一种加速器粒子束流截面实时诊断系统的利记博彩app
【技术领域】
[0001] 本发明涉及加速器束流诊断技术领域，特别是一种实时在线监测束流打靶状况和 横向截面分布的影像探测系统。影像系统通过安装在加速器束流打靶的最邻近位置来对近 靶区域的束流打靶参数进行实时监测和记录，便于调束和及时了解装置的运行情况。
【背景技术】
[0002] 在加速器上，束流的截面分布和尺寸等参数是束流其他参数测量的基础，能够反 映束流的品质，对近靶位置束流截面参数的监测，便于加速器及时进行调束和优化，有助于 更加真实的模拟计算出打靶出束的参数，也有助于靶体设备的有效保护，国内外所有的加 速器上都非常重视束流、尤其是近靶位置入射束流横向截面分布及尺寸等参数的测量。
[0003] 束流诊断技术中测量束流横向截面分布等参数的方法有很多，比较常见的包括基 于光学、基于扫描丝、基于位置监测器的束流横向尺寸的测量等，对高功率的加速器束流而 言，基于光学方法的测量可以不受电场、磁场的限制，有更高的空间分辨率和时间分辨率。 光学方法又可以从同步辐射光和荧光转换两种方法进行区分。对束流发出的同步光进行成 像，得到束流横向截面的图像是束流截面测量中最直接、最基本和最常用的方法，但这种方 法难以在近靶位置实现束流的监测。束流与探测器腔内的残余气体相互作用，激发气体原 子发光，通过对残余气体荧光的成像测量获得束流分布是最近十几年来发展较快的一种手 段，储存环、线性加速器等装置上都可以应用，但在邻近打靶的位置使用较少。荧光转换的 另外一种形式是使用荧光屏对入射束流进行探测，荧光靶材在束流的作用下能激发特定波 段的光，它作为束流截面分布的一种测量手段，可以直接对打靶前的束流状态进行监测，在 束线的其他位置也能灵活应用。
[0004] 兰州重离子加速器、合肥同步光源上都有使用荧光屏对入射束流进行辐射光学转 换、从而进行束流特征诊断的设备。图1为用于北京自由电子激光30MeV电子直线加速器的 注入及输出束的截面监测系统，荧光屏通常由可移动式机械工装支撑，束流输运腔一侧开 孔方便光线引出，光线经过简单的透镜会聚到相机系统成像显示。传统的荧光屏诊断系统 由于机械伸缩装置的繁琐，不便于在非常邻近靶前的位置进行安装，在高功率打靶装置上， 由于屏蔽厚度的增加，采用传统的方式，光信号也难以引出。同时，传统荧光屏厚度在1_ 以上，束流沉积的能量更大，荧光屏的散热和寿命都会受到影响，束流的影响和损失也相对 较大。正在建造的中国散裂中子源装置是基于质子束打靶的脉冲型中子源用户实验平台， 靶前入射质子束流的状态直接影响打靶产生中子的通量和能谱分布等性质，进而影响谱仪 束线的实验应用。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种加速器粒子束流截 面实时诊断系统。本发明采用与传统方法不同的荧光材料涂层、更加复杂的光学系统和防 辐照光纤传像束等，实现对距离打靶位置2cm范围的粒子束流进行在线诊断。本发明可以 用于实时监测近靶区域内加速器质子束打靶状况和束流横向截面分布，系统还可用于其他 粒子束流及加速器其他位置束流的诊断。
[0006] 本系统的组成包括：荧光材料涂层、金属球面反射镜、金属平面反射镜、熔融石英 成像透镜组、抗辐照光纤传像束、光纤中继器（耦合器）、工业相机系统及相机控制软件。探 测方法包括：粒子束入射打靶，激发靶前荧光材料涂层发光，实现探测方式的光学转换，发 光强度分布与入射束流横向截面分布相关。球面反射镜对焚光祀面离轴反射成像，经光学 系统的聚焦成像和光纤传像束对像方信号的远距离传输，工业相机系统在辐射安全区域接 收成像信号并输出图像数据，软件系统实现异地客户端的数据实时共享和分析，便于实时 了解运行状态和加速器调束。
[0007] 本发明设计的关键有三方面：一、采用了一定厚度和掺杂比例的荧光材料涂层，将 粒子束辐射特征转换成光学信息，直接对光学信息进行收集。二、在高辐照环境下工作的长 光轴、离轴反射式光学成像系统的设计，实现对光信号的收集和聚焦成像。为验证光学系统 的正确性，研制了一套光学成像系统的样机及工装设备，通过样机系统装调，验证了本发明 的可行性和可靠性。系统使用了目标工作波段的滤光片，有效的改善了色差和成像质量。 三、系统使用了抗辐照工作的光纤传像束，实现了光学成像信号从辐射区到安全区的传输， 便于后端的图像收集，系统光学耦合失真小。采用基于控制网络的方式实现图像数据的在 线分析和客户端共享。
[0008] 本发明为实现束流诊断需求所采用的技术结构，从功能组成上包括荧光涂层、光 学成像系统和数据采集分析系统三部分。
[0009] Cr = Al2O3荧光材料涂层喷涂在靶体前窗，材料掺杂比、厚度和喷涂工艺根据实验效 果自行研制解决，以确保实现发光性能和对束流无损探测的最优化。
[0010] 光学成像系统包括金属离轴球面反射镜、通光孔、娃窗、金属平面反射镜、聚焦成 像透镜组、光纤连接器、抗辐照工作光纤FIGR-20系列、光纤中继器。由于质子束流周围是 半径6m以上的钢铁+水泥屏蔽块，除成像透镜外，还需要通光孔用于在屏蔽块中留出光线 传播的通道。束流打靶空间为氦气或抽真空气氛，通光孔上部需要硅窗隔绝束流通道与外 部环境。光纤前端的光学元件工作在高辐照环境中，采用特殊的材质加工，其中球面反射 镜和平面反射镜为纯铝或钼金属，不做镀膜处理；通光孔为不锈钢管壁，与顶部的硅窗通过 CF-35标准法兰连接；窗、成像透镜组采用高纯熔融石英加工。透镜组安装在金属镜筒内， 镜筒末端为光纤连接器。光纤传像束采用藤仓公司生产的FIGR-20系列。光纤中继器用于 实现光纤末端与相机靶面之间图像信息的耦合，放大倍数和镜面设计与光纤、相机靶面相 关，位于福射安全区域外。
[0011] 后端图像获取系统包括带GigE接口的Prosilica GC系列工业相机、本地数据获 取存储和分析系统。不同于一般的控制方法，本系统在主控室的PC机上采用基于EPICS平 台的areaDetector软件对相机进行控制。在原有软件功能的基础上，使用C++程序语言开 发了束斑形状拟合、峰值密度计算、图像显示等功能插件对数据进行分析，并开发CSS工具 包进行控制界面和图像分析信息的显示。通过EPICS的数据库平台和CSS的功能，即可进 行图像信息的在线分析和共享。
[0012] 与现有技术相比，本发明的积极效果为：
[0013] 本发明系统能够对靶前荧光材料涂层受入射质子束激发的荧光聚焦成像，利用抗 辐照型光纤传像束将光信号传至辐射安全区域，使用工业相机和本地获取系统在线显示和 分析图像结果。测试结果可以通过网络共享，便于用户和维护人员实时了解束流入射打靶 的情况。
[0014] 本发明补充了国内加速器打靶装置上近靶位置束流横向截面分布实时测试的手 段，通过抗辐照型光纤传像束将信号传输到辐射安全区域进行收集和分析，这在国内加速 器上类似的荧光转换系统中是首次使用，大大增加了本地数据获取设备的灵活性和可靠 性，能够实现在高辐射区域的有效成像观测，获取的图像可以网络共享和本地存储，便于用 户的其他分析。
[0015] 本发明使用氧化铝掺铬材料涂层，与荧光屏相比，不需要机械支撑装置，位置可以 离打靶区域更近。对束流的损失影响更小，在对束流精度要求更高的加速器装置上，传统的 荧光屏方式由于束损较大在运行时一般撤出束流通道，而采用材料涂层可以在运行时仍然 进行实时的无损诊断。发光材料厚〇. 25mm，掺杂比例1. 5%，目前国内加速器上都是由商业 途径从国外购买得到这种荧光材料屏，使用厚度在Imm以上，掺杂比例不相同，散热能力不 如涂层效果好，对束流造成的损失比薄的涂层影响更大。
[0016] 本系统在距打靶位置2cm范围内对束流进行监测，打靶区域的屏蔽块非常多，其 他荧光屏系统基本难以实现在该位置的布局，光学系统设计难度更大、更复杂，耐辐照要求 更尚。
【附图说明】
[0017] 为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及其后的实施过程进行详细描 述，其中：
[0018] 图