电离型截面探测器研究

何 俊 汪 林 赵晓岩 于令达 随艳峰 岳军会 曹建社

（中国科学院高能物理研究所 粒子加速物理与技术重点实验室 北京 100049）

电离型截面探测器研究

何 俊 汪 林 赵晓岩 于令达 随艳峰 岳军会 曹建社

（中国科学院高能物理研究所 粒子加速物理与技术重点实验室 北京 100049）

针对强流质子加速器非拦截式的截面测量需求，开展了以剩余气体分子为基础的电离型截面探测器的研究工作。探索了电离信号强度的计算方法，利用CST (Computer Simulation Technology)电磁工作室对电场进行了优化设计，设计加工了一套应用于质子直线加速器的电离型截面探测器，该装置利用高压电极产生的电场引导电离产物，用微通道板放大电离信号，荧光屏和相机组成探测系统。该电离型截面探测器被安装于加速器驱动次临界系统(China Accelerator Driven Subcritical system, ADS)先导专项的注入器I上，在线束流实验证明，该套设备工作稳定正常，实现了束流截面的非拦截式测量。

质子加速器，非拦截式，电离型，截面测量，电场优化

随着中国高功率质子加速器的发展，对电离型截面探测器的需求越来越强烈，比如中国散裂中子源和加速器驱动的次临界系统的直线加速器等。这些束流因为占空比较高，已经发生过多次将丝靶打断的情况，高能物理研究所正在积极开发包括电子束扫描在内的截面测量方法，本文主要介绍IPM的设计加工情况，并进一步介绍其在加速器驱动的次临界系统的注入器I上的应用情况。

1 IPM工作原理

IPM是一种利用电场来收集束流与剩余气体分子碰撞时产生的电子（离子）来获取束流截面信息的系统。其工作原理如图1所示，在与离子束运动方向垂直的方向上加上电场，束流与管道内的剩余气体分子碰撞后产生的 H2+或 N2+在导向电场的作用下往微通道板上运动，离子经过 MCP放大后输出电子液滴，电子轰击荧光靶被 CCD(Charge-coupled Device)光学成像系统所记录。束流中心处束流强度高，产生的离子多，对应荧光靶上的光强度高。远离中心处，束流强度弱，产生的离子少，对应光强弱，光强分布即反应了束流分布。IPM使用的探测器分为两类：光学读出系统和条带电极多路电子学系统。光学系统的位置分辨率较高，时间分辨能力受荧光的余辉时间等制约相对较差，而电子学读出系统的位置分辨率受条带电极物理尺寸和多路电子学的成本制约而较差，但其时间分辨能力较好。根据收集产物的不同，系统可分为两类：1) 利用电场收集正离子的离子模式；2) 利用电场与磁场配合收集电子的电子模式。由于电子的初始横向速度较大，如果仅用电场收集电子，得到的位置分辨不如离子，因此要获得更好的束流剖面，需要增加磁场系统。当附加磁场足够强时，电子沿磁力线做螺旋运动，其回旋半径一般在微米量级，系统可达到较高的位置分辨。这类增加了磁场的系统结构较为复杂，但优点是时间响应较快，受束流场强影响小。低流强束流因为它产生的空间电荷场较弱，一般可以直接用离子模式。强流束则应该采用电子模式，加上与E平行的磁场B（典型值100 mT），使电子做回旋运动，电离产生的电子中绝大部分的初始动能小于 20 eV，电子的回旋半径其回旋半径往往小于50 μm。

图1 IPM工作原理示意图 (a) 电场收集离子模式，(b) 电磁场收集电子模式Fig.1 Schematic of IPM. (a) Ion collection by E-field,(b) Electron collection by EM-field

影响IPM系统分辨最重要的参数是电离产额，即单位时间内有多少电子-离子对产生。它由探测器所在处的束流参数与剩余气体的参数决定。剩余气体参数主要包括真空度以及剩余气体分子的成分，束流参数包括流强和能量。束流与剩余气体的相互作用，主要是离子在介质中飞行时与电子的多次非弹性散射。此作用被称作电阻止，相当于与离子与电子云的“摩擦”作用，Bethe-Bloch公式描述了该电阻止能损大小：

式中：z为入射粒子的电荷数；e为元电荷电量；E为入射能量；v为速度；N为单位体积内的介质原子个数；Z为介质的原子序数；Ei为介质原子的平均激发和电离能；me为电子质量；β=v/c，c为光速；δ/2与 C/Z分别为电子密度修正项和壳修正项。总的电离数N可表示为：N=ΔE/ω，其中：△E是在气体体积中的总能量损失；ω是产生一个电子-离子对所需的平均能量，也称为电离能。对于不同能量的同种粒子或不同种粒子在同一种气体中的电离，其电离能很接近，大部分在30 eV上下。

若束流（入射粒子）强度为 I，探测器有效宽度（沿束流方向）为 l，忽略漂移、扩散、复合等效应，可得探测器表面能收集的剩余气体离子数为ND=(−dE/dx)·l·I/ω。据质谱分析，在真空度低于1×10−5Pa时，H2约占40%，而较重的气体（如CO、N2、H2O、Ar等）约占60%，随着真空度的提高，H2所占比例提高而重的气体所占比例下降，1×10−8Pa时，H2约占85%，而N2约占15%。以加速器驱动次临界系统(China Accelerator Driven Subcritical system, ADS)注入器 I参数为例，在10mA、3.2 MeV的质子束情况下，假设剩余气体全部为H2、压强为10−5Pa、探测器l=3 cm、ω=33 eV、Ei=19 eV 计算得到的 ND=(6.8×10−6/33)×3I=6.18×10−7×6.25×1016=3.86×1010s−1。在 10 MeV 时对应的值为ND= 3.86×107s−1。据计算可知，对于强流加速器来说，电离信号的强度较高，考虑到系统的离子收集效率、MCP对离子的探测效率、MCP输出电子液滴轰击荧光屏的荧光产额和 CCD相机对光子的探测效率等，每秒 108−109个光子的信号是比较合理，以上计算均是针对 10 mA、CW (Continue Wave)连续波模式的，其它流强和占空比下的电离产物需要乘以相应的比例系数。

2 IPM设计与加工

离子收集模式的 IPM 系统中最重要的是建立均匀的导向电场，因为电离产物在往探测器飞行的过程中，会受到束流的电场的影响，当束流流强较强，以至于束流产生的电场强度跟电极板产生的导向电场强度变得可以比拟时，会严重影响系统的分辨率。如果流强足够强，测量得到信号强度分布跟束流真实分布相比，可能变得面目全非。假设束流为高斯分布，其径向电场的大小为：

式中：qeN/l为束流单位长度的电荷密度；σ为束流尺寸；r为离束流中心的距离。对于ADS的参数来说，当流强为10 mA、能量为10 MeV时，Espace的极大值为800 V·m−1，能量为3.2 MeV时Espace的极大值为 1600 V·m−1，均远小于导向电场强度104V·m−1。探测离子时，束流对离子的排斥作用将使得测得的束流分布比实际情况宽。为得到真实束流尺寸，需要对测量结果进行修正：

在空间电荷电场一阶近似之下，存在如下关系：

校正项正比于束团离子数N，反比于外加导向电场的方根，所以导向电场的影响较弱，通过提高导向电场Uex改善效果不明显。较大的dgap（两个电极板之间的距离）导致较长的飞行时间，使得电荷力的作用效果变得更明显。ADS注入器I上IPM所处位置束流形状为扁平束，测量方向水平方向尺寸较大，所以尽量选择尺寸较大的 MCP和荧光屏，这样在典型的导向电场强度 1 kV·cm−1下，垂直方向上的高压需求较低，实现起来较为容易。设计的上下两个电极的距离为dgap=8 cm，MCP的直径约为7 cm，接近商业产品的最大尺寸，荧光屏比MCP稍大。其他设计参数如表1所示。其中MCP随着离子的轰击，其增益系数会逐渐下降，即其抗辐照性能有限，根据其他实验室的经验，一般 MCP的寿命为0.5−1 a。MCP中央受到离子的辐照剂量比边缘更高，在长时间的测量过程中增益系数会下降得更快，为了校正该效应对测量结果的影响，通常的做法是在 MCP的对面设置一个能均匀发射电子或者光子的装置，比如 EGA (Electron Generator Array)，通过在EGA开启下得到的图像来校准MCP的增益系数，目前设计的IPM系统在MCP的对面电极处为 EGA预留了安装位置，留下了将来扩展的空间。

表1 IPM设计参数Table 1 IPM design parameters for ADS proton injector I.

如图2所示，为了能产生1 kV·cm−1的场强，分别在上下两块无氧铜电极上施加−4 kV和4 kV的高压，相对于0 V和8 kV的优点是其最高耐压仅为其一半，缺点是离子在电极P2和P3 之间飞行时，受到的是排斥力，部分离子会因为能量不够而不能达到 MCP上，考虑到上文计算得到的电离信号较强，即便部分离子不能被探测也不影响实验效果。其中MCP in和MCP out之间的2 kV电势差是为了保证电子能在微通道板通道内不断倍增，MCP out和阳极荧光屏之间3 kV的电势差是为了让MCP输出端的电子得到加速，从而有足够的能量轰击荧光屏产生光子，当然也可以考虑在上电极P2施加0 V电势而在下电极P1上施加8 kV电势，这样离子在P2和P3之间不会受到排斥力。目前EGA的引线并未接入，从美国PHOTONIS公司购买的EGA则一直放于真空保持箱中保存，等待IPM系统进一步优化改进时安装。

图2 IPM部件电势分布图 (a) 各部件电势示意图，(b) 无氧铜电极和MCP实物组装照片Fig.2 Potential distribution map of IPM. (a) Schematic of potential distribution of different components,(b) Picture of oxygen-free copper electrodes and MCP

为了保证产生的离子从束流与剩余气体碰撞的位置（初始电离位置）到 MCP飞行的过程中不在水平方向发生较大偏移，设计导向电场时需要保证不同位置的Ey尽量相等（设水平方向为x方向，垂直方向为y方向，束流运动方向为z方向），Ex分量应尽量小，为此一般需要在上下两个大电极之间加上分压小电极，如图2(b)中所示，本IPM设计了三组小电极。它们之间用高阻值耐压电阻连接，因为所有电阻均置于真空室内，所以选用的是高阻真空釉膜电阻，阻值为10 MΩ，阻值误差为±2%。图3是利用CST的电磁工作室计算所得的电场等势线的分布状况，在束流中心区域的场的均匀性优于1%，利用得到的电场分布结合电子和离子的初始电离能进行粒子追踪模拟，结果显示离子的横向偏移量在10 μm量级，对系统分辨率的影响可以忽略不计。增加小电极、增加小电极数目、增大整个电极x方向尺寸可改善中心区域Ex，电极纵向尺寸对Ex影响不大，但可稍微改善Ey的均匀度。

图3 电场等势线分布图 (a) yz平面分布图，(b) xy平面分布图Fig.3 The distribution of equal potential curve. (a) yz plane, (b) xy plane

图 4是 IPM 系统的机械设计与照片，其中图4(a)是机械设计图，其中大电极的尺寸为320 mm×220 mm×3 mm，小电极尺寸为 180 mm×30 mm×3mm，电极之间用可加工陶瓷支撑并绝缘，系统占用总纵向空间为450 mm；图4(b)是IPM的内部照片，高压分别通过右侧的一个2芯的耐10 kV和一个4芯的耐5 kV的穿墙子引入，金属导线上用陶瓷套管绝缘；图4(c)是IPM安装在管道上的外部图片。图像的采集用的是工业相机，分辨率为 1360×1024，像元尺寸为 5.3 μm×5.3 μm，数据位数为10bit，带有外触发功能，能实现与束流的同步曝光，对低占空比束流实验至关重要。采用的是欧洲进口的TECTRA二级倍增MCP，在其工作电压2400 V下的标称增益为 1×108，其微通道板长度和直径的比值为60:1。后端P43荧光屏成分为Gd2O2S:Tb，光强从90%衰减到10%的时间为1 ms，从10%到1%的时间为1.6 ms，所以曝光时间需要控制在束流经过后的2.6 ms之内。图像数据通过网线连接到隧道内辐射剂量较小处放置的工控机上。

图4 IPM系统 (a) 机械设计图，(b) IPM内部照片，(c) IPM外部照片Fig.4 The ionization profile monitor system. (a) Mechanical design, (b) Interior photos, (c) Exterior photos

3 实验结果

IPM系统的测量结果如图5所示，其中图5(a)是曝光时间为50 ms时的荧光屏图像，其中间的阴影是 CCD相机与支架等在隧道内灯光下投影，经过黑布屏蔽后，在相同量级的曝光时间下看不到任何阴影，图5(b)是屏蔽了杂散光之后，束流经过时荧光屏图像的伪彩色图，在束流实验期间，宏脉冲长度在20 μs−100 ms之间，相机从收到触发信号到开始曝光的时间约为3 μs，而线缆延时均为ns量级，所使用 P43荧光靶的余辉时间在 ms量级，通过DG645延时器可控制曝光时间与束流的同步。图5(b)中用两条竖线标示出了高斯拟合时所选取的区域（沿着水平方向求和），其求和结果如图5(c)中虚线所示，该分布高斯分布相差较大，实线是高斯拟合结果，均方根(Root Mean Square, RMS)宽度为(13.72±0.28) mm，与理论值15mm较为接近，值得一提的是在较低占空比下(＜1%)，拟合误差较大，偏离高斯分布较多，主要是因为曝光时间、余辉时间和束流的同步没有完全匹配好，且相机曝光时间的最小设置为100 μs，这些都影响了低占空比束流测量结果的信噪比。

图5 IPM测量结果 (a) 没有束流时荧光屏成像，(b) 在10%的束流占空比下的荧光屏成像，(c) 水平截面拟合结果Fig.5 Results of IPM measurement. (a) Picture of screen without a beam, (b) Picture of screen with a 10% duty factor beam,(c) Horizontal profile by fitting the curse with gaussan

4 结语

本文主要介绍了在强流质子直线加速器上的IPM系统相关的研究工作，包括根据束流参数来设计相关的IPM的导向场强、利用小电极改善电场均匀性、多级 MCP进行电离信号的放大、荧光屏成像等。此外还研究了根据束流与真空参数评估电离信号强度的方法和束流本身电场对测量结果的影响等。介绍了机械加工IPM系统的相关情况，包括高压的引入、MCP与光学系统的调试等，最后将设计加工的IPM系统安装在ADS注入器I上进行了束流在线实验，测量出了束流在水平方面的截面，与理论预期符合较好，存在的问题为低占空比下，因为信噪比的原因，高斯拟合结果较差，更详细的研究有待进一步的束流实验。实验证明IPM是测量强流质子束流横向截面的有效方法，将在进一步完善实验细节之后，在强流质子加速器中发挥重要作用。

致谢 感谢德国重离子研究所Peter Forck的帮助。

1 Forck P. Lecture notes on beam instrumentation and diagnostics[R]. CERN Accelerator School Beam Diagnostics, 2016.

2 Bravin E. Transverse beam profile[R]. CERN Accelerator School Beam Diagnostics, 2009.

3 Sui Y F, Ma H Z, Cao J S, et al. Design and simulation of the wire scanner for the injector linac of BEPCII[J].Chinese Physics C, 2008, 32(5): 397−399.

4 何俊, 张丛, 邓庆勇, 等. 北京正负电子对撞机二期工程激光扫描系统[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(6):065103. DOI: 10.11884/HPLPB201527.065103.HE Jun, ZHANG Cong, DENG Qingyong, et al. Laser wire scanner system for Beijing Electron-Positron Collider II[J]. High Power Laser and Particle Beams,2015, 27(6): 065103. DOI: 10.11884/HPLPB201527.065103.

5 Blokland W, Cousineau S. A non-destructive profile monitor for high intensity beams[C]. International Particle Accelerator Conference, 2011: 1438−1442.

6 Denton K M, Philip A, David C, et al. Operational use of IPM in the fermilab main injector[C]. International Particle Accelerator Conference, 2011: 519−521.

7 Jansson A, Bowie K, Fitzpatrick T, et al. IPM measurements in the Tevatron[C]. Particle Accelerator Conference, 2007: 3883−3885.

8 Zagel J, Jansson A, Meyer T, et al. Operational use of ionization profile monitors at Fermilab[C]. Beam Instrumentation Workshop, 2010: 111−115.

9 Satou K, Lee S, Toyama T, et al. Beam profile monitor of the J-PARC 3 GeV rapid cycling synchrotron[C]. Europe Particle Accelerator Conference, 2008: 1275−1277.

10 Satou K, Lee S, Toyama T, et al. A prototype of residual gas ionization profile monitor for J-PARC RCS[C].Europe Particle Accelerator Conference, 2006:1163−1165.

11 Satou K, Lee S, Toyama T, et al. IPM system for J-PARC RCS and MR[C]. Beam Diagnostics and Instrumentation for High-Intensity Beams, 2010: 506−508.

12 Giacomini T, Forck P, Liakin D, et al. Ionization profile monitors-IPM GSI[C]. Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators, 2011: 419−421.

13 Forck P. Minimal invasive beam profile monitors for high intense hadron beams[C]. International Particle Accelerator Conference, 2010: 1261−1265.

14 Bohme C, Dietrich J, Peter F, et al. Beam test of the FAIR IPM prototype in COSY[C]. Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators, 2009: 191−193.

15 Connolly R, Fite J, Jao S, et al. Residual gas ionization beam profile monitor in RHIC[C]. Beam Instrumentation Workshop, 2010: 116−118.

16 Connolly R, Michnoff R, Tepikian S. Residual gas ionization beam profile monitor in RHIC[C]. Particle Accelerator Conference, 2005: 230−234.

17 Bal C, Prieto V, Sautier R, et al. First results from LEIR ionization profile monitors[C]. Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators, 2007: 120−122.

18 Refsum H H, Dehnig B, Koopman J. Simulation of an electron source based calibrating system for an ionization profile monitor[C]. Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators, 2005: 160−162.

19 赵晓岩, 郑建华, 赵之正, 等. 剩余气体束流剖面探测系统的初步研制[J]. 核电子学与探测技术, 2004, 24(3):304−307. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2004.03.024.ZHAO Xiaoyan, ZHENG Jianhua, ZHAO Zhizheng, et al.Preliminary study on residual gas beam profile monitor[J].Nuclear Electronics & Detection Technology, 2004, 24(3):304−307. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2004.03.024.

20 张耀峰. CSNS_RCS IPM系统研究[R]. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2010.ZHANG Yaofeng. Study on IPM system for CSNS_RCS[R]. Beijing: Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences, 2010.

Study on ionization profile monitor

HE Jun WANG Lin ZHAO Xiaoyan YU Lingda SUI Yanfeng YUE Junhui CAO Jianshe
(Key Laboratory of Particle Acceleration Physics and Technology, Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Beam profile determination at high intensity hadron accelerators implies the usage of non-invasive methods. Purpose: This study aims to develop the profile measurement technology for high intensity proton accelerator. Methods: The transverse profile of the beam was monitored via detecting the ionization products produced by the collision of proton with residual gas in the vacuum pipe. High-voltage electrodes were used for producing electrical field to guide ionized offspring whilst microchannel plates (MCP) was employed to amplify the signal. The screen and charge-coupled device (CCD) system were used for position detection. Results & Conclusion:An ionization profile monitor is designed and manufactured, which has been installed on the China accelerator driven subcritical system (ADS) injector I. The signal intensity of ionization products matches the theory’s expectation.Experiments result shows that it is a useful tool to measure the profile of proton beam.

Proton accelerator, Non-invasive, Ionization, Profile measurement, Electrical field optimization

电离型截面探测器(Ionization Profile Monitor,IPM)也叫做 RGM (Residual Gas Monitor)，是最常见的无损截面探测仪器之一，主要安装于束斑尺寸在毫米到厘米之间的质子和重离子加速器上（对于电子机器，因为其束流尺寸较小，IPM的分辨率稍显不够，同时也存在同步光成像和丝靶等实现起来较容易的方法），它是为了满足高功率束流的截面探测需求而生的，可用在直线段、传输线段，也可用在同步加速器上（区别是同步加速器上往往需要时间分辨能力）[1]。对于高功率束流来说，传统的拦截式方法如荧光屏[2]、丝靶[3]、二次电子栅网等都面临着容易被束流损坏的风险，所以涌现出一批非拦截式的截面测量方法。其中包括激光扫描[4]、电子束扫描[5]和剩余气体探测器等，其中又以IPM最为普遍。世界上各大实验室均开展了 IPM 系统的研究，如费米实验室在其直线段和注入器等多个加速器上均安装了电子收集模式的 IPM 系统[6−8]，日本高能物理研究所的 Satou等[9−11]也在其 J-PARC的快循环同步环和主环上安装了多个IPM系统，其利用日本滨松光子生产的高性能 MCP (Microchannel Plates)的便利，组装了由多个条形MCP组成超宽测量范围的IPM系统。德国重离子研究所在直线段和同步环里安装了以多条带电极为探测器的 IPM 系统[12−14]。此外美国布鲁克海文实验室[15−16]和欧洲核子中心[17−18]也都在他们的强子机器上安装了 IPM系统。兰州近代物理研究所的赵晓岩和高能物理研究所的张耀峰也在这方面进行过研究工作[19−20]。

HE Jun, male, born in 1983, graduated from Wuhan University with a doctoral degree in 2011, focusing on beam diagnostics

date: 2017-01-23, accepted date: 2017-03-21

O571

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110401

国家自然科学基金(No.11305186)资助

何俊，男，1983年出生，2011年于武汉大学获博士学位，从事束流测量研究

2017-01-23，

2017-03-21

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11305186)