用于自由电子激光装置的丝扫描束流横向截面测量系统原型机

万 钧，冷用斌,,*，俞路阳，陈 杰，高 波，陈方舟，陈 健，曹珊珊

(1.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院 上海高等研究院，上海 201204)

丝扫描截面测量系统[1-2]是国内外各大加速器装置普遍采用的技术，用于半阻拦束流截面测量。作为一种常用于直线加速器束流截面测量的方法，其在国外自由电子激光(FEL)装置，如第2代直线加速器相关光源(LCLS-Ⅱ)[3]、瑞士自由电子激光(SwissFEL)[4]、欧洲X射线自由电子激光(EXFEL)[5]、韩国浦项X射线自由电子激光(PAL-XFEL)[6]等加速器装置上应用并取得了很好的效果。该技术在国内应用于电子束团的截面测量，目前主要是中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机(BEPC)[7]的改进项目BEPC-Ⅱ，该装置将电子加速至1.89 GeV，束流重复频率为50 Hz。中国科学院高能物理研究所的中国散裂中子源(CSNS)[8]和中国科学院近代物理研究所的加速器驱动的次临界系统(ADS)[9]是将丝扫描系统应用于质子或H-离子的束团截面测量。虽然各加速器装置应用丝扫描束流横向截面测量系统的工作原理大致相同，但由于加速器的粒子种类、粒子能量、束团重复频率等参数不同，各装置使用的丝扫描系统设计存在很大不同。目前国内对于FEL的束流横向截面的测量大多依靠荧光靶等传统手段，这些传统手段的局限性明显，对于束流有阻挡作用。同时成像系统难以排除相干渡越辐射的干扰，测量精度将受到影响[10]。丝扫描系统应用于FEL装置，可实现在几乎不阻挡束流的情况下对FEL装置进行束流横向截面尺寸的测量，相比于使用截面靶的测量方法其不影响束流运行，并在下游产生更少的次级粒子，可减少超导高频腔的失超风险。目前在建的上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(SHINE)[11]因其超高的束流重频，不能采用全阻拦式束团截面测量技术，计划采用丝扫描技术来实现束流横向截面的在线测量。为此将研制一套用于FEL装置的丝扫描系统原型机用于关键技术验证，该原型机将安装于上海软X射线自由电子激光(SXFEL)[12]开展束流实验测试，同时可为SXFEL的束流横向截面测量提供半阻拦式测量方法的补充。

1 工作原理

丝扫描束流横向截面测量系统的探头是一种单丝靶，其工作原理如图1所示。用依靠机械运动机构带动装有若干扫描丝(材料一般为钨、碳等)[13-14]的探头。扫描丝彼此分开，保证不会有两根丝同时和束流接触，可分别测量不同方向的尺寸。运动机构带动探头在束流管道截面方向直线运动，实现探头和束流的相互接触和分离。在运动机构安装位置的下游，装有束损探测器，探测束流和扫描丝相互作用产生的次级粒子，主要包括高能电子、γ射线、扫描丝产生的次级电流。

图1 丝扫描测量原理示意图Fig.1 Schematic diagram of wire scanner system principle

当其中1根扫描丝与束流碰撞，同步测量探头移动的距离和束损探测器的束损信号强度。多次脉冲后，将测得的探头位置序列{Xi}和束损信号强度序列{Ii}进行高斯拟合，则：

(1)

其中，σ为扫描丝对应方向的束流横向截面尺寸。

该原理主要基于如下前提：1) 与束流尺寸相比扫描丝足够细，对测量结果几乎无影响；2) 下游的次级产物流正比于穿过钨丝电子束流的强度；3) 束流截面尺寸在丝扫描系统测量过程中不变。

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2 系统设计及研制

2.1 总体设计

丝扫描系统总体结构框图如图2所示，包含丝靶探头、机械运动机构、束损探测器、控制及信号采集子系统4部分，其中控制及信号采集子系统包含数据采集模块和运动控制模块。另外，由于束流横向位置的抖动会显著影响扫描丝与束流的相对位置，降低测量精度，因此在丝扫描系统上游安装1套腔式束流位置测量(CBPM)系统[15-20]，用于钨丝与束流间相对位置抖动和电荷量的数据分析补偿。

图2 丝扫描系统总体结构框图Fig.2 Block diagram of wire scanner system

2.2 丝靶探头

2) 运动控制模块

图3 20 μm钨丝与SXFEL装置束流持续碰撞时温度随时间的变化Fig.3 Temperature versus time with 20 μm tungsten wire when continuous colliding with beam in SXFEL

图4为丝靶机械结构示意图，丝靶探头是由1个铝支架和固定在支架上的1根钨丝组成的，钨丝两端固定，利用中间的5个支点将1根钨丝分成3段。3段钨丝彼此相交成45°，分别负责测量束流的水平、垂直和斜45° 3个方向的束团横向截面尺寸。装配后的探头被放置在丝靶探头真空结构内，由直线电机驱动，实现探头在真空盒内的运动，完成3个方向的钨丝扫过束团截面。

图4 丝靶机械结构示意图Fig.4 Mechanical structure diagram of wire target

2.3 机械运动机构

丝扫描系统原型机的机械设计主要由带法兰和波纹管的真空室、直线电机、磁尺传感器、45°安装座和独立可调支撑座组成。图5a为机械运动机构的剖面图，用于与束流相互作用的丝靶由直线电机驱动自下而上在真空腔内移动，依次扫描束流x方向、斜45°方向、y方向横向截面尺寸，波纹管连接真空腔和法兰保证丝靶运动时不破坏真空。图5b为侧视图，直线电机旁安装的磁尺传感器(SPM)选用的型号为MR50(分辨率10 μm)，用于反馈丝靶位置(图5c)。

图5 丝扫描系统机械运动机构的设计图Fig.5 Design drawing of mechanical mechanism of wire scanner system

2.4 束损探测器

GNS3[9]是一款可以运行在WINDOWS、LINUX及苹果系统中的图形化网络仿真软件,目前最新版本为GNS3-2.0.3.相比思科公司推出的仿真软件Cisco Packet Tracer而言，GNS3由多款软件整合而成并且是开源的，可以实现的功能更多.不仅支持多种型号的思科交换机、路由器以及防火墙等设备的模拟仿真，而且还可以与现实中网络环境进行深度对接，具有免费、真实可信、用户操作性强等特点，适用于模拟各类型复杂网络环境.

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丝扫描系统原型机对束流进行扫描，电机每行进1步数据采集模块采样100组原始信号，扫描结束后进行数据处理得到100组丝扫描测量结果，计算得到的每个方向束流截面尺寸分布如图11所示。其中水平(x方向)、斜45°、竖直(y方向)3个方向测量结果的标准差分别为10.4、12.6、51.9 μm。

图6 用于丝扫描系统原型机的束损探测器结构Fig.6 Diagram of beam loss monitor for wire scanner prototype

丝扫描系统原型机的数据采集模块结构示意图如图7所示，需采集4路模拟信号，数据采集模块设计前利用示波器发现束损探测器产生的束损信号脉冲持续时间不超过1 μs，而CBPM信号的采集需要较高的采样率否则会显著影响分辨率，综上选择SXFEL装置高频频率的倍频1 004.8 MHz作为数据采集模块的采样率。该数据采集模块研制基于Teledyne SP Devices公司的ADQ14AC-4C型数据采集平台[27]，搭载的ADC芯片标称位数为14 bit，有效位约9 bit，模拟3 dB带宽为1.2 GHz，满足丝扫描系统原型机数据采集需求。上位机安装基于EPICS控制系统的软件IOC并通过PCIE接口连接数据采集板卡，实现对采样数据的传输、存储与处理。

2.5 数据采集和控制

1) 数据采集系统

基于切伦科夫原理的光纤束损测量技术[26]目前已经成熟，根据丝扫描束流截面产生束损信号的特点选择纯石英光纤，这种光纤的数值孔径、芯径、光传输效率指标符合探测要求，产品成熟；后接光电倍增管的增益、响应时间、光谱范围指标也完全满足切伦科夫光的特点。丝扫描系统配套的束损探测器结构如图6所示。

该束损探测器核心部分包含4根光纤和光电倍增管，光纤布置在束流管道周围，并在其末端接光电倍增管。将该装置安装于隧道内各处，可用于保护波荡器磁铁，避免辐射损伤，监测束流分配效率及束损剂量，定位束损点，也可用于调束诊断。结合丝扫描系统，可选取其中一路光电倍增管输出信号用于束流截面测量，无需为丝扫描系统设计专用的束损探测器。

操作考核：选择我院择期腹部手术肥胖患者80例作为颈内静脉穿刺置管术的对象，随机分到两组中，每组40例。患者的ASA分级I～II级，年龄35～65岁，身体质量指数＞28 kg/m2，无凝血功能障碍，无穿刺部位感染，无颈部活动异常。所有患者入室后进行心电图，血压，脉搏氧饱和度监测。患者常规全麻诱导插管后，头低位20°，选取右侧颈内静脉进行穿刺。实验组采用超声引导下中心静脉穿刺方法，对照组采用传统盲探中心静脉穿刺方法。

图7 丝扫描系统原型机数据采集模块结构示意图Fig.7 Schematic diagram of data acquisition module of wire scanner prototype

丝靶探头是整个测量系统的基础及核心部分，其与机械运动机构相连接，依靠探头上的物质与束流相互作用后，在束流运动方向的下游产生次级粒子，主要是二次电子、γ光子。丝扫描系统原型机的探头使用金属钨作为扫描丝的材料，是因为钨的原子序数相比碳、铝等其他常用材料大，会导致入射电子有更高的能损获得更多的次级粒子[21-22]，进而使得束损探测器信号的信噪比更高。根据文献[23]的实验结论，束流截面尺寸与扫描丝直径之比大于5时，测量精度较高。由于SXFEL装置运行时束流截面尺寸大于100 μm，因此作为丝扫描系统原型机探头的钨丝直径可选择20 μm。由于在丝扫描系统原型机运行过程中，钨丝与束流接触温度将急剧上升，因此实验前需考虑钨丝与束流作用受热的安全性问题。首先SXFEL装置电子束流的能量不高于1.6 GeV，单束团电荷量不高于1 nC，通过理论[24]计算可得1.6 GeV的电子穿过20 μm的钨丝时将有约1.02%的能损转化为热量，基于有限元分析软件ANSYS的模型[25]仿真计算可得丝靶与束流持续碰撞时温度随时间的变化，如图3所示。钨丝的最高温度远低于约3 500 ℃的熔点，说明该丝靶探头不会在测量SXFEL装置束流截面尺寸时因高温损坏。

首先，安排专门的施工人员针对孔内水头情况进行全面细致的观测，保证孔内的水头高度能够符合相应的工程施工标准，发现孔内的水头相较于孔外水头较低，则需要及时将泥浆池中的泥浆抽取到孔内，减少钢护筒在外力作用下出现变形情况。其次，在施工现场做好黏土的准备工作，及时向孔内充填黏土，待回填至护筒底以上5m高度后，停止回填黏土。

运动控制系统主要完成对直线电机的供电、位置反馈控制、位置读数上传、运动控制等主要功能。该控制系统的结构如图8所示，其核心部分为伺服器基于PID反馈算法控制电机，并负责读编码器位置、接收同步信号、与上位机通信等。直线电机支持多种运动模式，最典型的几种列于表1，电机的模拟位置由输入电压决定。在丝扫描系统原型机测试过程中将通过使用这几种运行模式，可找出最合适FEL装置运行需求的模式。

图8 丝扫描系统原型机的运动控制模块结构Fig.8 Structure of motion control module for wire scanner prototype

表1 直线电机典型运动模式Table 1 Typical motion mode of linear motor

3 束流实验及性能评估

基于丝扫描束流横向截面测量系统原型机的设计和研制，在SXFEL装置中选取主加速器末端的漂移段完成系统的搭建，并在此基础上进行系统的调试和相关性能评估测试。

3.1 直接测量结果

SXFEL装置运行在束流电荷量500 pC、电子能量840 MeV的条件下进行丝扫描系统原型机的测试。直线电机以定点模式运行，上位机发送命令使得电机以0.1 mm的步长在真空腔内移动。电机的实际到达位置由磁尺传感器测量得到并传送至上位机。当电机移动1步，数据采集系统采集1组如图9所示的束损信号。基于切伦科夫辐射的光纤束损信号有多个峰是由于光脉冲在光纤两端反射传播造成的，实验中取幅度最大值表征钨丝阻挡束流时产生的束损强度。

图9 丝扫描系统运行过程中采集到的束损信号Fig.9 Beam loss signal collected during operation of wire scanner system

电机完成一次扫描可得到如图10所示的采样结果，对所得的电机位置序列和束损强度序列基于最小二乘法进行高斯拟合，可得到3个方向束流横向截面尺寸的测量值。

图10 丝扫描系统原型机完成一次扫描的数据采样结果Fig.10 Data sampling result of one scan completed by prototype wire scanner

为保证钢纤维混凝土施工质量，必须结合工程实际进行钢纤维混凝土配合比设计和几何参数的确定，钢纤维增强效果与长度、等效直径和长径比等参数有关，随长径比的增大钢纤维增强作用随之增加，长度太短起不到增强作用，太长则会增加施工难度，长径比过大将影响拌和物质量，过小则容易在拌和过程中折弯。钢纤维材料必须与基材相适应，抗拉强度保持在至少500MPa，钢纤维混凝土设计过程中重点考虑钢纤维的等效直径和长径比，如表1所示，本工程钢纤维等效直径控制在0.55mm以上。

由于SXFEL装置的束流横向抖动幅度峰值为百μm量级，束流的抖动可能对丝扫描的测量造成干扰。因此在直接测量的基础上，使用CBPM装置测得的束流位置对钨丝和束流相对位置进行校正。

图11 未采用CBPM系统校正后丝扫描系统原型机测量结果Fig.11 Measurement result of wire scanner prototype without being corrected by CBPM

图12 CBPM系统测量的束流在3个方向上的横向偏移位置标准差Fig.12 Standard deviation of transverse deviation position of beam measured by CBPM system in three directions

3.2 CBPM校正后测量结果

由图11可知，束流竖直方向截面尺寸测量结果波动较大，估计是由于水平方向钨丝与束流接触期间束流的y方向位置波动较剧烈造成的。图12为CBPM系统测量的束流在3个方向上的横向偏移位置标准差，结合图11、12可看出，丝扫描系统原型机扫描测量束流水平方向和斜45°方向横向截面尺寸时，束流横向位置波动较小，而测量束流竖直方向截面尺寸期间束流不太稳定波动剧烈，从而对丝扫描测量该方向束流截面尺寸的精度产生较大影响。

图13为采用CBPM系统进行束流位置校正后丝扫描系统测量结果，其中100次测量结果的平均值为：x方向，203.3 μm；斜45°方向，250.9 μm；y方向，252.9 μm。校正后丝扫描系统测量不确定度降低，且当束流抖动幅度大时，采用CBPM系统校正的效果较好。

图13 采用CBPM系统进行束流位置校正后丝扫描系统原型机测量结果Fig.13 Measurement result of wire scanner prototype with beam position corrected by CBPM system

另外，束流电荷量的波动也会影响束损信号的幅度，当束流与钨丝相对位置一定时，束流电荷量和束损信号强度呈正比。利用对CBPM系统参考腔信号的处理可得到每个束团的电荷量相对大小(图14)，其波动幅度约5%，由此可对束损信号进行校正，进一步优化丝扫描系统原型机的测量结果。

The pore throat characteristics of narrow-channel tight sandstone gas reservoirs in the

图14 采用CBPM系统参考腔信号得到束团电荷量相对大小Fig.14 Relative charge of beam obtained by using CBPM system reference cavity signal

图15为采用CBPM系统进行束流位置和束团电荷量校正后丝扫描系统测量结果，其测量精度得到小幅改善，其中测量结果平均值为：x方向，201.7 μm；斜45°方向，248.4 μm；y方向，253.5 μm。

图15 采用CBPM系统进行束流位置和束团电荷量校正后丝扫描系统测量结果Fig.15 Measurement result of prototype with beam position and beam charge corrected by CBPM system

3.3 YAG截面靶测量结果

为对比丝扫描系统的测量结果，使用丝扫描系统原型机上游距离约2 m的YAG截面靶[28]阻挡束流，通过CCD相机将靶片发射的荧光成像，实现测量束流横向截面尺寸。图16为YAG截面靶测量结果，其中CCD相机的1个像素边长为29 μm，因此截面靶测量的束流横向截面尺寸为：x方向216.9 μm；斜45°方向，266.5 μm；y方向，346.0 μm。

图16 YAG截面靶测量结果Fig.16 Measurement result of YAG profile target

3.4 性能评估

丝扫描与截面靶的测量结果对比列于表2，x方向和斜45°方向丝扫描系统原型机的测量结果略偏小，原因是YAG靶的成像会受到靶片厚度、角度及成像系统所带来的点扩散函数的影响，这会使得实际测量的尺寸比原始尺寸大。而截面靶y方向截面尺寸测量结果比丝扫描测量结果大得多，原因是该CCD相机曝光时间为3 s，曝光时间内多个束团将轰击截面靶成像，而该方向束流横向波动较剧烈，因此图像展宽较严重。采用CBPM系统校正后，该丝扫描测量系统的测量值标准差不大于30 μm，在束流抖动幅度较小的方向测量值标准差可小于10 μm。

表2 丝扫描与截面靶的测量结果对比Table 2 Comparison of measurement result between wire scan and beam profile

4 结论

本文结合SHINE装置对束流横向截面尺寸测量的需求，完成了丝扫描系统原型机的设计与研制，在SXFEL装置上完成了系统安装，搭建了束流实验测试平台，展开了束流实验评估。实验结果表明，在束团电荷量500 pC、电子能量0.84 GeV的条件下，该原型机可实现半阻拦式截面尺寸测量，测量结果与SXFEL装置在线的截面靶测量系统结果一致，测量不确定度好于30 μm。通过丝扫描系统原型机的研制，达到了如下目标：探索丝扫描探头加工及测试工艺；研制运动控制模块；应用程序开发；通过束流实验评估丝扫描设备隧道内工作可靠性、稳定性，评估其空间分辨率；总结样机研制过程中的经验和教训，为用于SHINE工程的丝扫描系统最终方案提供依据，为SHINE工程建设奠定了较好的技术基础。