（模式识别与智能系统专业论文）电子束与靶作用产生的回流离子的特性分析与检测.pdf

摘要 在国防及其它方面的科学研究中 我们需要利用直线感应加速器产生的强流 脉冲电子束与靶作用 产生的强x 射线 x 光焦斑大小是x 光装置的重要指标之 一 数k a 的电子柬在聚焦磁场的作用下 在靶面生成直径为i n t o 量级的焦斑 打 靶时靶面会产生回流粒子 其中的正离子在束流空间电荷场作用下被引出回流 可能影响到束流聚焦 从而影响x 光焦斑指标 这是当前国际上目前比较关注的 回流离子问题 要研究回流离子问题 就需要知道当前国内外回流离子问题的研究现状 了 解关于回流离子问题的主要理论观点和关于回流离子的典型实验 分析其目前所 取得的成果与遇到的问题 在实验研究工作的基础上 通过数据处理和信息融合 的方法对回流离子的特征进行诊断研究 这也是本论文所基于的国家自然科学基 金委员会一中国工程物理研究院联合基金资助项目 1 0 5 7 6 0 3 2 所要研究的内容 本论文的工作主要体现在以下几个方面 1 在分析回流离子基本物理特性的基础上 设计了三种针对该基金合作单 位的2 0 m e v 的直线感应加速器上的实验方法来诊断回流离子的特征 它 们分别是激光干涉法 法拉第筒法 固体径迹法 2 分析这三种实验的原理特点 采用数据融合的方法建立了一个关于回流 离子密度的时问与空间分布的数学模型 并对该模型进行了优缺点与误 差分析 3 初步开展了上述三种实验的具体实验工作 对实验所获得的实验数据 根据它们各自的特点进行了预处理 4 基于预处理后的实验数据 采用前面建立的数学模型推导出回流离子的 特征分布 若某种实验方法没有得到理想的实验数据 需要对融合方式 进行调整 直至获得比较合理的结果 关键词 回流离子 x 光焦斑 激光干涉 法拉第筒 固体径迹 数据融合 a b s t r a c t i nt h en a t i o n a ld e f e n s ea n do t h e r ss c i e n t i f i ci c s c a r 也i n t e n s ex m yw h i c h g e n e r a t e d b yp i l l s e dh i 出c u n e n te l e c t r o np m d a c e db yl i n e a ri n d u c t i o na c c e l e r a t o ri n t e r a c t i n g w i t h t a r g e ti sn e e d e d t h es i z eo f x m ys p o ti st h eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r eo f t h ew h o l em a c h i n e a st h ek ae l e c t r o nb e a mi sf o c a l i z e do nt h et a r g e tt ob ea nx r a y s p o to fw h i c ht h ed i a m e t e ri ss e v e r a lm i l l i m e t e r s b a c ks u e a n l i i l gp a r t i c l ep r o m p t l y d e v e l o p sa b o v et h et a r g e ts u r f a c e t h ep o s i t i v ei o n sc o u l db e 娌n a c t e df m mt h eb a c k s t r e a m i n gp a r t i c l eb yt h es t r o n gs p a c ec h a r g e 丘e l dc r e a t e db yt h eb e a ma n d a c c e l e r a t e du p s t r e a m t h e s ei o n sc o u l dp a r t i a l l yn e u t r a l i z et h eb e a ms p a c ec h a r g ea n d m i g h th a v ea na d v e r s ee f f e c t0 1 1x r a ys p o t t h i si ss oc a l l e db a c k s t r e a m i n g i o n s i s s u e w h i c hi sc o n c e r n e di nr e c e n ty e a r s i no r d e rt oa n a l y z et h ei s s u e w en e e dt ok n o wt h es i t u a t i o no f s t u d y i n gt h i si s s u ei n t h ew o r l d a n dt h em a i nt h e o r e t i c a lv i e w p o i n t sa n dr e p r e s e n t a t i v ee x p e r i m e n t s a n d a n a l y z et h er e s u l t sa n dp r o b l e m so b t a i n e di nt h ep r e s e n t t h e nw ed i a g n o s et h e c h a r a c t e r i s t i co ft h eb a c ks t r e a m i n gi o n sb yt h em e t h o d so fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g yo nt h es t u d yo fe x p e r i m e n t a n dt h i si st h er e s e a r c hc o n t e n to ft h ep r o j e c t 1 0 5 7 6 0 3 2 i m b u r s e db yt h es t a t en a t u r a ls c i e n c ef u n dc o m m i t t e e n s f cw h i c hi s t h eb a s i so f t h ep a p e r t h er e s e a r c hw o r ko f t h e p a p e r l i e si nt h ef o l l o w i n ga 积潞 i a r e rt h eb a s i cp h y s i c st h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eb a c ks t r e a m i n gi o n s w e d e s i g nt h r e ed i f f e r e n tt y p e so fe x p e r i m e n t sw h i c hw i l lb ed o n ei nt h el i n e a r i n d u c t i o na c c e l e r a t o ri nc o r p o r a t i o nd e p a r t m e n tt od i a g n o s et h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h eb a c ks t r e a m i n gi o n s a n dt h e s ee x p e r i m e n t sa l e l a s e ri n t e r f e m m e w f a r a d a yc u pm e a s u r e l l l e n ta n ds o l i dt r a c km e a 瓢l r e n 地n t 2 a n a l y z et h ec h a r a c t e ro ft h et h e o r yo ft h ee x p e r i m e n t s t h e nw eb u i l da m a t h e m a t i cm o d e la b o u tt h es p a c ea n dt i m ed i s t r i b u t i o no f t h ed e n s i t yo f b a c k s t r e a m i n gi o n sb yt h em e t h o d so fd a t af u s i o n a n dm a k ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g ea n de r r o ra n a l y s i st ot h em o d e l 3 a n a l y z et h ed a t aa f t e rd o i n gt h e a c t u a le x p e r i m e n t s t h e nw em a k et h e n e c e s s a r yd a t ap r e p r o c e s s i n go nt h eb a s eo f t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s 4 a f t e rt h ed a t ap r e p r o c e s s i n g w ed e d u c et h ed i s t r i b u t i o no f c h a r a c t e r i s t i co f b a c ks t r e a m i n gi o n sb yt h em e t h o d so f m o d e l i n g f f t h e r ei s n tv a l i dd a t ag o t i ns o m ee x p e r i m e n t t h e nw es h o e d c h a n g et h em e t h o d so f d a t af u s i o n u n t i l 珏 k e y w o r d s b a c ks t r e a m i n gi o n s x r a y s o l i dt r a c kd a t af u s i o n h i 第三页 条文 条纹 第二十四页 条文 条纹 第二十九页 口 勘误 2 7 5 乃l 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果 除已特别加以标注和致谢的地方外 论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权 即 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版 允许论文被查阅或借阅 可以将学位论文编入有关 数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 肛 名 砷年歹月弓f f j 中国科学技术大学硕士论文第一章引论 1 1 课题背景 第一章引论 此课题源于国家自然科学基金委员会一中国工程物理研究院联合基金资助 项目 1 0 5 7 6 0 3 2 电子柬与靶作用产生的回流离子的诊断方法研究 x 射线从发现到现在 广泛应用于国防 科研 生产等方面 而其应用范围 的广泛性也与其产生源的多样性是分不开的 其中轫致辐射x 射线源 同步辐 射x 射线和自由电子激光器产生的x 射线是基于加速器技术口 本质上都是利 用电子与场的相互作用而获得x 射线 为了研究舻量级爆炸过程中被压缩客体 的内部状态 即在一个剂量很高的x 射线的照射下 关注以致密重金属材料为 主的多成分高速运动客体的运动状态 或者利用爆炸引起客体的一系列运动状 况 例如用x 射线来引爆其他炸药等实验都需要这种高剂量的x 射线 其产生 示意图可以参见图1 1 靶 图l l 加速器打靶产生x 射线圈 这种x 射线源的特点同常规的医疗 生产用源有较大的不同 主要有以下要 求 1 x 射线剂量率高 可达到数百伦琴 脉冲 2 能谱硬 光子平均能量 在m e v 以上 适宜穿透重金属 3 纳秒级的脉冲宽度 用以考察研究物体在胂 量级运动过程中某一时刻的状态 保证运动模糊足够小 4 小的x 光焦斑 使 得光源引起的几何模糊尽可能小 保证成像清晰 为达到上述x 射线源的要求 加速器必须提供流强达k a 单电子能量m e v 量级 脉宽几十个纳秒 能被聚焦 到足够小尺寸打靶的脉冲电子束 而直线加速器可以获得上述特点的电子束 因 此在闪光x 射线照相领域得到广泛应用 2 而x 射线的质量跟射线源的尺寸的大小密切相关 x 光源尺寸的大小又取 决于直线感应加速器束流最后聚焦焦斑尺寸 f i n a lf o c u s i n g s p o ts i z e f f s s 因此要尽量减小f f s s 来获得能量很强的x 射线 而f f s s 跟电子束打靶过程中 产生的回流离子有一定的关系 因此需要研究回流离子的各种属性 以确定是否 真的会影响到f f s s 如果有影响应该怎么消除或减小 这样就产生了回流离子 问题 中国科学技术大学硬士论文 第一章引论 对回流离子问题 国内外都进行过理论研究与实验分析 理论方面主要存在 有空间电荷限制的轻离子回流 空间电荷限制的重离子回流和源限制的轻离子回 流三种观点 在实验方面 美国 法国等国家的许多重点实验室都采用了各种手 段来实施相关的实验 然而并没有获得比较满意的结果 总的来说 在现在的回 流离子问题的研究中不仅理论方面存在诸多分歧 实验现象也不能够统一起来 不仅不能验证理论 很多还与理论相背离 所以我们尝试借助于信息科学领域中 的一些研究方法与手段对回流离子问题进行分析与研究 这也是该联合基金产生 的背景 1 2 实验方法 在该项目中 我方负责实验的设计 调试与实验数据处理 到目前为止 我 们共设计了传统的与非传统的三种不同的实验方法即法拉第筒法 固体径迹法 激光干涉法来诊断回流离子的特性m 法拉第筒法是通过在靶前侧放置一个一端加有高压的筒状物收集回流离子 来判断回流离子的电荷属性 密度等信息 该方法是一种比较传统的粒子探测方 法 由于靶区干扰信号强烈 很难得到有用的信号 于是采取了测量实验条件下 的探测信号本身背景噪声幅值 用该值作为整个测量系统的甄别阈值的方法来代 替灵敏度测量 回流离子有效信号的幅值必须大于该值才能被甄别 而且由于拉 第筒不能正放在束流轴线上 正对回流离子 所以在两个法拉第筒与束轴线初始 夹角的情况下 可以逐步增加两个夹角 得到一系列的信号 来增加对比分析 该实验方法的特点是设计相对简单 但是分析起来相对复杂 固体径迹探测器是2 0 世纪6 0 年代发展起来的 可探测质子 才粒子 重离 子 裂变碎片和宇宙线中的原子核等 带电粒子通过固体径迹探测器时 在它们 的路径上材料产生辐射损伤 形成一条连续的辐射损伤径迹 这种径迹可用电子 显微镜观察到 单晶硅主要用来离子刻蚀的 这里采用单晶硅作为探测片 是因 为轻离子与重离子进入硅晶体中时所产生的晶体损伤大大不同 可以很好的识别 出来 所以它具有很好的分辨离子的能力 而且在常温下 探测器中的损伤很稳 定 然后采用电镜扫描或者采用能谱分析 可以扫描离子的径迹以及回流离子的 各元素成分 比例 该实验方法的特点是设计原理简单 但是实验器具要设计的 精巧些 实验结果处理需要采用专门的仪器设备 激光干涉法 4 以往是用来测量低温等离子密度的 而如果运用等离子体集团 运动来描述回流离子则可以采用激光干涉法来测量回流离子的特性 激光辐射是 一种十分优良的相干光 由于它单色性好 相干长度长 且光强强 发散角小 故它是一种十分理想的相干光源 而且随着激光器的发展 已经有不同波长的激 2 中嗣科学技术大学硕士论文第一章引论 光器可以作为干涉仪的光源 其工作原理为 先把一束激光用光学仪器分成两束 形成相关光 然后汇聚形成干涉条纹 作为背景条纹 再使其中一束光通过回流 离子 使其光程变化 导致最后的干涉条纹发生变化 再通过条纹的变化情况来 推算回流离子的密度分布 而且考虑到回流离子密度的原因 采用了马赫一珍德 m a c h z e h n d e r 干涉仪 它具有干涉条文可以任意地定域的独特优点 该实验 的特点是 设计原理也是简单 但是实验调试过程十分繁琐 实验结果处理也是 相对复杂 1 3 数据融合法建模与实验结果处理 这三种实验基于不同的实验原理并采用了不同的实验设计方法 经过仔细分 析它们的特性与优缺点 我们拟采用数据融合的方法对这三种实验原理进行相关 及互补分析 以得到一个相对全面的回流离子的时间与空间分布模型 5 1 并对该 模型进行优缺点与误差分析 整个融合过程 以激光干涉法为核心 法拉第筒法与固体径迹法为辅 单以 激光干涉法只能推导出等离子体密度的在激光截面上的分布 同时按时问拍摄多 幅干涉图片 可拟合出其在时间上的分布 若要得到其密度在整个三维空间分布 可假设其在激光方向上的分布模型 然后借助其他实验来校正其模型中的系数 通过采用这种方法 最终获得一个基于三维空间与时间的分布模型 通过对实验本身分析与融合所得到的回流离子的模型 我们在具体实施了这 几种实验后 得到了一系列的实验数据 由于现场环境的影响 很难得到满意的 实验结果或者得到一些复杂难辨的数据 这就需要对实验数据进行分类 滤波等 一系列的必要的预处理来达到预定的目标 数据处理之后 需要验证上一步所建 立的模型 对其增补或修改来完善模型 最后对上述结果进行了总结 为进一步的开展回流离子的研究工作打下了初 步的基础 1 4 本论文创新点 本论文是对直线加速器靶区目前比较受关注的回流离子问题做了相对系统 的研究 这些工作属于交叉学科 并且需要其它部门合作来完成上述这些实验 由于国防科研的原因 很难获得国外研究工作的具体信息 所以很多研究工作都 是在独自探索中进行 因此必须具有独立研究的能力 论文工作的主要创新点如 下 1 采用激光干涉法 用检测等离予体的手段来分析回流离子问题 3 中国科学技术大学硕士论文 第一章引论 2 在固体径迹法中 采用在低温等离子体刻蚀中采用的单晶硅作探测 片 3 采用信息融合方法 把几种实验方法综合起来考虑 中冒科学技术大学硕士论文 第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 2 1 引论 第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 所谓回流离子是指离子在电场作用下运动 这是客观的物理规律 而回流离 子问题 是指直线加速器 l i n e a ri n d u c t i o na e c 1 e r a t o r l i a 中 回流离子达 到一定的量化条件 可能影响电子束聚焦的这样一种机理嘲 回流离子问题是美国学者d w e l c h 和t p h u g e s 在d a r h t i 机器预研中 针对l i a 聚焦焦斑越来越小 束流击靶能量密度越来越高这样一种情况而提出的 一种物理机制 似于激光烧蚀靶表面产生等离子体 两位学者提出一种可能 强流电子柬也会在转换靶表面产生等离子体 而等离子体中的离子在电子束流的 空间电场作用下被引出 形成回流离子柱 对后续束流有聚焦作用 于是改变了 原有的聚焦力平衡状态 造成聚焦力过剩 从而影响过聚焦效果碍1 其理论模型 和数值模拟工作显示这种效应对焦斑影响非常大 足以造成焦斑崩溃 因此 该 理论一经提出 立刻引起各国学者重视 l a n l l o sa l a m o s n a t i o n a l l a b o r a t o r y l l n l l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y m r c m i s s s i o n r e s e a r c h c o r p o r a t i o n 法国原子能部下属的c e a c e s t a 研究中心以及c a e p 中 国工程物理研究院 都投入大量人力物力从事这方面研究 回流离子问题在各个 实验室都得到了重视 l i a 领域一些有名望的学者都先后参与了此项研究 如 d w e l c h t p h u g e s y u j i u a nc h e n g e o r g ej c a p o r a s o a r t h u rc p a u l 等 从理论 数值模拟到实验研究 围绕回流离子对束流聚焦影响的程度展开研究 其研究路线体现出这个问题的复杂和艰难 从离子动力学行为研究到危害效应的 预防 最后又回到危害效应本身的存在性验证 呈现螺旋递进的研究路线 这种 状况是由于各方实验结果的不相符以及实验结果和理论预测值的不相符造成的 作为前沿课题 当前回流离子问题的研究存在争议和疑问 体现在三个方面 1 理论上存在空间电荷限制的轻离子回流 空间电荷限制的重离子回流和源限 制的轻离子回流三种观点 2 各方实验现象 甚至同一实验小组在不同装置上 的实验现象也难以统一 3 现有的回流离子理论模型难以很好的解释实验现象 因此同一实验现象 会出现不同解释 6 l 2 2 当前各种理论模型 理论上国外目前明确提出的观点有三种 1 来自靶表面杂质的轻离子空问 中国科学技术大学硕士论文第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 电荷限制流回流模型 2 靶材自身重离子空间电荷限制流回流模型 3 离子 流受源限制的观点 这三种观点的差异在于离子的产生机制 种类和数量 而离 子回流动力学行为描述上则是一致的 都是用单离子在束流空间电荷场的驱动下 运动这种模型来描述 且建模时都是针对理想平行束 研究回流离子的影响 观 点l 和2 有明确的计算模型 可以定量的计算 预测离子对束流聚焦的影响程度 这两种模型都定义了一些描述回流离子影响大小的特征量及其计算表达式 如 下 离子生成所需要的时间为 从电子束加热靶开始 到靶表面形成等离子体 源所需要的时间 离子柱特征长度z d 由于离子回流形成离子柱 造成空间电 荷中和效应 束流电子原本平衡的受力状态被破坏 受到的聚焦力大于了散焦力 造成焦点朝上游 束流来向 移动 而靶上的柬斑会呈现先箍缩 后增大的现象 在特征离子柱长度下 靶上焦斑的尺寸经历缩小 放大 恰好回到初始大小 焦 斑崩溃延迟时间q 回流离子运动形成离子柱特征长度所需要的时间 下表为各 种模型的计算公式对比嘲 表2 1 轻离子回流模型和重离子回流模型计算公式对比 蠖型 轻离子回流 d t 模型重离子回流模型 钰 靶前空间电荷势口 e 伊 w c 1 2 l n 堡与 公式同左 屹 离子流大小 l 业 三 2 鱼生 无 1 75 7 聊 回流离子运动速度 峨 露 公式同左 但离子为重离子 利用数值模拟得到 和左式结果 空间电荷中和因子 f 2 5 1 2 l n 耖 接近 通常取值约0 2 离子柱特征长度z d 阿 乙2 等喙眇一 i l 抛 幺 方 离子生成所需要的时间 一 q 万吃l 下 公式同左 瓦取靶材沸点温度 为q 一 d e d x i i l i h 瓦 4 0 0 c 焦斑崩溃延迟时间 z d k p 公式同左 表中公式所用的物理量含义如下 8o 真空介电常数 e 单个电子电荷 量 m e 电子静止质量 i b 电子柬流强 j b 电子束流强密度 b 束流电子 6 中国科学技术大学硕士论文第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 相对论归一化速度 c 光在真空中的传播速度 m i 离子质量 bi 离子的相 对论归一化速度 r b 束流半径 i k 束管道半径 l l a p o s t o l l e 发射度 y 束流电子相对论因子 n b 柬电子密度 n i 离子密度 因此 判断回流离子是否对束流聚焦造成危害 关键在于束流脉冲持续时间 和两个特征时间t rh 和的大小关系 如果特征时间大于或是和柬流脉宽相比 拟 则回流离子不会危害到聚焦 反之 特征时间越小 束脉宽越大 则危害就 越严重 图2 1 是以e t a i i 参数为对象 杂质轻离子回流 d t 模型所预测的x 光 焦斑变化情况和实验结果的对比图网 可以看见轻离子回流模型预测的离子对 聚焦的影响是非常严重的 而从表2 1 中的公式对比来看 若按照重离子回流模 型的计算结果 由于重离子产生需要的时间th 是钽靶达到汽化点 约5 7 0 0 k 所需的时间 比轻离子模型中的7h 长 而重离子回流速度比h 慢一个量级以上 因此焦斑崩溃延迟时间td 也要更长 所以柬脉冲期间 t a 对束流聚焦几乎无 影响 图中没有画出重离子模型预测的曲线 图2 1 既 i i 上轻离子回流 d r r 模型预测的回流离子对束斑的影响 图中实线代表实验数据 不连续的点为理论预测的柬斑变化曲线 简而言之 杂质轻离子空间电荷限制流预测 在新 代的闪光x 射线装置 中 焦斑将因为回流离子影响而崩溃 无法达标 而重离子回流模型预测 只在 束脉冲后期略有影响 可忽略 7 中田科学技术大学硕士论文第 章回流离子问西的研究现状及原理分析 2 3 当前典型实验 1 l l n l 实验 9 1 0 实验时间 实验地点 实验平台 实验方法 1 9 9 9 龟 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 加利福尼亚大学 e t a i i 6 m e v 2 5 k a 焦斑半径0 5 m m f w h m 7 0 n s 1 采用高速分幅相机结合璐级响应速度的x 光转换成可见光 的闪烁晶体 利用小孔法直接测量x 光焦斑随时间变化的情 况 见图2 2 2 用法拉第杯测回流离子信号 见图2 3 下图2 4 是同一发电子束脉冲持续时间里 在4 个不同时刻得到的x 光焦斑 图像 每幅积分时间约7 t o n s 幅间隔约5 n s 实验结果显示 x 光焦斑大小和 位置在束脉冲持续时间里很稳定 保持在直径约l m m 的尺寸 变化在2 5 的范 围里 同时 在法拉第杯里没有观察到回流离子信号 根据此结果 实验者s s a m p a y a n 等人得出结论 e t a i i 上的实验现象中没有观察到前面回流离子理论 预测的结果 但没能给出为什么实验结果和理论预测不合的解释 圈2 2x 光焦斑测量示意图图2 3 法拉第杯测回流离子实验布局 8 n u 口 啦 n m u 岫 n 撇 中国科学技术大学硕士论文第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 图2 4x 光焦斑图像 上述实验也得到其它实验室的关注 因为它直接研究了x 光焦斑的时变情 况 图像清晰 而且进行上述实验需要很高的实验条件 一般不容易实现 所以 受到重视 d t 模型的提出者之一 d w e l c h 从属于m i s s i o nr e s e a r c h c o r p o r a t i o n 在其回流离子研究的最终报告中采用了此实验结果 并且提出了为 什么实验现象和理论预测不同的解释 这就是回流离子源限制流的观点 该观点 认为 可能由于靶表面杂质含量少 产生的离子数量有限 离子流受到源限制 因此中和能力有限 故没有危害效应发生i i l l 而j t k w a n 从属于l a n l 则提 出另一种解释 认为回流离子是靶材重离子 t a 按照其重离子回流模型 影 响就应该小 2 c e a 实验 实验时间 1 9 9 9 年 实验地点 法国原予能部下属的c e a 研究中心 实验平台 1 l e l i a 1 m c v l k a 焦斑半径1 5 m m f w h m 6 0 n s 2 p i a m 7 2 m c v 3 k a 焦斑半径1 2 3 m m f w 冈订吼1 实验方法 利用c e r e n k o v 光和o t r 光测转换屏上电子柬斑随时问的变化情况 观察回流离子的影响程度 实验所用的l e l i a 最初被开发出来研究微波自由电 子激光 束斑较大 直径约3 0 m m 而p i v a i r 则是a i r i x 的试制样机 实验束 斑约5 7 m m 图2 5 是l e l 璩上的实验结果 1 2 1 图中横坐标代表束脉冲持续时间 纵坐 标代表扫描相机中获得的束斑半径 实验中利用的是c e r e n k o v 光 转换屏材料 是石英玻璃 图像显示光斑在3 0 n s 左右迅速变小 实验者同时也提到一个现象 当石英玻璃表面镀上铝膜后 而且不加以表面除杂清洁处理 就可以基本消除这 种现象 对此 c v e r m a r e 等推测 可能是铝膜增加了转换屏的导电性带来的 并没有给出更深入的解释 o 一 一 3 j 二号 一j j i 二 4 一 1 0 1 1 1 一 o o 一 斧一一斋 一五 啊i 9 6 0 4 0 柏 o t n s s j l 臻i i 量 墨i j 鼍 j 一 1 嬲黪 中置科学技术大学硕士论文 第 x l 固流离子霸医的研究现拔及幕理分荸 图2 5l e l i a 上镀铝和纯石英玻璃转换屏 圈2 6p i v a i r 上不同柬斑打靶时的 两种条件下c e n m k o v 光得到的束斑的大小 o t r 光图像 图2 6 则是p i v a i r 上的结果 1 3 束斑半径采用高速扫描相机获得 图中横 坐标代表束斑几何尺寸 纵坐标代表扫描时间 实验中利用的是o t r 光 转换 屏材料是表面镀铝的有机薄m y l a r 膜 此图显示在电子束在脉冲后期有先箍缩 后丝化分叉的行为 这就暗示束流受到外界某种机制的影响 c v e t m a r c 等人用 回流离子来解释了图2 5 和图2 6 中出现的柬斑在脉冲期间的变化现象 并借助 数值模拟程序判断l e l i a 的现象是回流质子造成的 而p w a i r 上的现象则是正 一价的铝离子回流造成的 根据上述实验结果 c e a 认为回流离子对其研制的 a i r i x 装置的柬流聚焦可能会造成较大影响 于是研制了自偏势靶 准备用于 a m i x 上抑制回流离子造成的不利影响 图2 7 是自偏势靶的剖面结构 1 4 1 5 l 圈2 7 自偏靶的剖面图 该自偏势靶最早由l a n l 的l t k w a n 提出 并已在l a n l 建成 其工作原 理是在辐射转换靶通过一定阻值的液体电阻接地 这样入射电子柬在靶内的沉积 电子可以形成流经电阻的回路电流 从而造成靶电位的下降 理论值可以到负数 百个k e v 足以形成势阱 约束正离子的回流行为 3 l a n l 实验 1 6 朋 实验时间 2 0 0 3 年 实验地点 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 l o sa l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y 实验布局 法国学者c v e m m r c 仍沿用在c e a 采用的c o r n k o v 光测束斑变化的 方法来研究回流离子 在具体测量方式上有所改变 除了c c r c n k o v o t r 光转换 箔 屏外 增加了一个靶箔 实验分为两个阶段 先用c e r c n k o v 光转换屏获 得末级透镜焦点处的束斑大小 然后将转换屏平移到下游6 6 c m 处作为 探测箔 而在焦点位置放上靶箔 用以产生回流离子 实验布局如图2 8 靶箔垂直于束 轴放置 其厚度在 m 量级 足够薄 保证靶厚度对诊断箔上的柬斑带来的影响 l o 中国科学技术大学硕士论文 第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 小于回流离子造成的影响 图2 8d a r h t i 上 双箔法 的实验布局图 靶箔事先没有经过任何清洁处理程序 靶箔选用了石墨 铝 钛 不锈钢 钼 钽 金等多种材料 而探测箔则是由1 0 um 镀铝的k a p t o n 膜 l m m 厚的石 墨片 石英纤维构成 o t r 光在真空 铝膜的交界面产生 c e r e n k o v 光则在电子 束穿过石英光纤时产生 通过调节末级聚焦透镜d t 1 的励磁电流大小而控制打 靶束斑的大小 c v e r m a r e 认为 这种改进后的实验方法有两大优点 1 靶箔 上如果产生回流离子 则其正反面都会形成离子柱 这样就可以增强了离子对柬 流聚焦的影响程度 便于观测 2 靶箔上回流离子对束流传输的带来的径向位 移以及造成的束流的偏转 都会在下游转换屏上以束斑变化的形式体现出来 由 于柬流过焦点后处于发散状态 这样下游转换屏上的束斑较大 可大大降低对相 机空间分辨率的要求 而且具有放大效应 图2 9 中是实验中扫描相机获得透 镜焦点位置 左栏 和焦点下游6 6 c m 处转换屏处的柬斑图像 右栏 选用的 靶箔为铝箔 其它材料结果相近 实验时束流参数为1 7 k a 1 9 8 m e v 脉宽6 0 n s f w h m 实验显示 随末级透镜聚焦能力增强 从图 a 到 c 焦斑缩小 焦点处的束斑在脉冲持续期间仍能很好的保持稳定 而穿过靶箔的束流在下游 6 6 c m 处形成的束斑图像开始变化 最后出现较复杂的图像 束斑则在脉冲后期 有膨胀分叉 最后又在中心成核的现象 图2 9 c 右图 中田科学技术大学硕士论文 第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 圈2 9 实验条纹相机圈像和模拟图像的对比 此实验现象证明 在d a r h t i 上 回流离子没有对束流最终焦斑带来危害 至于焦点下游的束斑的变化情况 并不是关注的对象 但是 这里需要说明一下 可能是由于此实验现象和c v e r m a r e 前期在c e a 的研究结论大相径庭 其赞成 回流离子危害的观点 并跟随l a n l 研制了自偏势靶 出于慎重 c v e r m a r e 并没有对回流离子是否影响焦斑下结论 倒是著名学者y u j i u a nc h e n 在其报告 中明确指出 d a r h t i 焦斑尺寸 f w h m 到1 5 m m 时也没有观察到柬斑的崩 溃 当前无实验能证明回流离子会对束流聚焦带来危害 在新建成的a i r i x 机 上 目前还无相关的实验结果报道 而准备用于d a r h t i 和a i r i x 上的自偏势 靶 并无相关的后续使用情况报道 目前可以确定 d a r h t i 上并不需要用到 自偏靶了 2 4 当前国外研究趋势 总体来看 实验结果基本证实了回流离子不会对束流聚焦带来危害 但由于 各方观点上存在争议 而对这众多的实验结果又没有合理解释 所以 研究仍在 继续 但研究趋势则呈现两个方向 一个方向是仍沿着已有的回流离子运动模型 的思路 把研究重点集中在离子自身信息的诊断上 寻找能统一争议的答案 这 个方向以法国c e a 和l a n l 的研究人员为代表 他们计划采用t h o m s o n 谱仪结 合c r 3 9 固体径迹探测器在d a r h t i 上获取离子信息 另一个方向则是l l n l 的研究小组为代表 把研究重点放在了电子束和空间已经存在的等离子体的相互 作用上 利用激光脉冲或电子柬脉冲在转换靶表面产生等离子体 研究这些等离 子体对后续的电子束脉冲聚焦的影响 这些工作的出发点是为下一代的多脉冲x 中目科学技术大学硕士论文第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 光机研制服务 因为激光不会像电子束那样在靶表面建立轴向电场驱动离子回 流 所以用激光脉冲代替电子柬脉冲的做法说明l u 儿已不再看重这种柬流空间 电荷场驱动离子回流的机制 偏向于等离子体的集团效应对束流的影响 再根据理论分析 结合实验来看 按照实验结论的不同分为三类 1 e t a h d a rh b i 支持回流离子对束流聚焦的焦斑尺寸无影响 2 l e l i a 支持杂质轻离子回流对束流聚焦造成影响 3 i t s 和p w a i r 支持金属重离 子回流模型 这里的 支持 代表原作者用回流离子来解释实验现象 而其他 学者可能是从另外的角度去解释该实验现象 这是因为无论是测量x 光斑还是 束斑 直接研究对象是x 光斑或束斑 回流离子的特征则是根据束斑的变化反 推而得 是间接的结果 而影响束斑的因素远不止回流离子一个 因此 可以这 么说 如果束斑 光斑在束脉冲持续时间里保持稳定 可以推出回流离子对束 流的影响很小 而如果束斑 光斑在束脉冲持续时间里发生变化 则不一定能 推出回流离子对束流的影响很大的结论 结论 回流离子的实验研究由各个实验室 在不同的实验装置上进行 虽然 关于实验现象的解释存在多种观点 但分析后可以发现 这些实验现象本身并不 互相矛盾 没有实验能有力支持回流离子危害x 光焦斑的说法 实验更多的显 示 在真实打靶的情况下 当前束脉冲参数范围里 回流离子对x 光焦斑不会 造成危害 2 5 回流离子原理分析 回流离子问题中 离子的种类和数量是决定着其影响束流聚焦能力的重要因 素之一 当前杂质轻离子空间电荷限制流 金属重离子空间电荷限制流和杂质轻 离子源电荷限制流三种观点共存的局面使得对离子来源及特征成为争论的焦点 之一 实际上 离子来源可能是靶表面杂质 也可能是靶金属蒸汽 另一方面 从气体电离的机制来说 还存在电子束直接电离和雪崩式电离以及二次电子 离 子电离等多种机制 因此 有必要对离子来源及特征进行仔细分析 2 5 1 靶面杂质和靶金属蒸汽的释放特征 1 吸附杂质的释放 靶材释放杂质气体的方式有两种 一种是热释放 一种是受激释放 对于 m e v 以上高能电子 其受激释放截面很小 所以这里只考虑热释放 表面吸附 杂质分子通过热运动逐渐脱离表面 就产生热释放 热释放率和平均吸附时间 温度和束缚能等密切相关 可以通过热释放公式2 1 来描述 1 叼 中嗣科学技术大学硕士论文第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 害 匕n x 唧卜翻 2 1 这里d n d t 是原子数释放率 c l 2s 1 n t 是单位表面含杂量 a l o m c m 2 q 是 释放杂质的束缚能d j t 0 0 1 1 r 8 3 1 2 6j m o i i k 1 t 是气体和电极温度 k v x 是释放率常数 其脚标x 代表释放反应的阶次 分为一阶或二阶 一阶情况下 假定了被吸附分子间无相互作用 适合物理吸附和非离解的化学吸附情况 通常 v l 1 0 阻l 代表原子的振荡频率 二阶情况针对吸附气体在材料表面离解 大 多数双原子分子气体 如h 2 0 2 n 2 等吸附在金属表面发生离解 需要用二阶 方程描述 v 2 通常在1 0 4 l o d c m 2 s 1 之间 杂质的释放过程和杂质的种类 t w l s a z f f o r d 等人在h e u a 装置 3 2 m e v 1 5 0 k a 脉宽约6 0 n s 上详细测量 了电子束轰击t a 靶产生的离子信号 其实验环境和回流离子的产生环境类似 所以认为其结果是可借鉴的 该文献中的结论是钽靶情况下 杂质基本由水蒸气 或是油分子等碳氢化合物构成 结论一致 这里简化 认为杂质就是水蒸气 水蒸气在材料中的束缚能和材料种类及表面性质等关系很大 没有确定的数 值 可以得到通常束缚能在8 4 1 2 6 1 0 m o r 1 范围 下限情况下水蒸气产率最大 所以取q 8 4k j m o l 1 同时认为靶表面杂质近似均匀分布 设共有n i l i i 层水分子 覆盖在靶表面 每层水分子密度妒1 0 c m 2 此热释放反应是一阶反应 准 确的释放率常数可以通过计算固体原子振荡周期的l i n d e r m a n n 公式 1 9 求得 4 7 5 1 0 i v l 2 2 这里 l 代表分子量 v 代表摩尔体积 c m 3 t i 熔点阍 杂质被吸附在金属基底 表面 可近似认为和金属原子同频振荡 因此采用基底元素参数进行计算 再计 算得到钽靶的温度变化规律近似满足下面公式 瓦成哮r 2 3 式中t 表示时间 r 蚓 i b 代表电子束流强f l a i b 代表打靶束斑半径 瑚m q t o 代 表靶初始温度 k 在公式2 2 基础上积分 可以得到水蒸气释放份额f 的关系 公式2 4 f l e x p v e x p 彘m 2 4 以1 2 m e v 束脉宽6 0 n s 流强2 2 k a 焦斑半径3 m m 的电子柬入射钽靶为例 根据2 4 式和2 3 式可以得到靶表面温度和水蒸气热释放份额曲线 见图2 1 0 1 4 中国科学技术大学硬士论文 第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 图2 1 0 中两条曲线所围灰色区域就代表上述两束缚能之间的其它束缚能对应的 情况 图中的直线表示靶表面温度的变化 2 靶金属蒸汽的释放 常温下 金属表面饱和蒸汽压非常小 但随着金属温度升高 其饱和蒸汽压 迅速增大 因此 金属蒸汽也完全可能成为离子来源 金属蒸发率可以表示成 温度的函数 如下 1 8 1 百d n 2 万 州 2 5 这里p v 是饱和蒸汽压 m 是金属原子量 k 是b o l t z m a n n 常数 t 是温度 根 据公式2 1 和2 5 绘出了几种常见靶材金属的蒸汽释放率和束缚能在 8 4 1 2 6 k j m o l 1 范围的杂质释放率对比曲线 见图2 1 1 t i m e 璐 窆 妄 图2 1 0 水蒸气释放份额和靶表面温图2 1 l 单原子层杂质释放率和靶材金 度随脉冲持续时间的变化曲线 属原子释放率随温度的变化曲线 从图上可以看出绝大部分水蒸气会在束脉冲前2 5 n s 里被释放 实际上 靶 上水蒸气消失的时间应该比2 5 n s 更短 因为当钽的温度高于1 0 0 0 多k 时会造 成大量水分子直接离解 而这里简化 认为水蒸气在2 5 n s 前里完全释放 2 5 2 回流离子的生成 设束流对靶加热到t 时刻后 靶表面的n 砌层的水分子覆盖层被完全释放 并在靶表面形成厚度为 l 的蒸汽层t 2 0 j 在该蒸汽层中入射电子的自由程为 乃 警口 一 其中矿为水蒸气的电离截面 忙篆 盯石i 万 一p l 2 6 释放水蒸气被束流电子直接电离生成的离子密度 2 7 霉 蛊蔷石焉dj 1蕾 中田科学技术大学硕士论文第二章回流离子问题的研究现状及原理分析 这里 t 代表束流脉宽 e 代表单个电子电荷量 该离子密度和产生蒸汽的扩散 速度有关 而准确的获得 l 的值几乎不可能 另一方面 我们更关心离子发射 究竟是满足源限制还是空间电荷限制 所以让 l 待定 用其求剩余的参数 首 先看其空间电荷中和能力 电荷中和系数满足2 8 式 札 卫等旦 c 鲥 仃古 2 8 v m n c 代表入射电子束密度 代入各已知的参数值到2 8 式 可得到 7 旧 7 告 2 9 计算中 l 的量纲 c m 已经消去 上式是无量纲的结果 因为杂质分子热运动速 度是r a m i t s 的量级 而束脉冲持续时间仅6 0 n s 可以