轴向B-dot测量束流偏角模拟计算及实验研究

束流位置探测器是最重要的束测手段之一，对于理解束流光学、束流与管道环境及背景等离子体的相互作用不可或缺。已经广泛应用的角向B-dot（通常所指的B-dot）通过探测偏心束流产生的角向磁场的二极分量来测量束流位置。申请者已经在理论上及通过模拟计算证明，束流运动方向与管道轴线具有一定偏角时，将在束流管壁附近产生轴向磁场，大小正比于束流偏角。因此可以采用轴向B-dot探头直接测量束流偏角，这是本项目申请者提出的一项全新的束流偏角测量方法。束流偏角测量将能够对束流位置测量起到重要的补充作用。在直线感应加速器中，如果能够直接测量束流偏角，将可以提供更直接的束流校正信息，减少束流校正所需的实验调试时间。本项目拟在已开展的理论分析及初步模拟计算工作基础上，开展进一步模拟计算研究；开展轴向B-dot的设计及研制工作，建立电子束流模拟装置，进行轴向B-dot测量束流偏角的原理验证性实验及前期应用研究。

2012-2015年间，开展了轴向B-dot探测器测量束流偏角的理论及实验研究。建立了探测器的电路模型，通过理论分析，建立了从示波器波形恢复提取束流流强波形、时变偏心波形、时变偏角波形的方法。建立了探测器及标定同轴线测试台的CST模型，通过该模型分析了探测器的响应并用于指导探测器的尺寸参数选择。建立了MAFIA的束流模拟模型，分析了置于光滑管道中的轴向B-dot探测器对束流偏角的响应，以及分析了置于槽形结构中的轴向B-dot探测器对偏心、偏角的响应，得到轴向B-dot探测器应置于槽形结构的正中的结论，以及槽形结构的尺寸对轴向B-dot探测器的灵敏度的影响，该分析结果用于指导探测器的尺寸参数选择。设计并制作了一种复合B-dot探测器，包含4个轴向B-dot线圈和4个角向B-dot线圈；建立了同轴线标定实验台，用于分析标定该探测器。在同轴线标定实验台上的测试结果表明，该探测器能够成功用于电流波形、偏心、偏角的测量。在神龙1号加速器上，进行了该探测器的真实的束流测试实验。加速器上的实验结果表明，轴向B-dot探测器直接测量到的束流偏角与理论计算值，以及与偏心测量值吻合得较好，能够用于真实加速器环境下的束流测量。通过本基金项目的研究，发展了完整的B-dot探测器的设计和波形后处理方法，成功研制出具有一定实用价值的轴向B-dot探测器以及复合B-dot探测器，并建立了用于复合B-dot探测器标定的同轴线标定实验台。