用于高能电子成像的电子直线加速器束流动力学研究

发布时间：2020-08-02 10:24

【摘要】：作为诊断高能量密度物质的备选方法之一,高能电子成像(HEER)技术近年来已成为该领域研究的热点课题。为了实现对强流重离子装置上的高能量密度物理研究的诊断,中科院近代物理研究所决定建设国际上首个HEER实验专用平台。该平台的核心是一台电子直线加速器(LINAC),其特色是包含有两个不同类型的电子枪——热阴极微波电子枪和光阴极微波电子枪,其中热阴极工作模式用于静态厚靶物质诊断研究而光阴极工作模式用于4D动态成像研究。论文采用ASTRA、Elegant和GPT等软件对两种注入模式下的电子加速器束流动力学进行模拟和优化,完成了用于HEER研究的电子直线加速器的设计和束流动力学分析。基于热阴极的LINAC由热阴极微波电子枪、α磁铁和行波加速管等元件组成,其设计目标是产生强流、低能散和短脉冲电子束。作为脉冲长度压缩和能量筛选的关键元件,论文对α磁铁设计、模型磁场分布和测磁结果分别进行了分析,对空间电荷力作用下的电子束在三维α磁铁模型中的传输进行了模拟,并对束流进入角度进行了优化以减弱镜板开孔引起的磁场畸变对束流传输的影响。模拟分析了强流电子束在α磁铁中的传输过程以及多束团传输时束流之间相互作用,利用四极磁铁对进入α磁铁的束流进行匹配以优化α磁铁出口束流参数。在α磁铁束流传输研究的基础上,对热阴极注入模式下LINAC的设计和束流动力学进行了研究,对LINAC进行了参数优化。此外,对束流在电子枪出口到加速管入口的传输段中的空间电荷效应进行了分析,对LINAC参数进一步进行了优化。经过优化后,该LINAC可以提供能量约50 MeV,束团电荷量达到150 pC,能散低至0.085%的短脉冲电子束。对LINAC进行了初步调试,初步验证了设计的合理性。最后,对光阴极注入模式下LINAC的设计进行了初步研究。对两种不同纵向分布的激光束下的LINAC参数分别进行了模拟与优化,对比分析了不同激光束下束流的特点。在该LINAC中提出使用双发射度补偿线圈的方式进一步优化束流发射度。在平顶激光束的模拟中发现,当束团电荷量为0.4 nC时可以获得能散为0.08%、发射度为0.88πmm?mrad的电子束,可以用于薄靶诊断时空间分辨能力提高的研究。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL53
【图文】：

点火装置,美国,高功率激光

高能量密度物质（High EnergyDensityMatters，HEDM）通常是指能量 1011J/m3、压力超过 1MPa 的极端条件下的物质[1]。近年来，高能量密High Energy Density Physics，HEDP）的研究引起越来越多科学家的关该研究领域与惯性约束聚变，材料物理，粒子加速器等研究领域有明显交极其重要的科学意义[2]。HEDP 研究可以促进天体物理、等离子体物理物理的研究，包括美国、德国以及中国等在内的多个国家都在积极地开究[3]。在实验室中，有多种方法可以产生 HEDM，如采用高功率激光驱动、高子束打靶或 Z-pinch 驱动等方式，其中主流的方法是采用高功率激光[6][7]。美国的核爆模拟、核聚变点燃研究装置 National IgnitionFacility（N图 1.1）采用高功率激光驱动的方式产生 HEDM，但首次点火实验未能失败的主要原因是对状态变化过程的诊断缺乏有效的手段，靶丸压缩过断。

总体布局,重离子加速器,强流,总体布局

用于高能电子成像的电子直线加速器束流动力学研究中国科学院近代物理研究所（Institute of Modern Physics（IMP），ChineseAcademyofSciences（CAS））承担的重大科技基础设施——强流重离子加速装置HIAF（High Intensityheavy-ionAcceleratorFacility）（如图 1.2），可以产生高流强、高能量、高束流功率的重离子束，可以为 HEDM 的产生提供所需的强流重离子束[10]。HIAF 装置中一个重要的实验终端就是产生 HEDM，以研究惯性约束聚变中燃料靶核的压缩过程。在实验中，需要实时反馈靶核信息，对物质状态变化过程进行实时成像诊断，对诊断方式提出了新的要求[11][12][13]。

成像,加速器,束线

第 1 章引言2016 年，IMP、THU 和 ANL 在清华大学再次进行了 HEER 实验，此次实验采用专门设计的成像束线，成像时束线布局如图 1.4 所示[38]。利用狭缝对电子束进行了筛选以提高空间分辨能力，得到空间分辨达到约 6 m 的实验结果，并首次在 HEER 中观测到暗场成像[39]。此外，这次试验还对毫米量级的物质进行了成像诊断，验证了 HEER 在 HEDM 诊断中的可行性。同时，国内其他单位也在进行 HEER 相关研究，并取得了一定成果[40]。

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