石墨烯箔带截面测量探头研制

Multi-wire profile monitor is one of the most important equipments for beam measuring. It is kind of two-dimensional grid that two mutually perpendicular directions exist, and each direction is arrangement of multi parallel wires. The monitor can measure the beam profile without scanning for quickly work during the beam debugging and operation time, in order to reduce the measuring time and beam loss. Due to the weak current signal measurement requirement in Chinese Spallation Neutron Source (CSNS) injection region, combined with the many advantages of graphene material, the applicant proposes to develop the project of multi-strip profile monitor. In the simulation analysis aspect, the selection of foil material and optimization design of structure will be accomplished with the analysis result of thermal stress, structure, life and current signal. In the processing technology aspect, the soldering technology will be studied by experiment test of the mechanical properties and phase organization in the soldering interface of graphene and ceramic. In the structure design aspect, the direct bonding technology of copper and ceramic and air cylinder driving system will be the first time employed to minize the structure size, and achieve the real function of fast measurement. Finally, the graphene multi-strip profile monitor will be processed and manufactured, then proved the superiority by measurements such as current signal level. The research project has important scientific significance.

多丝靶截面探头在互相垂直的两个方向上布置多根平行丝组成二维网格，无需扫描即能实现束流剖面测量，快速应用于束流调试和运行，减少测量时间和束流损失，是束流测量的重要设备之一。申请者针对散裂中子源（CSNS）注入区的弱电流信号测量需求，结合石墨烯材料的诸多优点，提出多箔带截面测量探头研制的项目申请。模拟分析方面，结合箔带的热应力、结构，寿命和电流信号等分析结果，进行箔带材料选择和结构优化设计；加工工艺方面，通过实验测试石墨烯与陶瓷钎焊处机械性能和界面晶相组织，研究其焊接工艺；结构设计方面，首次采用铜与陶瓷直接键合技术和气缸驱动系统，减小探头整体结构尺寸，实现真正的快速测量功能。最终完成探头的加工制造，通过电流信号水平等测量，验证石墨烯多箔带测量探头的工程应用优越性。该研究具有重要意义。

强流质子加速器是当前国际加速器界一个非常重要的发展方向，如散裂中子源、加速器驱动的次临界核能系统、放射性束装置、中微子束装置等。束流截面分布是加速器束流测量关键性能指标之一，丝靶和多丝靶探测器作为测量束流截面的探测器，是束流测量的重要设备。本课题针对碳材料的诸多性能优点以及弱电流信号测量的需求，开展石墨烯薄膜材料在束流截面测量中的应用研究。. 本课题按计划完成了各项研究任务。模拟分析方面，计算同等情况下石墨烯与其它材料在3.5~100 MeV束流下的沉积能量，并完成相应的热效应（温度）、应力和变形、使用寿命、输出信号水平等分析计算，定量给出石墨烯相比其它材料的优势，同时进一步对箔带结构尺寸进行优化；机械设计方面，采用偏压箔避免箔带的电荷效应，并分析优化箔带两端预紧力，得到最优的多箔带截面测量结构；设备制造方面，通过实验比较成功解决了石墨烯薄膜的高精度切割、陶瓷电路板工艺、快速精密测量等关键技术难点，研制了石墨烯多箔带截面探测器（GMRPM），并搭载信号处理系统；实验测试方面，开展了热效应、箔带固定工艺、真空性能和气体冲击等多项实验，解决存在的温度变形、疲劳寿命、导电固定、精密扫描测量等问题，从实践上论证石墨烯多箔带截面探测器工程应用的可行性。. 在理论研究和样机研制基础上，按计划该石墨烯多箔带截面探测器，应装在离子源实验平台上实际带束流测试，但由于新冠疫情影响，以及离子源实验平台拆除失去实验条件而未能按时完成，需要重新搭载后或硼中子俘获治疗项目（BNCT）上再继续完成。. 通过本课题的积极探索，实现束流诊断和截面分布上更高的测量精度和灵敏度、更长的使用寿命、更好的抗干扰能力，证明石墨烯材料在束流截面测量方面应用的优越性，为新材料的应用研究和弱电流测量方法继续研究提供经验指导，在本领域内具有引领性和开创性，具有非常重要的应用前景和学术价值。