直线感应加速器中束质心横向运动调谐技术及其对焦斑模糊影响的实验研究

In the linear induction accelerator, Corkscrew motion results from coupling between the tilt of beam-axis, solenoid magnetic-axis or beam pipe axis and the energy sweep in beam pulse duration. it is one of the most important factor to limit the beam spot size. For corkscrew motion, the beam centroid is deflected off axis that may cause quality degradation of beam in the LIA. The deflection depends on the beam energy variation, which is variable during the all part of a beam pulse. Such chromatic aberration will result in broadening of beam spot size. On the other hand, It also will cause the deteriorating of spot form. .X-ray spot size is an important factor to limit the image resolution ratio in the x-ray flash radiographic. In this paper we will develop the followed study to get smaller spot size. The first study is to design a beam centroid intelligent tuning system for the high current LIA. The goal to build the system is to adjust the beam centroid trajectory automatically for the LIA. It will significantly decrease the experiment tuning time. The oscillation amplitude of beam centroid will affect the x-ray spot size which is the content of our second study. The experimental research will be carried out by measuring the time-resolved beam image and its position information before focusing and the time-resolved image of the x-ray spot after focusing. In this way, the relationship between the oscillation amplitude and x-ray spot zise will be established under the system.

在直线感应加速器(LIA)中，束质心螺旋运动(Corkscrew)是目前限制LIA焦斑大小的最主要因素之一。具有Corkscrew运动的电子束，其束质心沿束线作螺旋运动，当其偏心幅度超过一定值时，可能导致束流碰壁损失；另外，由于束脉冲期间存在能散，束流内部能量有差异的部分其横向运动的相移不同，导致脉冲期间质心位置的振荡，故在束流打靶时，不仅引起焦斑尺寸的增大，而且引起焦斑形状的畸变。.针对该问题，为了获得更小的焦斑，本课题将从两方面进行研究，一是建立LIA束质心智能调节系统，以减小束心沿束线的螺旋振荡幅度，为工程实验调试提供有效快捷的指导。二是开展束质心脉冲期间振荡幅度对焦斑模糊影响的实验研究，通过测量聚焦前时间分辨的束斑图像和位置信息以及聚焦打靶后x光焦斑的时间分辨图像，建立两者在该系统下的影响关系，从而明确束心偏移调节目标，同时促也能进强流电子束打靶x光斑的时间分辨测量方法的研究。

束质心螺旋（Corkscrew）运动是限制直线感应加速器（LIA）焦斑尺寸的重要因素之一，其不仅引起焦斑模糊的增长，甚至导致焦斑形状的严重畸变，研究Corkscrew运动对焦斑的影响、通过实验调试抑制其振荡幅值的增长是LIA加速器提升束流焦斑品质非常重要的环节。.在国家自然科学基金的资助下，本项目开展了直线感应加速器中束质心横向运动调谐技术及其对焦斑模糊影响的相关研究，完成了项目计划书的主要研究内容，达到了项目计划书的研究目的。主要完成了以下研究工作.1）根据能量守恒定律和对束线电磁场分布的完整分析，完成了Corkscrew运动模拟计算程序的编写，并在LIA漂移段和加速段开展了程序计算结果的验证实验，实验表明当束流传输距离在12.5m范围内时，计算结果与实验测量结果的偏差<0.5mm，且该偏差与加速器抖动导致的测量不确定度基本相当，该程序已应用于指导LIA束质心的半智能化分段调节实验工作，大幅度提高了实验效率。.2）结合CHIPIC软件、Corkscrew运动模拟计算程序、束包络模拟计算程序建立了Corkscrew运动对束斑和焦斑影响的快速模拟分析方法，模拟表明：当脉冲内束质心振荡幅值的均值在2mm以内时，束斑分布对称性较好，当振荡幅值的均值大于5mm时，图像对称性遭到破坏；聚焦焦斑处束质心振荡幅值<0.2mm时，焦斑畸变较小，且其导致的焦斑尺寸增加相对聚焦前束包络参数的不一致引起的增长基本可以忽略。.3) 开展Corkscrew运动对束斑和X光焦斑影响的实验研究，建立了束斑和X光焦斑的时间分辨测量方法，基于此获得了LIA加速器束斑和X光的时间分辨图像，并完成了束质心振荡幅值的实验测量和分析。实验表明LIA束流传输聚焦过程中，若包络半径为7-30mm，此时束质心振荡幅值的均值应<2mm，若焦斑FWHM=1-2mm，此时焦斑处质心振荡幅值应<0.2mm，若其振荡幅值的均值>0.5mm时，焦斑明显不对称；另外，优化注入器电压波形，减小其前后沿，并增加平顶可进一步减小LIA焦斑尺寸。.通过该项目的研究，培养了本团队参研人员的创新思维方式和科研方法，实现了科研人员个人能力的快速提升。