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RSS2020年 32卷 第4期
现代粒子加速器的发展已有100年的历史。给出了粒子加速器主要类型的简单分类图表，从粒子加速器发展过程中相关概念演变和加速器技术逻辑发展的角度，概述了粒子加速器的基本类型、基本工作原理、相应的技术实现途径以及各类加速器的典型的技术特征。
为研究引张线技术在加速器准直测量中的应用和发展，首先简介了引张线技术原理，然后回顾了引张线准直法在加速器工程中的发展历史，接着介绍了引张线在加速器准直测量中的最新发展动态。最后讨论了各种引张线准直法的优缺点及其适宜环境，比较了国内外引张线准直法的发展与区别。指出引张线准直法的发展方向，给出了加速器准直测量的努力方向。
针对螺线管磁轴测量中的悬丝位置、测量信号失真、磁轴偏轴和磁轴倾斜信号的分离数据处理要求等问题，采用一种高偏置消除的信号检测与测量方法，并对探测器采用了相关的恒定驱动技术，进一步提高了信号产生的稳定性及抗干扰能力，研制了一种可以获得比较直接的悬丝振动信号的测量系统，解决了单纯采用交流耦合隔直滤波放大器或带通滤波放大器不能获得完全准确的测量信号的问题，确保了在较高的直流偏置下获得没有畸变的较小测量信号，消除了测量信号中低频分量基线倾斜及其中起伏的影响，并实现了磁轴偏移和磁轴倾斜信号的分离，极大地提高了螺线管线圈磁轴的测量灵敏度，实际测试结果显示测量灵敏度提高约1个量级。
绝缘问题是高电压、高场强器件和设备中不可回避的问题，是决定器件、设备运行参数和稳定性的重要因素。针对一台直线感应加速器调试中出现的加速腔绝缘环在带束负载情况下的真空沿面闪络现象，进行了分析和研究。分析表明，在排除设计、材料、加工、洁净和真空度等常规异常因素后，导致绝缘环真空沿面闪络的可能因素是电子在绝缘环表面的吸附和累积，绝缘环上累积的电子来源和加速器中加速、传输的电子束的丢失有关。从加速腔工作状态出发，分析绝缘环表面积累电荷和丢失电子束的相关途径，进而提出相应的技术措施，以提高加速腔运行稳定性。
为了大幅度提高纯铌超导腔的品质因数，从而降低其使用功耗，选择对超导腔进行高温氮掺杂处理。立足国内外大型加速器的需求，中国科学院高能物理研究所首先开展了1.3 GHz 1-cell超导腔的研究，包括常规处理以及氮掺杂实验，并且对掺杂前后的结果进行了分析、对比。结果表明，通过掺氮，两只1.3 GHz 1-cell细晶粒纯铌超导腔的品质因数均获得了显著提升，同时在超导腔低温垂直测试中观察到了比较明显的反常的品质因数随加速梯度变化的曲线，即“anti-Q-slope”现象。
基于数字自激算法设计并实现的超导腔垂直测试系统提高了超导腔的垂直测试效率，为先进光源技术研发与测试平台（PAPS）的超导腔批量化生产提供了重要保障；垂直测试系统的射频前端和时钟分配系统采用了二次上下变频方案，可以在一定范围内灵活设置测试系统自激环路的工作频率，增大了该测试系统的工作带宽。利用此系统完成了1.3 GHz 9-cell超导腔的通带频率测试，结果表明，该测试系统能有效避免不同模式之间的串扰，具备较强的频率分辨能力（＜800 kHz），保证多单元超导腔性能验证的进行。
Ten Insert Devices (IDs) had been installed in the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) storage ring. The ID gaps were repeatedly adjusted for the scientific experiments during the user time. The residual quadrupole errors beyond the ID feedforward disturbed the beam optics, including the betatron tune deviations that spoiled machine performance and brightness stability. A tune feedback system was developed and implemented in the SSRF storage ring to resolve the deterioration. The tune stability of ±0.001 in 2 weeks was reached. Another important function of this feedback system is finding out slow drift in the power supplies of dipole or quadrupole by observing the correction current changes in the feedback. To prove this feedback’s feasibility, we compared variations of the beam parameters, including the injection efficiency, the beam life-time, the horizontal beam size and the beta-beatings.
针对质子治疗装置中主环动态电源多平台能量的引出需求，研制了基于开源平台的高速实时动态电源控制系统，该控制系统以开源平台Beaglebone作为顶层硬件接口，以现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为核心的控制器作为底层硬件接口，采用分布式的实验物理及工业控制系统（EPICS）进行远程控制。该系统可实时传输任意动态电源的输出参考电流波形数据，并结合定时系统与联锁系统，控制动态电源按预设电流波形进行输出，并实现多平台能量的引出。实验结果显示该控制系统能实现每秒最高十万条指令传输，百万次数据传输零误码率。同时，该系统结构灵活、扩展性强，可作为通用控制平台。
为实现激光束对空域的有效扫描和探测，研究了栅形扫描、李萨茹形扫描、螺旋形扫描和六边形扫描四种常见的激光雷达扫描方式，推导了相应的扫描方程，讨论了参数的物理意义及调整方法；重点研究了栅形扫描和六边形扫描方式下光斑的分布情况，通过仿真分析了两种扫描方式下光束的漏扫率和重叠率，结果表明，在相同扫描条件下六边形扫描方式的漏扫区域最少。展示了基于上述研究内容的扫描控制系统实物图及扫描图案。分析总结了四种扫描方式的特点，给出了每种扫描方式的适用情况及使用建议。
采用自由基浓度起伏理论并考虑光镊集聚效应，理论研究了飞秒激光双光子聚合多次快速扫描的线宽问题。根据双光子光聚合过程中自由基浓度随时间变化的关系，考虑光镊力及自由扩散效应对自由基分布的影响，得到了多次快速扫描加工线宽的表达式。研究了多次扫描过程中产生自由基浓度随扫描次数的变化、双光子聚合加工不同扫描次数下加工线宽随激光功率的变化、多次扫描过程中间隔时间对于加工线宽的影响。多次扫描的线宽表达式可以直接回归至单次扫描的一般公式，且理论结果与文献中实验加工线宽相吻合，两者误差在2%。控制扫描间隔时间，减少自由基的向外扩散运动以及被树脂材料内大分子猝灭，使得活性自由基的分布更为集中，可以获得更小的加工线宽。研究结果为飞秒激光双光子更小线宽加工的研究提供了新的思路，为飞秒激光多次快速扫描加工提供了理论依据。
为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数，并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础，在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源，测量了成像分辨率、光通量，获得了短脉冲背光源的辐射特性，进一步成功演示了基于这种短脉冲背光照相技术的间接驱动快点火预压缩密度诊断。实验所得图像与模拟图像结构一致，实测压缩过程中的面密度达到50 mg/cm2。实验还发现了压缩不对称引起的流体不稳定性特征，为后续实验提供了改进方向。
首先通过理论分析确定影响多注电子束引入效率的主要因素，确定初步的结构参数；其次利用三维粒子模拟软件建立Ka波段相对论多注二极管模型进行仿真优化，使电子束引入效率达到89%；并开展了电子束的产生与传输实验研究，验证了粒子模拟仿真结果。在电子束电压502 kV、束流4.34 kA、轴向磁感应强度0.76 T的条件下，电子束引入效率达到了72%，由电子束轰击尼龙靶材获得的电子束束斑图表明，电子束在产生与传输过程中形状未发生畸变，产生的电子束直径约为2 mm。模拟和实验研究验证了设计的强流多注二极管可以产生高品质的电子束和实现高效率的电子束引入。
针对行波管更高工作频率和更大输出功率的发展需要，提出了一种半矩形环螺旋线慢波结构。基于三维电磁仿真软件HFSS的模拟研究表明：调控慢波结构的尺寸可以获得合适的色散特性和互作用阻抗，与现有技术的半圆环螺旋线慢波结构相比较，半矩形环螺旋线慢波结构的色散变化很小，但是具有更高的互作用阻抗值。新结构具有平坦色散、高互作用阻抗、与微细加工技术相兼容以及方便与带状电子束互作用的综合优点。
针对复杂电磁环境下器件多物理效应机理研究需求，研发了半导体多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-Device。介绍了JEMS-CDS-Device的架构设计与实现技术。程序基于非结构网格并行框架JAUMIN实现，采用有限体积法（FVM）离散，使用牛顿法全耦合求解“电-载流子输运-热”问题。程序采用“内核＋算法库”形式架构，支持2维和3维非结构网格、千万自由度问题并行求解，支持物理方程、离散算法、材料物理模型等的扩展开发。
采用电磁仿真技术，提前评估PCB的电磁兼容设计是否合理，当对PCB进行电磁兼容测试时，减少其电磁干扰不满足GMW 3097标准的情况出现。首先对PCB进行3D电磁场仿真，再与高速串行计算机扩展总线标准模块内芯片的通用模拟电路仿真模型的电路仿真动态链接，进行场路协同仿真。实验验证表明，该仿真方法的精度在6 dBμV之内，满足PCB加工工艺的误差和实验测试的不确定度，符合仿真精度要求。通过该仿真方法评估PCB的电磁干扰强度以及优化PCB的设计，将高速串行计算机扩展总线标准模块上的33 Ω电阻替换为磁珠后，该PCB在1.6 GHz处的电磁干扰强度降低了13.4 dB。根据CISPR 25标准规定的1-m法进行测试，PCB的电磁干扰变为−3.4 dBμV，低于GMW 3097标准要求，从而验证了该措施的有效性。
利用CFBR-Ⅱ快中子反应堆（中国第二座快中子脉冲堆）和60Co装置开展不同顺序的中子/γ辐照双极晶体管的实验。在集电极-发射极电压恒定条件下，测量了双极晶体管电流增益随集电极电流的变化曲线，研究不同顺序中子/γ辐照对双极晶体管电流增益的影响。分析实验结果发现，集电极-发射极电压一定时，集电极电流极低情况下电流增益退化比较大，随集电极电流增加电流增益逐渐减小；就实验选中的两类晶体管而言，先中子后γ辐照造成双极晶体管电流增益的退化程度大于先γ后中子辐照，而且PNP型晶体管比NPN型晶体管差异更明显。本文进行了双极晶体管电离/位移协同辐照效应相关机理的初步探讨。
利用自行研制的纳秒脉冲实验平台（输出脉冲前沿30 ns，半宽百纳秒）和标准介电强度测试仪，对变压器油、甘油、去离子水、Galden HT200四种液体绝缘介质在直流与纳秒脉冲下的击穿特性进行了实验研究与结果比对，结果表明：在直流与纳秒脉冲下，Galden HT200均具有最高的击穿场强，且两种情况下均比变压器油高出40%以上；纳秒脉冲下，Galden HT200与变压器油的击穿场强均提高6.5～7倍，Galden HT200击穿过程耗时最短（ns量级），其次是变压器油（20 ns），然后依次为甘油（45 ns）和去离子水（70 ns）；多次放电后，粘度系数最大的甘油更易在电极间隙处聚集碳化放电产物，粘度系数较小的Galden HT200和去离子水则无明显痕迹，但二者放电过程会产生明显的冲击波，多次放电后易造成间隙电极松动。
基于相应的数学模型来表征液电脉冲激波的产生和传播过程，搭建了液电式碎岩综合试验平台，分析了典型的激波特性的仿真和实测结果。给出了不同充电电压下液电脉冲激波特性的仿真结果，并分析了充电电压对激波特性的影响。结果表明：充电电压为11 kV时，激波的压力峰值为2.67 MPa，激波能量为27.30 J，波前时间为2.16 μs，激波加载速率为1.24 MPa/μs，电能转化为激波能量的效率为13.35%；提高电容充电电压，激波压力峰值和激波能量增大，波前时间减少，激波加载速率增加，但电能转化为激波能量的效率降低。利用建模分析的方法，可以根据放电回路参数预测液电脉冲激波特性，从而为进一步研究激波破碎岩石的形态和效果提供理论依据。
为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线，开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源，放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算，得到了会切磁场分布，验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题，对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体，阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构，并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s，最大弧放电电流达到1000 A。
针对200 L核废物桶分段γ扫描（SGS）过程中的效率刻度问题，提出了一种效率刻度函数模型，采用MCNP程序计算不同基质密度和γ射线能量条件下的离散断层效率，经过多元非线性回归获取函数参数，从而建立效率刻度函数，实现核废物桶SGS断层效率刻度。对核废物桶样品进行实验分析，结果表明：对于桶内基质分别为密度0.310 g·cm−3的硅酸铝、密度0.595 g·cm−3的木质纤维，桶内核素分别为活度3.110×105 Bq的点源137Cs、活度1.371×105 Bq的点源60Co，在桶内仅有单个点源存在的核素分布极端不均匀情况下，桶内核素活度重建误差在−37.68%～31.52%范围内。本文的方法能够准确有效实现核废物桶SGS断层效率矩阵计算，并确定核废物桶内放射性核素活度，满足实际检测要求。
