強(qiáng)脈沖離子束橫截面分布的測(cè)量

李東彧，喻 曉，沈 杰，屈 苗，，鐘昊玟，張 潔，張高龍，顏 莎，樂小云

（1．北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191；2．北京大學(xué) 重離子物理研究所，北京 100871）

強(qiáng)脈沖離子束橫截面分布的測(cè)量

李東彧1，喻 曉1，沈 杰1，屈 苗1，2，鐘昊玟1，張 潔1，張高龍1，顏 莎2，樂小云1

（1．北京航空航天大學(xué) 物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191；2．北京大學(xué) 重離子物理研究所，北京 100871）

強(qiáng)脈沖離子束在靶上的橫截面能量密度分布和束流焦點(diǎn)位置是束流分析和輻照效應(yīng)研究中重要的技術(shù)參數(shù)．利用紅外成像診斷技術(shù)，可以以較高的空間分辨率和能量密度分辨率對(duì)束流的橫截面分布進(jìn)行測(cè)量，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)束流焦點(diǎn)的測(cè)量和束流傳輸特性的分析．通過該實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生掌握強(qiáng)脈沖加速器診斷的基本技能，加深對(duì)加速器原理及脈沖束流分布和傳輸特性的認(rèn)識(shí)．

強(qiáng)脈沖離子束；紅外成像；橫截面能量密度分布

強(qiáng)脈沖離子束（IPIB）技術(shù)起源于上世紀(jì)六七十年代對(duì)慣性約束聚變點(diǎn)火方法的研究［1］．IPIB脈沖時(shí)間短（通常為數(shù)十ns），離子射程短（μm量級(jí)），進(jìn)行輻照時(shí)可以在靶表面沉積極高的功率密度，引發(fā)溫度劇烈的變化，使材料的性質(zhì)（抗摩擦、抗腐蝕等性能）發(fā)生改變［2］．這種效應(yīng)在最近20年被逐漸應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域并顯示出了良好的發(fā)展前景［3］．IPIB對(duì)材料表面的改性作用主要是通過脈沖熱效應(yīng)所引發(fā)，不同的注入能量密度會(huì)產(chǎn)生不同的作用效果：較低的能量密度可以引發(fā)表面的融化，而較高的能量密度則可能引發(fā)表面產(chǎn)生劇烈的燒蝕［4］．準(zhǔn)確地把握IPIB的橫截面能量密度分布對(duì)于控制輻照效果和準(zhǔn)確研究輻照效應(yīng)具有重要的意義．

以往診斷IPIB橫截面能量密度分布的主要辦法是用二極管的加速電壓乘以法拉第筒測(cè)量的束流密度［5］進(jìn)行計(jì)算或采用量熱器陣列進(jìn)行測(cè)量．由于IPIB中需要引入電子以克服空間電荷效應(yīng)達(dá)到束流的穩(wěn)定輸運(yùn)，受到等離子體屏蔽效應(yīng)的影響，法拉第筒離子束入口尺寸通常在1 mm左右，而法拉第筒外殼尺寸通常超過1 cm，因而達(dá)到毫米量級(jí)的空間分辨率是很困難的［6，7］．采用量熱器陣列，由于儀器尺寸，也會(huì)有同樣的問題．1997年洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究者提出用紅外成像診斷技術(shù)測(cè)量離子束橫截面能量密度分布［8］．近年來北京航空航天大學(xué)的研究者對(duì)這種方法在傳熱學(xué)上進(jìn)一步進(jìn)行了論證［9，10］．紅外診斷技術(shù)相比于傳統(tǒng)的電壓電流乘積法和量熱器陣列，可以大大提高IPIB截面能量分布的分辨率（空間分辨率高于1 mm，能量分辨率高于0．1 J／cm2）．

本文以北航BIPPAB-450強(qiáng)脈沖粒子束加速器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了利用紅外成像診斷技術(shù)測(cè)定IPIB橫截面能量密度分布的手段，并由此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)IPIB其他參數(shù)的診斷．通過實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解強(qiáng)脈沖加速器的工作原理，掌握基本的束流診斷技術(shù)．

1 IPIB紅外成像診斷原理

IPIB在百μm量級(jí)厚度的金屬薄靶上沉積的能量會(huì)使靶表面溫度在數(shù)百ns內(nèi)迅速上升和下降．在約1 ms之后，由于沿深度方向的傳熱效應(yīng)，在靶的深度方向（縱向）前后表面將達(dá)到溫度平衡狀態(tài)，而在這個(gè)過程中橫向的傳熱效應(yīng)很弱，薄靶中的溫度分布可以用來表征IPIB的橫截面能量分布［8］．通過紅外成像方法測(cè)量靶背向溫度的改變 ΔT（x，y），可以利用量熱方法計(jì)算沉積在靶中的能量分布，進(jìn)而對(duì)IPIB橫截面能量密度分布進(jìn)行表征.

若離子束輻照后沉積在靶面上任一單位面元的能量為

則此時(shí)IPIB的橫截面能量密度分布為

式中CV為比熱容，h為靶厚度，ρ為靶材料密度，S為靶面積，ΔT（x，y）使用紅外成像儀進(jìn)行測(cè)量.

2 IPIB紅外成像診斷實(shí)驗(yàn)

北京航空航天大學(xué)的BIPPAB-450強(qiáng)脈沖加速器利用外磁絕緣二極管產(chǎn)生離子束，脈寬為80 ns（FWHM），束流成分H+與C+約為70：30，在通過幾何聚焦后，束斑最小直徑約為5 cm．

圖1　BIPPAB-450加速器結(jié)構(gòu)

加速器工作的基本原理為：初級(jí)電源將初級(jí)儲(chǔ)能電容器組C1充電至2200 V．充電完成后，通過控制閘流管觸發(fā)，將 C1通過脈沖變壓器放電并給脈沖發(fā)生器內(nèi)的電容器組充電．脈沖發(fā)生器電容充電完畢后，贗火花開關(guān)觸發(fā)，通過第二個(gè)脈沖變壓器放電，輸出電壓被提高到250 kV并給脈沖成型線充電．在充電達(dá)到一定電壓后，脈沖成型線后端的空氣開關(guān)導(dǎo)通，并通過后端的脈沖自耦變壓器將電壓進(jìn)一步升高至450 kV后輸送到產(chǎn)生IPIB的磁絕緣二極管或產(chǎn)生IPEB的電子二極管．在初級(jí)電源上還有一個(gè)單獨(dú)的模塊能夠產(chǎn)生ms級(jí)別的脈沖電壓用于激勵(lì)二極管陰極線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)．通過改變初級(jí)電源的極性，可以改變輸出電壓的極性用于產(chǎn)生不同的束流．

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示，紅外成像儀通過CaF2紅外窗口測(cè)量靶背面在IPIB輻照前后的溫度分布圖ΔT（x，y）.

圖2　IPIB紅外成像診斷裝置示意圖

式（2）中各參數(shù)為 CV=510 J·kg-1·K-1，h=0．1 mm，ρ=7．93 g／cm3．為了加強(qiáng)紅外輻射，304不銹鋼紅外靶的背面使用丙烯酸噴涂成黑色亞光狀態(tài)．CaF2紅外窗口校準(zhǔn)曲線（紅外成像儀測(cè)量溫度y與靶表面實(shí)際溫度x的對(duì)應(yīng)曲線）為 y=0.308 53x+ 16.028 48，受到紅外相機(jī)探測(cè)器陣列尺寸的影響，紅外成像方法的空間分辨率為1．12 mm（即探測(cè)器每像素對(duì)應(yīng)空間尺寸1．12 mm）．

3 IPIB橫截面能量密度分布診斷

在IPIB輻照前后各拍攝一張靶背面的紅外圖像，利用SmartView軟件讀取和分析獲得溫度數(shù)據(jù)．如圖3所示，對(duì)應(yīng)圖中白線標(biāo)記，利用窗口校準(zhǔn)曲線對(duì)得到的兩組溫度值進(jìn)行校準(zhǔn)后，求出冷熱場(chǎng)溫度差，即為IPIB輻照后所導(dǎo)致的靶背面溫度上升值的分布ΔT（x，y），代入公式即可做出入射離子束能量密度的線分布圖，從圖4可以看出IPIB的橫截面的能量密度分布近似于高斯分布，半高寬約為30．84 mm．

圖3　發(fā)射脈沖前后的紅外熱量圖

圖4　強(qiáng)脈沖離子束能量密度分布曲線

采用紅外成像方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IPIB部分參數(shù)的測(cè)量，如IPIB橫截面分布的觀測(cè)．使用紅外成像法測(cè)量距離二極管出口不同位置IPIB形成紅外圖的分布，可以對(duì)IPIB的傳輸特性進(jìn)行研究．在IPIB的傳輸過程中（對(duì)應(yīng)靶放置于距離二極管出口不同距離處），其分布會(huì)產(chǎn)生一定的變化（圖5）．可以發(fā)現(xiàn)，在二級(jí)管出口處的束流分布對(duì)稱性較差，這說明了在二極管的不同位置離子束的發(fā)射能力有所差異．在距離二極管出口約5 cm處，經(jīng)過聚焦之后，束流橫截面分布較為規(guī)則．而隨著束流的繼續(xù)傳輸，束斑橫截面會(huì)有明顯的發(fā)散，而束流密度也隨之迅速下降．

圖5　靶在距離二極管出口不同距離輻照后紅外熱場(chǎng)圖

分別計(jì)算不同位置下測(cè)量的靶的橫截面能量密度分布，并得出束流橫截面隨靶位置改變的分布圖．

可以看出 IPIB的橫截面在距離二極管出口5～6 cm之間最小，這說明了這是 IPIB最佳的聚焦位置．隨著靶的距離偏離這個(gè)位置，束流會(huì)產(chǎn)生明顯的發(fā)散．尤其是束流在距離超過了二極管10 cm以上時(shí)，束流迅速擴(kuò)散，而且形狀產(chǎn)生較大的畸變，束流的密度也會(huì)有很大的下降（如圖6）．

圖6　束流截面隨靶與陰極距離變化而變化

圖7　束流中心位置分布圖

將靶的位置固定在距離二極管出口5 cm處，連續(xù)發(fā)射脈沖．取每次IPIB發(fā)射時(shí)靶上具有最高溫度的點(diǎn)為IPIB束斑的焦點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析．結(jié)果表明束斑焦點(diǎn)基本集中在1 cm2之內(nèi)，說明輸出脈沖幾何分布的穩(wěn)定性較好．

4 結(jié)論

利用紅外成像診斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)BIPPAB-450強(qiáng)脈沖粒子束加速器產(chǎn)生的納秒量級(jí)脈沖離子束的橫截面能量密度分布的診斷，并測(cè)定了離子束焦點(diǎn)位置和空間傳輸特性．紅外成像診斷技術(shù)具有較高的分辨率和穩(wěn)定性，操作簡(jiǎn)便，成本低廉．該方法可以為材料表面處理方面提供可靠的參數(shù)支持，同時(shí)也達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的．

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Measurement of the cross-sectional energy density distribution of intense pulsed ion beam

LI Dong-yu1，YU Xiao1，SHEN Jie1，QU Miao1，2，ZHONG Hao-wen1，ZHANG Jie1，ZHANG Gao-long1，YAN Sha2，LE Xiao-yun1
（1．School of Physics and Nuclear Energy Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2．Institute of Heavy Ion Physics，Peking University，Beijing 100871，China）

The cross-sectional energy density distribution of intense pulsed ion beam is of great significance to beam characterization and application．Using infrared imaging diagnostic techniques，the cross-sectional distribution analysis of IPIB is achieved with high spatial and energy density resolution．With this method the measurement of the beam focus and the beam transmission characteristics analysis are carried out．This diagnostics can be used to make further understanding of the working principles of intense pulsed accelerator and master the basic skills in carrying out diagnostics to powerful pulsed beams．

intense pulsed ion beam；infrared imaging diagnostics；cross-sectional energy density distribution

O 562．5

A

1000-0712（2016）10-0056-05

2015-10-21；

2016-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11175012）、國(guó)家磁約束研究計(jì)劃專項(xiàng)（2013GB109004）資助

李東彧（1995—），男，吉林遼源人，北京航空航天大學(xué)2013級(jí)本科生．

樂小云，Email：xyle＠buaa．edu．cn