强脉冲离子束横截面分布的测量

李东彧，喻 晓，沈 杰，屈 苗，，钟昊玟，张 洁，张高龙，颜 莎，乐小云

（1．北京航空航天大学 物理科学与核能工程学院，北京 100191；2．北京大学 重离子物理研究所，北京 100871）

强脉冲离子束横截面分布的测量

李东彧1，喻 晓1，沈 杰1，屈 苗1，2，钟昊玟1，张 洁1，张高龙1，颜 莎2，乐小云1

（1．北京航空航天大学 物理科学与核能工程学院，北京 100191；2．北京大学 重离子物理研究所，北京 100871）

强脉冲离子束在靶上的横截面能量密度分布和束流焦点位置是束流分析和辐照效应研究中重要的技术参数．利用红外成像诊断技术，可以以较高的空间分辨率和能量密度分辨率对束流的横截面分布进行测量，并可以实现对束流焦点的测量和束流传输特性的分析．通过该实验，可以使学生掌握强脉冲加速器诊断的基本技能，加深对加速器原理及脉冲束流分布和传输特性的认识．

强脉冲离子束；红外成像；横截面能量密度分布

强脉冲离子束（IPIB）技术起源于上世纪六七十年代对惯性约束聚变点火方法的研究［1］．IPIB脉冲时间短（通常为数十ns），离子射程短（μm量级），进行辐照时可以在靶表面沉积极高的功率密度，引发温度剧烈的变化，使材料的性质（抗摩擦、抗腐蚀等性能）发生改变［2］．这种效应在最近20年被逐渐应用于材料科学领域并显示出了良好的发展前景［3］．IPIB对材料表面的改性作用主要是通过脉冲热效应所引发，不同的注入能量密度会产生不同的作用效果：较低的能量密度可以引发表面的融化，而较高的能量密度则可能引发表面产生剧烈的烧蚀［4］．准确地把握IPIB的横截面能量密度分布对于控制辐照效果和准确研究辐照效应具有重要的意义．

以往诊断IPIB横截面能量密度分布的主要办法是用二极管的加速电压乘以法拉第筒测量的束流密度［5］进行计算或采用量热器阵列进行测量．由于IPIB中需要引入电子以克服空间电荷效应达到束流的稳定输运，受到等离子体屏蔽效应的影响，法拉第筒离子束入口尺寸通常在1 mm左右，而法拉第筒外壳尺寸通常超过1 cm，因而达到毫米量级的空间分辨率是很困难的［6，7］．采用量热器阵列，由于仪器尺寸，也会有同样的问题．1997年洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究者提出用红外成像诊断技术测量离子束横截面能量密度分布［8］．近年来北京航空航天大学的研究者对这种方法在传热学上进一步进行了论证［9，10］．红外诊断技术相比于传统的电压电流乘积法和量热器阵列，可以大大提高IPIB截面能量分布的分辨率（空间分辨率高于1 mm，能量分辨率高于0．1 J／cm2）．

本文以北航BIPPAB-450强脉冲粒子束加速器为实验平台，设计和开发了利用红外成像诊断技术测定IPIB横截面能量密度分布的手段，并由此进一步实现了对IPIB其他参数的诊断．通过实验可以让学生了解强脉冲加速器的工作原理，掌握基本的束流诊断技术．

1 IPIB红外成像诊断原理

IPIB在百μm量级厚度的金属薄靶上沉积的能量会使靶表面温度在数百ns内迅速上升和下降．在约1 ms之后，由于沿深度方向的传热效应，在靶的深度方向（纵向）前后表面将达到温度平衡状态，而在这个过程中横向的传热效应很弱，薄靶中的温度分布可以用来表征IPIB的横截面能量分布［8］．通过红外成像方法测量靶背向温度的改变 ΔT（x，y），可以利用量热方法计算沉积在靶中的能量分布，进而对IPIB横截面能量密度分布进行表征.

若离子束辐照后沉积在靶面上任一单位面元的能量为

则此时IPIB的横截面能量密度分布为

式中CV为比热容，h为靶厚度，ρ为靶材料密度，S为靶面积，ΔT（x，y）使用红外成像仪进行测量.

2 IPIB红外成像诊断实验

北京航空航天大学的BIPPAB-450强脉冲加速器利用外磁绝缘二极管产生离子束，脉宽为80 ns（FWHM），束流成分H+与C+约为70：30，在通过几何聚焦后，束斑最小直径约为5 cm．

图1　BIPPAB-450加速器结构

加速器工作的基本原理为：初级电源将初级储能电容器组C1充电至2200 V．充电完成后，通过控制闸流管触发，将 C1通过脉冲变压器放电并给脉冲发生器内的电容器组充电．脉冲发生器电容充电完毕后，赝火花开关触发，通过第二个脉冲变压器放电，输出电压被提高到250 kV并给脉冲成型线充电．在充电达到一定电压后，脉冲成型线后端的空气开关导通，并通过后端的脉冲自耦变压器将电压进一步升高至450 kV后输送到产生IPIB的磁绝缘二极管或产生IPEB的电子二极管．在初级电源上还有一个单独的模块能够产生ms级别的脉冲电压用于激励二极管阴极线圈产生磁场．通过改变初级电源的极性，可以改变输出电压的极性用于产生不同的束流．

实验装置图如图2所示，红外成像仪通过CaF2红外窗口测量靶背面在IPIB辐照前后的温度分布图ΔT（x，y）.

图2　IPIB红外成像诊断装置示意图

式（2）中各参数为 CV=510 J·kg-1·K-1，h=0．1 mm，ρ=7．93 g／cm3．为了加强红外辐射，304不锈钢红外靶的背面使用丙烯酸喷涂成黑色亚光状态．CaF2红外窗口校准曲线（红外成像仪测量温度y与靶表面实际温度x的对应曲线）为 y=0.308 53x+ 16.028 48，受到红外相机探测器阵列尺寸的影响，红外成像方法的空间分辨率为1．12 mm（即探测器每像素对应空间尺寸1．12 mm）．

3 IPIB横截面能量密度分布诊断

在IPIB辐照前后各拍摄一张靶背面的红外图像，利用SmartView软件读取和分析获得温度数据．如图3所示，对应图中白线标记，利用窗口校准曲线对得到的两组温度值进行校准后，求出冷热场温度差，即为IPIB辐照后所导致的靶背面温度上升值的分布ΔT（x，y），代入公式即可做出入射离子束能量密度的线分布图，从图4可以看出IPIB的横截面的能量密度分布近似于高斯分布，半高宽约为30．84 mm．

图3　发射脉冲前后的红外热量图

图4　强脉冲离子束能量密度分布曲线

采用红外成像方法可以实现对IPIB部分参数的测量，如IPIB横截面分布的观测．使用红外成像法测量距离二极管出口不同位置IPIB形成红外图的分布，可以对IPIB的传输特性进行研究．在IPIB的传输过程中（对应靶放置于距离二极管出口不同距离处），其分布会产生一定的变化（图5）．可以发现，在二级管出口处的束流分布对称性较差，这说明了在二极管的不同位置离子束的发射能力有所差异．在距离二极管出口约5 cm处，经过聚焦之后，束流横截面分布较为规则．而随着束流的继续传输，束斑横截面会有明显的发散，而束流密度也随之迅速下降．

图5　靶在距离二极管出口不同距离辐照后红外热场图

分别计算不同位置下测量的靶的横截面能量密度分布，并得出束流横截面随靶位置改变的分布图．

可以看出 IPIB的横截面在距离二极管出口5～6 cm之间最小，这说明了这是 IPIB最佳的聚焦位置．随着靶的距离偏离这个位置，束流会产生明显的发散．尤其是束流在距离超过了二极管10 cm以上时，束流迅速扩散，而且形状产生较大的畸变，束流的密度也会有很大的下降（如图6）．

图6　束流截面随靶与阴极距离变化而变化

图7　束流中心位置分布图

将靶的位置固定在距离二极管出口5 cm处，连续发射脉冲．取每次IPIB发射时靶上具有最高温度的点为IPIB束斑的焦点，并对其进行统计分析．结果表明束斑焦点基本集中在1 cm2之内，说明输出脉冲几何分布的稳定性较好．

4 结论

利用红外成像诊断，实现了对BIPPAB-450强脉冲粒子束加速器产生的纳秒量级脉冲离子束的横截面能量密度分布的诊断，并测定了离子束焦点位置和空间传输特性．红外成像诊断技术具有较高的分辨率和稳定性，操作简便，成本低廉．该方法可以为材料表面处理方面提供可靠的参数支持，同时也达到了实验教学的目的．

［1］ Humphries Jr S．Intense pulsed ion beams for fusion applications［J］．Nuclear Fusion，1980，20（12）：1549．

［2］ Renk T J，Provencio P P，Prasad S V，et al．Materials modification using intense ion beams［J］．Proceedings of the IEEE，2004，92（7）：1057-1081．

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［5］ Le X，Yan S，Zhao W，et al．Computer simulation of thermal-mechanical effects of high intensity pulsed ion beams on a metal surface［J］．Surface＆Coatings Technology，2000，128（1）：381-386．

［6］ Pushkarev A I，Isakova Y I，Khailov I P．Shot-to-shot reproducibility of a self-magnetically insulated ion diode［J］．Review of Scientific Instruments，2012，83（7）：073309-073309-8．

［7］ Pushkarev A I，Isakova Y I．Circular ion diode with selfmagnetic insulation［J］．Technical Physics，2012，57（2）：181-187．

［8］ Davis H A，Bartsch R R，Olson J C，et al．Intense ion beam optimization and characterization with infrared imaging［J］．JournalofAppliedPhysics，1997，82（7）：3223-3231．

［9］ 喻晓，沈杰，钟昊玟，等．强脉冲离子束辐照薄金属靶的热力学过程研究［J］．物理学报，2015，64（17）：175204．

［10］ 屈苗，喻晓，张洁，等．强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断［J］．强激光与粒子束，2015，27（7）：216-220．

Measurement of the cross-sectional energy density distribution of intense pulsed ion beam

LI Dong-yu1，YU Xiao1，SHEN Jie1，QU Miao1，2，ZHONG Hao-wen1，ZHANG Jie1，ZHANG Gao-long1，YAN Sha2，LE Xiao-yun1
（1．School of Physics and Nuclear Energy Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2．Institute of Heavy Ion Physics，Peking University，Beijing 100871，China）

The cross-sectional energy density distribution of intense pulsed ion beam is of great significance to beam characterization and application．Using infrared imaging diagnostic techniques，the cross-sectional distribution analysis of IPIB is achieved with high spatial and energy density resolution．With this method the measurement of the beam focus and the beam transmission characteristics analysis are carried out．This diagnostics can be used to make further understanding of the working principles of intense pulsed accelerator and master the basic skills in carrying out diagnostics to powerful pulsed beams．

intense pulsed ion beam；infrared imaging diagnostics；cross-sectional energy density distribution

O 562．5

A

1000-0712（2016）10-0056-05

2015-10-21；

2016-03-21

国家自然科学基金项目（11175012）、国家磁约束研究计划专项（2013GB109004）资助

李东彧（1995—），男，吉林辽源人，北京航空航天大学2013级本科生．

乐小云，Email：xyle＠buaa．edu．cn