束流收集器

束流收集器是 ISOL 靶室系統的重要部件。它位於靶的後方，主要作用是對回旋加速器注入進靶室的剩餘束流進行收集，並在靶被打穿的極端情況下，對束流進行收集以確保系統其他部件不受損害。收集器採用高熔點的材料作為接受束流轟擊的部分，利用高導熱性的銅基將熱量傳遞給水冷系統。中心區域採用錐面以增大束流的分布面積。

基本介紹

• 中文名：束流收集器
• 外文名：beam dump
• 拼音：shù liú shōu jí qì
• 涉及領域：物理學
• 用途：收集粒子
• 作用：對回旋加速器的束流進行收集

束流收集器設計

結構設計及電子束能量分布計算

束流收集器需能可靠地吸收電子束轟擊到其表面產生的能量，且能承受長時間工作所產生的熱應力和疲勞應力，因此，採用熔點高、導熱率好、熱膨脹係數小的銅製作束流收集器的內筒，外筒採用不鏽鋼製作，內外筒之間為冷卻水通道，其結構簡圖如圖1所示。束流收集器內表面採用倒圓錐結構，使電子束在傳輸過程中逐漸被內表面吸收，以擴大束流收集器受到轟擊的面積，減小單位面積上的能量密度。考慮到電子束傳輸和擴散等因素，初步將收集器設計為入口直徑為160mm、長度為1．2m的倒圓錐。內筒厚度為10mm，以阻止電子束穿透，並有足夠的機械強度。收集器末端採用3個成120°的支撐柱對內筒進行支撐，在有足夠支撐強度的同時減小對冷卻水的阻力，出水口位於收集器的頂端，便於排除冷卻水中的氣泡，防止收集器局部過熱。

為防止電子束能量過於集中而損壞束流收集器，電子束在進入束流收集器前需用四級磁鐵對其擴束。電子束達到收集器內表面時的束斑直徑為120mm，並且在傳輸過程中逐漸被內表面吸收。通過束流光學模擬軟體，最佳化四級磁鐵參數，並計算收集器上各位置沉積的電子數，得到收集器內表面沿軸線的能量密度（P）分布曲線，如圖2所示。電子束橫向分布採用常態分配，電子集中在束團中心，因此能量密度分布在收集器末端較大。計算中忽略了電子束轟擊到收集器內表面產生二次電子和X射線而損失的能量，並直接將電子束能量考慮為熱量施加在收集器內表面，不考慮電子束在材料中的穿透深度。通過最佳化，將能量密度控制在100W/cm以內，但在圓錐尖端出現峰值，達到130W/cm，這主要是圓錐尖端面積較小所致，由於能量並不高，該峰值在可接受範圍內。

水冷結構模擬

束流收集器水冷設計需防止收集器溫度過高導致冷卻水沸騰，沸騰產生的氣泡將使冷卻水與筒壁分離，在收集器壁形成熱點，從而使收集器溫度得不到有效控制。初步估算採用室溫（300K）的冷卻水在水流量為3．0k/s時，帶走由電子束轟擊產生的40kW熱量，溫升僅為3．2K。

使用流體力學模擬軟體Fluent對收集器水冷結構進行模擬，水流量為3．0k_g/s，入口壓強為0．1MPa。冷卻水通道入口寬度為10mm，出口寬度為5mm，越靠近通道出口半徑越大，通道的截面積也越大，因此在冷卻水流動過程中，流速將逐漸減緩。冷卻水通道內水流速度分布如圖3所示，入口處的水流速度為4．6m/s，在向出口流動過程中流速逐漸下降至1．2m/s。在水流過收集器內筒末端時，被阻礙並分向四周形成水流速度較小的回流區，如圖3b、c所示，但該處未直接受到電子束轟擊，熱量來自於前端的熱傳導不會產生過熱。

經過計算得到束流收集器內筒靠近冷卻水表面的溫度分布和兩表面沿軸線的溫度分布，如圖4所示，收集器溫度從0．2m開始上升，在0．6m時達到平頂並一直延續到1．1m，與收集器上能量密度分布曲線相符合；在1．1m至末端區間，溫度迅速下降，與能量密度分布曲線趨勢相反。電子束能量主要沉積在收集器的0．6～1．1m範圍內，末端雖然能量密度較高，但由於面積較小，能量沉積也較小，因此溫度較低。收集器兩表面之間的溫差隨溫度升高而增大，在收集器溫度最高處（355K）溫差最大，為10K。靠近冷卻水表面，最高溫度達到345K，遠低於冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會出現熱點，能穩定可靠運行。

結論

對FEL－THz束流收集器進行了初步設計，收集器內筒採用入口直徑160mm、長1．2m的倒圓錐結構對電子束進行吸收。採用室溫（300K）冷卻水對其進行冷卻，冷卻水流量為3．0k/s，壓強為0．1MPa，可將收集器內壁溫度冷卻至355K，遠低於冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會出現熱點，能穩定可靠運行，滿足高平均功率FEL－THz裝置的使用要求。

束流收集器的熱計算

初級束流收集器是ISOL靶室系統的重要部件。它位於靶的後方，主要作用是對回旋加速器注入進靶室的剩餘束流進行收集，並在靶被打穿的極端情況下，對束流進行收集以確保系統其他部件不受損害。收集器採用高熔點的材料作為接受束流轟擊的部分，利用高導熱性的銅基將熱量傳遞給水冷系統。中心區域採用錐面以增大束流的分布面積。本工作對收集器的主要部分進行了熱分析計算。計算假定注入束流為100MeV的質子束，總功率20kW，束流分布滿足σ=5mm的常態分配。計算中考慮了質子在鎢靶不同深度能量沉積的布拉格效應。通過銅基和冷卻水之間的流體動力學模擬，在冷卻水流速<5m/s，冷卻水管分布在距離束流中心約100mm時，水管壁的溫度約110˚C。收集器中心接受束流轟擊的部分採用φ30mm的鎢芯時中心區域的溫度分布示，其中心最高溫度2215˚C（2485K），遠低於鎢的熔點3680˚C。此時，銅基部分最高溫度為677˚C（950K），同樣低於銅的熔點1054˚C。從溫度分布計算結果來看，束流收集器的結構方案是可行的。

束流位置測量系統

概述

蘭州重離子加速器冷卻儲存環(HIRFL-CSR)由主環(CSRm)和實驗環(CSRe)組成,每個環有一套電子冷卻裝置。電子冷卻是通過以相同平均速度運動的離子束與強流電子束的庫侖碰撞將離子束的橫向振盪與縱向振盪能量轉移到電子束,從而降低儲存環中離子束橫向發射度和縱向動量散度、提高束流品質目的的方法。CSRm電子冷卻裝置能夠提供能量低於35keV、最大流強3A的準直性及單色性很好的電子束流,用於冷卻能量低於64MeV/u的重離子束。

CSRm電子冷卻裝置的冷卻作用使重離子束的橫向尺寸顯著縮小,為束流重複注入提供空間,從而實現重離子束流的累積。累積增益取決於電子冷卻過程的冷卻時間τ:其中,Qi和Ai為離子的電荷態和質量數,βi和γi為相對論因子,θi和θe為冷卻段內離子束和電子束相對於儲存環真空管道中心軸的張角,ηec為冷卻段長度和儲存環周長的比值,je為電子束密度。裝置冷卻段內離子束與電子束的相對位置決定了兩者之間的夾角,進而影響束流的冷卻時間。據此,在CS-Rm的電子冷卻裝置上建立了用於同時測量電子束和離子束位置的測量系統,測量各種校正線圈對電子束和離子束位置的影響,最佳化裝置運行中束流的相對位置,提高對重離子束的冷卻效率。

測量系統結構

在電子冷卻裝置冷卻段兩端各裝有一套圓筒形束流位置探針,每套探針由4個彼此絕緣、電學特性相同的圓筒形極板組成。極板由半徑100mm、長度8mm和壁厚1mm的圓筒形不鏽鋼材料沿對角面對稱切割而成,並按照相對於束流的上下左右關係對稱安裝在真空管道內。因為極板為圓筒形且沿對角面對稱切開,所以有較大的感應面積,感應靈敏度高,線性度好。當束團通過時,極板可等效為一電流源,探針極板上產生感應電荷,進而產生極板對地的電壓,該電壓受帶電粒子與極板之間距離的影響:包括前置放大器、數據採集卡以及電子束調製、離子束測量觸發、計算機(數據處理軟體)系統。前置放大器選用PET公司P/NAM-4A-000110-11030N型寬頻放大器,對探針極板感應的弱信號進行線性放大,之後送入60MS/s實時採樣率、12位垂直解析度的PXI-51058通道高精度數位化儀進行數據採集,通過軟體對數據進行傅立葉變換、頻譜信號強度分析獲得束流位置信息。

由於容式位置探針只能感應束團信息,故不能測量直流電子束在極板上的感應信號;而且冷卻過程中直螺線管冷卻段內電子束與離子束同時存在,電子束和離子束流強相差3個量級,使得電子束和離子束團感應在極板上的信號疊加,時域信號分析不能得出電子束與離子束團信息。為此,位置測量時需要對電子束進行頻率調製,通過傅立葉變換將探針極板上感應的時域信號轉換為頻域信號,頻譜中不同的頻率信號表示電子束、離子束團的不同感應信號。調製方法是在電子槍端對電子束髮射控制極電源進行頻率調製,調製頻率要求區別於離子束團的迴旋頻率,以便於後期分析頻譜信號。根據離子束團在CSRm迴旋頻率範圍為0.2—1.6MHz的條件,系統選擇由外部信號源提供的頻率為3MHz的正弦信號作為調製信號。頻譜分析時3MHz頻率信號為電子束感應信號,相應能量的離子迴旋頻率信號為離子束團感應信號。針對各極板上束流頻率信號強度,按照公式(3)和(4)獲得束流位置信息。為了防止電子槍端35kV高壓對調製信號的電磁干擾,外部調製信號轉換為光信號經光纖傳送至調製模組。

離子束測量觸發系統的觸發信號使用儲存環加速腔產生的迴旋頻率信號或者加速器事例觸發系統提供的事例觸發脈衝,觸發脈衝經光纖傳送至高精度數據採集卡觸發數據採集,以保證離子束團位置測量同步。

測量系統測試

由於位置探針已安裝於電子冷卻段真空管道內,系統不能進行實驗室離線測試,為了檢查測量系統的準確性,需要進行電子束校正線圈偏移能力的線上測試。校正線圈是沿電子束運動方向安裝在電子束真空管道四周的22組線圈,參數不同的線圈對電子束有不同的偏移能力。其中4組線圈(CX1,CX2,CY1,CY2)在電子槍區域對電子束進行偏移;6組線圈(CX3,CX4,CX5,CY3,CY4,CY5)在電子槍端彎曲螺線管區域對電子束進行偏移;2組線圈(CX6,CY6)在直螺線管冷卻段區域對電子束進行偏移;CX表示電子束水平方向的線圈,CY表示電子束垂直方向的線圈。

測量系統測量線圈在不同電流下電子束的位置,進而統計、擬合獲得相應線圈的實驗偏移能力。通過比較線圈理論偏移能力和實驗偏移能力的差別,判斷測量系統位置測量的準確性。圖4給出了電子束水平(a)和垂直方向(b)的線圈CX6和CY6在不同電流下電子束位置測量和偏移能力線性擬合結果。表1給出了部分校正線圈理論偏移能力、實驗偏移能力和它們的偏差量。結果表明,線圈理論偏移能力和實驗偏移能力差別小於0.5mm/A,即測量系統有較好的位置測量準確性。

束流位置線上測量

離子束在7—25—175MeV/u的加速過程中一個注入、累積、加速周期流強結構圖。首先離子在7.0MeV/u經過持續9.5s的注入冷卻累積至110μA;接著進行高頻捕獲(a點)、第一次加速,離子束能量提高到25MeV/u,流強達到180μA;然後進行第二次高頻捕獲(b點)、加速,12.5s時刻加速結束(c點),這時離子束能量提高到175MeV/u,流強達到400μA;最後束流儲存2s後慢引出。每個周期中離子束在高頻捕獲、加速過程中,離子束團迴旋頻率改變,探針極板上感應信號頻譜發生改變,位置信息可獲得。電子束感應信號在3MHz調製頻率有類似頻譜信號,電子束位置信息也可獲得。X表示水平方向,Y表示垂直方向。

可知,在電子冷卻裝置4m長的冷卻段內電子束與離子束存在夾角,水平方向電子束與離子束夾角為0.825mrad,垂直方向電子束與離子束夾角為1.025mrad,垂直方向離子束比電子束低大約11mm(如圖6所示)。由於電子束在冷卻段內的直徑為59mm,電子束能夠包裹離子束,這時電子束對離子束仍有高的冷卻效率。當然,通過電子冷卻裝置內的校正線圈以及儲存環內的校正磁鐵可分別對電子束和離子束進行位置調節,最終使得離子束與電子束相互平行且束流中心位置重合。

束流位置讀出收集系統

概述

束流位置信息是控制束流軌道的必要參數，它對環的閉軌校正等物理過程具有重要作用。中科院高能所為研究強流束的束流損失問題，在“973計畫”支持下建立了973－RFQ束流測量線整個束流測量線共有6個BPM。為了控制束流軌道，實時監測束流位置狀態，需要對此6個BPM製作一套束流位置讀出系統，將束流位置信息實時顯示。製作完成的系統將移植到中國散裂中子源(CSNS)的束流位置測量系統中。

公司的對數比處理模組，輸出束流水平、垂直方向的位置信號X、Y各6路，和信號的對數和(SUM)共3路，因此製作的束流位置讀出系統需要讀出此15路信號。X、Y和SUM信號都是脈寬為50～1200μs，重複頻率為1～125Hz，幅值動態範圍為±2V的脈衝信號。

BPM信號收集系統

1.系統布局

該系統用來採集X、Y、SUM信號到軟體資料庫中。CSNS工程的控制系統是基於EPICS(ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSys-tem，實驗物理和工業控制系統)的，所以973－RFQ的BPM信號採集系統也採用EPICS作為軟體平台，便於移植。EPICS是用來開發基於網路的分散式控制系統的一組軟體工具，它的基本組成部分為OPI(操作員接口)層———採用UNIX、Linux等作業系統的工作站，運行各種EPICS工具;IOC(輸入輸出控制器)層———一般採用VME/VXI系統，包括機箱、處理器和各種I/O外掛程式;網路通訊模組層(通道訪問CA)———為IOCs和OPIs提供基於TCP/IP協定的CA訪問通信，它提供CAClient和任意數目的CAServ-er之間的透明通信。

OPI採用了BEPCII工程的bepc21工作站，在Solaris作業系統下已安裝EPICS3．13．8開發環境，已有MEDM/EDM/StripTool(顯示界面繪製工具)、ChannelArchiver(歷史數據存檔工具)等豐富的OPI工具。IOC層選用了VME系統，由VME64x機箱，Motorola公司的MVME5100機箱控制器，Hytec公司的A/D卡、載板、信號轉接板組成。實驗中採用PC機來遠程訪問EPICS伺服器和終端調試IOC。

2.硬體性能

選定各硬體產品的性能指標如下:MVME5100———主頻450MHz;記憶體512MB;運行VxWorks5．4作業系統。A/D卡———型號為Hytec公司的ADC8411U;採樣頻率1Hz～100kHz可選，實驗中選定100kHz;通道數16;解析度16位;量程±5V;採樣時間2μs，轉換時間8μs;IP(In-dustrialPackage)結構，需配合VME匯流排的載板使用。載板———型號為Hytec公司的VCB8002;VME64x標準;支持IP接口，可以同時搭載4塊IP板;需配合信號後轉接板使用。信號後轉接板———型號為Hytec公司的VTB8307;VME64x標準;有4個SCSI50路接口。信號連線線———DB15轉SCSI，一端是6個DB15口，一端是1個SCSI口。0.3IOC資料庫開發IOC層是EPICS控制系統中最重要的部分，其結構如圖2所示。其中，IOC資料庫是IOC層的核心，它的基本單位是記錄(Record)，每個數據通道對應一個記錄，這樣一個個的記錄就構成了模組化的IOC動態資料庫。在EPICS環境下，一個I/O設備的IOC實例開發包括兩部分內容:主機上IOC資料庫開發及交叉編譯和IOC資料庫下載到目標機運行。而IOC資料庫開發又包括Record(用戶應用程式)、RecordSupport、DeviceSupport以及DeviceDriver的開發。

本系統的A/D卡和載板的RecordSup-port、DeviceSupport以及DeviceDriver都由生產廠家提供。實驗中結合實際採集需求，在套用環境下對它們進行了刪減、編譯、調試，發現了A/D卡用戶手冊中2個缺少的內容和A/D卡驅動程式中2個bug，進行了修正及完善。整個IOC資料庫開發過程包括以下內容:

(1)運行A/D卡和載板驅動於套用環境下通過建立套用目錄，修改Makefiles檔案內容，使用gmake命令編譯，並下載套用到目標機，使A/D卡和載板的驅動程式能在實際套用環境下運行。調試中發現問題如下:AD卡對MVME5100來說有一個記憶體偏移量，在設定載板的下載參數時應將此參數設定上，否則MVME5100將讀不到A/D卡。A/D卡手冊上沒有寫明此內容，給的驅動程式中也沒有定義此參數。後經過跟廠商交流解決此問題，MVME5100讀到A/D卡。

(2)選定A/D卡工作模式並編寫應用程式選定的A/D卡有2種工作模式:暫存器模式，觸發模式。根據BPM位置信息是脈衝信號特點，選定觸發工作模式，其工作過程為:當A/D卡被觸發時，信號被A/D卡採集，經過ADC變換被儲存到A/D卡的FIFO記憶體中(每個通道有自己獨立的一個FIFO記憶體，一次最多可存儲256個位的樣本);當FIFO已滿時，就會產生一個中斷;之後FIFO保持不變直到它的值被完全讀取，才能進行下一次的觸發。根據A/D卡驅動內容編寫A/D卡數據讀出的應用程式，用15個waveform記錄實現對15個BPM位置信號的讀出，其記錄掃描方式選為中斷掃描。將應用程式下載到目標機運行，發現問題如下:只能讀取A/D卡1個通道採集到的數據，不能實現多通道讀取。通過跟廠商交流找出原因是由於A/D卡的固件程式中存在bug，返回廠商進行修改。修改後發現問題:讀不到A/D卡所有通道的數據;VME超級終端一直顯示FIFO已滿。通過閱讀A/D卡驅動程式找出原因是由於驅動程式中存在bug，沒有在中斷函式中使能waveform記錄開始讀取數據的標誌變數。通過修改驅動程式將此問題解決。

(3)制定A/D卡觸發方案由於採集的信號為窄脈衝信號，實驗中選定同步觸發方案進行A/D卡採集，這樣每次都能將脈寬段信號採集到數組前端，便於捨去後面的無效點。

輸入同步觸發信號給A/D卡後，發現問題如下:實驗中的A/D卡採用的是雙重使能觸發，先通過軟體啟動硬體，然後通過硬體輸入外觸發信號啟動採樣。廠商給的A/D卡用戶手冊中沒有寫明此內容，導致沒有進行軟體使能，輸入外觸發信號後，A/D卡不工作。通過閱讀驅動代碼，並與廠商進行交流後，編寫了ARM使能程式，並在EPICS終端輸入ARM使能命令，解決此問題。

3.測試結果

實驗中用信號源模擬出一個脈寬為500μs、周期為40ms的窄脈衝信號進行測試，並模擬出它的同步信號觸發A/D卡進行採樣。測試得到的數據如圖3所示。該信號採集系統實現了對窄脈衝信號的100kHz同步觸發採樣(500μs脈寬內50個採樣點)。對脈寬內數據求方差值，得到讀出系統解析度遠遠好於BPM全系統分辨的要求，符合設計要求。

信號處理

實驗中對A/D卡採集到的束流位置信號進行了數值平均濾波，濾除噪聲影響，具體算法:將脈寬段內數據去掉一個最大和一個最小值，對剩餘數據求平均。信號採集系統採集到的X、Y信號是電平信號，單位為V;而束流位置x、y是距離，單位為mm;要將X、Y通過一個轉換係數轉換成x、y。對於973－RFQ的束流而言，束流在真空管道中的一定範圍內，此係數是一個常數。實驗中採用100mV=1mm進行轉換。這兩部分內容通過添加在A/D卡的驅動程式中來實現。

束流位置顯示

該束流位置讀出系統採用了EPICS客戶端軟體EDM(擴展顯示管理器)來製作用戶界面。共製作了2種不同的顯示界面來展示束流位置信息，一種是沿時間軸將每個束團的位置信號繪製成波形動態顯示;另一種是在XY平面繪製束團的動態位置。用該束流位置讀出系統對973－RFQ調試階段的頻率為1Hz、脈寬為50μs的束流位置信號進行測量。由現場動態運行結果看出，973－RFQ中束流位置基本狀態，波動很小。