diào)支撐座組成。圖5a為機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剖面圖，用于與束流相互作用的絲靶由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)自下而上在真空腔內(nèi)移動(dòng)，依次掃描束流x方向、斜45°方向、y方向橫向截面尺寸，波紋管連接真空腔和法蘭保證絲靶運(yùn)動(dòng)時(shí)不破壞真空。圖5b為側(cè)視圖，直線電機(jī)旁安裝的磁尺傳感器(SPM)選用的型號(hào)為MR50(分辨率10 μm)，用于反饋絲靶位置(圖5c)。

圖5 絲掃描系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design drawing of mechanical mechanism of wire scanner system

2.4 束損探測(cè)器

GNS3[9]是一款可以運(yùn)行在WINDOWS、LINUX及蘋果系統(tǒng)中的圖形化網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,目前最新版本為GNS3-2.0.3.相比思科公司推出的仿真軟件Cisco Packet Tracer而言，GNS3由多款軟件整合而成并且是開源的，可以實(shí)現(xiàn)的功能更多.不僅支持多種型號(hào)的思科交換機(jī)、路由器以及防火墻等設(shè)備的模擬仿真，而且還可以與現(xiàn)實(shí)中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行深度對(duì)接，具有免費(fèi)、真實(shí)可信、用戶操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于模擬各類型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.

同時(shí)，以同步課堂為中心，在城市師生和農(nóng)村師生之間建立聯(lián)系，通過網(wǎng)絡(luò)或其他形式進(jìn)行交流，包括課前準(zhǔn)備、課中探討和課后反思，增強(qiáng)同步課堂的效果，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)隱性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的傳播，促進(jìn)傳遞和習(xí)得，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)師生、生生的雙向交互。促進(jìn)城鄉(xiāng)學(xué)伴互相幫助，開闊視野，提高農(nóng)村整體文化素養(yǎng)，在相互學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)學(xué)生的共同成長(zhǎng)。

絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)對(duì)束流進(jìn)行掃描，電機(jī)每行進(jìn)1步數(shù)據(jù)采集模塊采樣100組原始信號(hào)，掃描結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到100組絲掃描測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到的每個(gè)方向束流截面尺寸分布如圖11所示。其中水平(x方向)、斜45°、豎直(y方向)3個(gè)方向測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差分別為10.4、12.6、51.9 μm。

圖6 用于絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的束損探測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.6 Diagram of beam loss monitor for wire scanner prototype

絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，需采集4路模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)前利用示波器發(fā)現(xiàn)束損探測(cè)器產(chǎn)生的束損信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間不超過1 μs，而CBPM信號(hào)的采集需要較高的采樣率否則會(huì)顯著影響分辨率，綜上選擇SXFEL裝置高頻頻率的倍頻1 004.8 MHz作為數(shù)據(jù)采集模塊的采樣率。該數(shù)據(jù)采集模塊研制基于Teledyne SP Devices公司的ADQ14AC-4C型數(shù)據(jù)采集平臺(tái)[27]，搭載的ADC芯片標(biāo)稱位數(shù)為14 bit，有效位約9 bit，模擬3 dB帶寬為1.2 GHz，滿足絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)數(shù)據(jù)采集需求。上位機(jī)安裝基于EPICS控制系統(tǒng)的軟件IOC并通過PCIE接口連接數(shù)據(jù)采集板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)與處理。

2.5 數(shù)據(jù)采集和控制

1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于切倫科夫原理的光纖束損測(cè)量技術(shù)[26]目前已經(jīng)成熟，根據(jù)絲掃描束流截面產(chǎn)生束損信號(hào)的特點(diǎn)選擇純石英光纖，這種光纖的數(shù)值孔徑、芯徑、光傳輸效率指標(biāo)符合探測(cè)要求，產(chǎn)品成熟；后接光電倍增管的增益、響應(yīng)時(shí)間、光譜范圍指標(biāo)也完全滿足切倫科夫光的特點(diǎn)。絲掃描系統(tǒng)配套的束損探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該束損探測(cè)器核心部分包含4根光纖和光電倍增管，光纖布置在束流管道周圍，并在其末端接光電倍增管。將該裝置安裝于隧道內(nèi)各處，可用于保護(hù)波蕩器磁鐵，避免輻射損傷，監(jiān)測(cè)束流分配效率及束損劑量，定位束損點(diǎn)，也可用于調(diào)束診斷。結(jié)合絲掃描系統(tǒng)，可選取其中一路光電倍增管輸出信號(hào)用于束流截面測(cè)量，無需為絲掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)專用的束損探測(cè)器。

操作考核：選擇我院擇期腹部手術(shù)肥胖患者80例作為頸內(nèi)靜脈穿刺置管術(shù)的對(duì)象，隨機(jī)分到兩組中，每組40例?；颊叩腁SA分級(jí)I～I(xiàn)I級(jí)，年齡35～65歲，身體質(zhì)量指數(shù)＞28 kg/m2，無凝血功能障礙，無穿刺部位感染，無頸部活動(dòng)異常。所有患者入室后進(jìn)行心電圖，血壓，脈搏氧飽和度監(jiān)測(cè)?；颊叱Ｒ?guī)全麻誘導(dǎo)插管后，頭低位20°，選取右側(cè)頸內(nèi)靜脈進(jìn)行穿刺。實(shí)驗(yàn)組采用超聲引導(dǎo)下中心靜脈穿刺方法，對(duì)照組采用傳統(tǒng)盲探中心靜脈穿刺方法。

圖7 絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of data acquisition module of wire scanner prototype

絲靶探頭是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)及核心部分，其與機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，依靠探頭上的物質(zhì)與束流相互作用后，在束流運(yùn)動(dòng)方向的下游產(chǎn)生次級(jí)粒子，主要是二次電子、γ光子。絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的探頭使用金屬鎢作為掃描絲的材料，是因?yàn)殒u的原子序數(shù)相比碳、鋁等其他常用材料大，會(huì)導(dǎo)致入射電子有更高的能損獲得更多的次級(jí)粒子[21-22]，進(jìn)而使得束損探測(cè)器信號(hào)的信噪比更高。根據(jù)文獻(xiàn)[23]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，束流截面尺寸與掃描絲直徑之比大于5時(shí)，測(cè)量精度較高。由于SXFEL裝置運(yùn)行時(shí)束流截面尺寸大于100 μm，因此作為絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)探頭的鎢絲直徑可選擇20 μm。由于在絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)運(yùn)行過程中，鎢絲與束流接觸溫度將急劇上升，因此實(shí)驗(yàn)前需考慮鎢絲與束流作用受熱的安全性問題。首先SXFEL裝置電子束流的能量不高于1.6 GeV，單束團(tuán)電荷量不高于1 nC，通過理論[24]計(jì)算可得1.6 GeV的電子穿過20 μm的鎢絲時(shí)將有約1.02%的能損轉(zhuǎn)化為熱量，基于有限元分析軟件ANSYS的模型[25]仿真計(jì)算可得絲靶與束流持續(xù)碰撞時(shí)溫度隨時(shí)間的變化，如圖3所示。鎢絲的最高溫度遠(yuǎn)低于約3 500 ℃的熔點(diǎn)，說明該絲靶探頭不會(huì)在測(cè)量SXFEL裝置束流截面尺寸時(shí)因高溫?fù)p壞。

首先，安排專門的施工人員針對(duì)孔內(nèi)水頭情況進(jìn)行全面細(xì)致的觀測(cè)，保證孔內(nèi)的水頭高度能夠符合相應(yīng)的工程施工標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)的水頭相較于孔外水頭較低，則需要及時(shí)將泥漿池中的泥漿抽取到孔內(nèi)，減少鋼護(hù)筒在外力作用下出現(xiàn)變形情況。其次，在施工現(xiàn)場(chǎng)做好黏土的準(zhǔn)備工作，及時(shí)向孔內(nèi)充填黏土，待回填至護(hù)筒底以上5m高度后，停止回填黏土。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要完成對(duì)直線電機(jī)的供電、位置反饋控制、位置讀數(shù)上傳、運(yùn)動(dòng)控制等主要功能。該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，其核心部分為伺服器基于PID反饋算法控制電機(jī)，并負(fù)責(zé)讀編碼器位置、接收同步信號(hào)、與上位機(jī)通信等。直線電機(jī)支持多種運(yùn)動(dòng)模式，最典型的幾種列于表1，電機(jī)的模擬位置由輸入電壓決定。在絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)測(cè)試過程中將通過使用這幾種運(yùn)行模式，可找出最合適FEL裝置運(yùn)行需求的模式。

圖8 絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of motion control module for wire scanner prototype

表1 直線電機(jī)典型運(yùn)動(dòng)模式Table 1 Typical motion mode of linear motor

3 束流實(shí)驗(yàn)及性能評(píng)估

基于絲掃描束流橫向截面測(cè)量系統(tǒng)原型機(jī)的設(shè)計(jì)和研制，在SXFEL裝置中選取主加速器末端的漂移段完成系統(tǒng)的搭建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和相關(guān)性能評(píng)估測(cè)試。

3.1 直接測(cè)量結(jié)果

SXFEL裝置運(yùn)行在束流電荷量500 pC、電子能量840 MeV的條件下進(jìn)行絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的測(cè)試。直線電機(jī)以定點(diǎn)模式運(yùn)行，上位機(jī)發(fā)送命令使得電機(jī)以0.1 mm的步長(zhǎng)在真空腔內(nèi)移動(dòng)。電機(jī)的實(shí)際到達(dá)位置由磁尺傳感器測(cè)量得到并傳送至上位機(jī)。當(dāng)電機(jī)移動(dòng)1步，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集1組如圖9所示的束損信號(hào)。基于切倫科夫輻射的光纖束損信號(hào)有多個(gè)峰是由于光脈沖在光纖兩端反射傳播造成的，實(shí)驗(yàn)中取幅度最大值表征鎢絲阻擋束流時(shí)產(chǎn)生的束損強(qiáng)度。

圖9 絲掃描系統(tǒng)運(yùn)行過程中采集到的束損信號(hào)Fig.9 Beam loss signal collected during operation of wire scanner system

電機(jī)完成一次掃描可得到如圖10所示的采樣結(jié)果，對(duì)所得的電機(jī)位置序列和束損強(qiáng)度序列基于最小二乘法進(jìn)行高斯擬合，可得到3個(gè)方向束流橫向截面尺寸的測(cè)量值。

圖10 絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)完成一次掃描的數(shù)據(jù)采樣結(jié)果Fig.10 Data sampling result of one scan completed by prototype wire scanner

為保證鋼纖維混凝土施工質(zhì)量，必須結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)和幾何參數(shù)的確定，鋼纖維增強(qiáng)效果與長(zhǎng)度、等效直徑和長(zhǎng)徑比等參數(shù)有關(guān)，隨長(zhǎng)徑比的增大鋼纖維增強(qiáng)作用隨之增加，長(zhǎng)度太短起不到增強(qiáng)作用，太長(zhǎng)則會(huì)增加施工難度，長(zhǎng)徑比過大將影響拌和物質(zhì)量，過小則容易在拌和過程中折彎。鋼纖維材料必須與基材相適應(yīng)，抗拉強(qiáng)度保持在至少500MPa，鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮鋼纖維的等效直徑和長(zhǎng)徑比，如表1所示，本工程鋼纖維等效直徑控制在0.55mm以上。

由于SXFEL裝置的束流橫向抖動(dòng)幅度峰值為百μm量級(jí)，束流的抖動(dòng)可能對(duì)絲掃描的測(cè)量造成干擾。因此在直接測(cè)量的基礎(chǔ)上，使用CBPM裝置測(cè)得的束流位置對(duì)鎢絲和束流相對(duì)位置進(jìn)行校正。

圖11 未采用CBPM系統(tǒng)校正后絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)測(cè)量結(jié)果Fig.11 Measurement result of wire scanner prototype without being corrected by CBPM

圖12 CBPM系統(tǒng)測(cè)量的束流在3個(gè)方向上的橫向偏移位置標(biāo)準(zhǔn)差Fig.12 Standard deviation of transverse deviation position of beam measured by CBPM system in three directions

3.2 CBPM校正后測(cè)量結(jié)果

由圖11可知，束流豎直方向截面尺寸測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大，估計(jì)是由于水平方向鎢絲與束流接觸期間束流的y方向位置波動(dòng)較劇烈造成的。圖12為CBPM系統(tǒng)測(cè)量的束流在3個(gè)方向上的橫向偏移位置標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)合圖11、12可看出，絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)掃描測(cè)量束流水平方向和斜45°方向橫向截面尺寸時(shí)，束流橫向位置波動(dòng)較小，而測(cè)量束流豎直方向截面尺寸期間束流不太穩(wěn)定波動(dòng)劇烈，從而對(duì)絲掃描測(cè)量該方向束流截面尺寸的精度產(chǎn)生較大影響。

圖13為采用CBPM系統(tǒng)進(jìn)行束流位置校正后絲掃描系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，其中100次測(cè)量結(jié)果的平均值為：x方向，203.3 μm；斜45°方向，250.9 μm；y方向，252.9 μm。校正后絲掃描系統(tǒng)測(cè)量不確定度降低，且當(dāng)束流抖動(dòng)幅度大時(shí)，采用CBPM系統(tǒng)校正的效果較好。

圖13 采用CBPM系統(tǒng)進(jìn)行束流位置校正后絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)測(cè)量結(jié)果Fig.13 Measurement result of wire scanner prototype with beam position corrected by CBPM system

另外，束流電荷量的波動(dòng)也會(huì)影響束損信號(hào)的幅度，當(dāng)束流與鎢絲相對(duì)位置一定時(shí)，束流電荷量和束損信號(hào)強(qiáng)度呈正比。利用對(duì)CBPM系統(tǒng)參考腔信號(hào)的處理可得到每個(gè)束團(tuán)的電荷量相對(duì)大小(圖14)，其波動(dòng)幅度約5%，由此可對(duì)束損信號(hào)進(jìn)行校正，進(jìn)一步優(yōu)化絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的測(cè)量結(jié)果。

The pore throat characteristics of narrow-channel tight sandstone gas reservoirs in the

圖14 采用CBPM系統(tǒng)參考腔信號(hào)得到束團(tuán)電荷量相對(duì)大小Fig.14 Relative charge of beam obtained by using CBPM system reference cavity signal

圖15為采用CBPM系統(tǒng)進(jìn)行束流位置和束團(tuán)電荷量校正后絲掃描系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量精度得到小幅改善，其中測(cè)量結(jié)果平均值為：x方向，201.7 μm；斜45°方向，248.4 μm；y方向，253.5 μm。

圖15 采用CBPM系統(tǒng)進(jìn)行束流位置和束團(tuán)電荷量校正后絲掃描系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果Fig.15 Measurement result of prototype with beam position and beam charge corrected by CBPM system

3.3 YAG截面靶測(cè)量結(jié)果

為對(duì)比絲掃描系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，使用絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)上游距離約2 m的YAG截面靶[28]阻擋束流，通過CCD相機(jī)將靶片發(fā)射的熒光成像，實(shí)現(xiàn)測(cè)量束流橫向截面尺寸。圖16為YAG截面靶測(cè)量結(jié)果，其中CCD相機(jī)的1個(gè)像素邊長(zhǎng)為29 μm，因此截面靶測(cè)量的束流橫向截面尺寸為：x方向216.9 μm；斜45°方向，266.5 μm；y方向，346.0 μm。

圖16 YAG截面靶測(cè)量結(jié)果Fig.16 Measurement result of YAG profile target

3.4 性能評(píng)估

絲掃描與截面靶的測(cè)量結(jié)果對(duì)比列于表2，x方向和斜45°方向絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的測(cè)量結(jié)果略偏小，原因是YAG靶的成像會(huì)受到靶片厚度、角度及成像系統(tǒng)所帶來的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的影響，這會(huì)使得實(shí)際測(cè)量的尺寸比原始尺寸大。而截面靶y方向截面尺寸測(cè)量結(jié)果比絲掃描測(cè)量結(jié)果大得多，原因是該CCD相機(jī)曝光時(shí)間為3 s，曝光時(shí)間內(nèi)多個(gè)束團(tuán)將轟擊截面靶成像，而該方向束流橫向波動(dòng)較劇烈，因此圖像展寬較嚴(yán)重。采用CBPM系統(tǒng)校正后，該絲掃描測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差不大于30 μm，在束流抖動(dòng)幅度較小的方向測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差可小于10 μm。

表2 絲掃描與截面靶的測(cè)量結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of measurement result between wire scan and beam profile

4 結(jié)論

本文結(jié)合SHINE裝置對(duì)束流橫向截面尺寸測(cè)量的需求，完成了絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的設(shè)計(jì)與研制，在SXFEL裝置上完成了系統(tǒng)安裝，搭建了束流實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，展開了束流實(shí)驗(yàn)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在束團(tuán)電荷量500 pC、電子能量0.84 GeV的條件下，該原型機(jī)可實(shí)現(xiàn)半阻攔式截面尺寸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與SXFEL裝置在線的截面靶測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果一致，測(cè)量不確定度好于30 μm。通過絲掃描系統(tǒng)原型機(jī)的研制，達(dá)到了如下目標(biāo)：探索絲掃描探頭加工及測(cè)試工藝；研制運(yùn)動(dòng)控制模塊；應(yīng)用程序開發(fā)；通過束流實(shí)驗(yàn)評(píng)估絲掃描設(shè)備隧道內(nèi)工作可靠性、穩(wěn)定性，評(píng)估其空間分辨率；總結(jié)樣機(jī)研制過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為用于SHINE工程的絲掃描系統(tǒng)最終方案提供依據(jù)，為SHINE工程建設(shè)奠定了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。