【摘要】：作為診斷高能量密度物質(zhì)的備選方法之一,高能電子成像(HEER)技術(shù)近年來已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。為了實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)流重離子裝置上的高能量密度物理研究的診斷,中科院近代物理研究所決定建設(shè)國際上首個HEER實(shí)驗(yàn)專用平臺。該平臺的核心是一臺電子直線加速器(LINAC),其特色是包含有兩個不同類型的電子槍——熱陰極微波電子槍和光陰極微波電子槍,其中熱陰極工作模式用于靜態(tài)厚靶物質(zhì)診斷研究而光陰極工作模式用于4D動態(tài)成像研究。論文采用ASTRA、Elegant和GPT等軟件對兩種注入模式下的電子加速器束流動力學(xué)進(jìn)行模擬和優(yōu)化,完成了用于HEER研究的電子直線加速器的設(shè)計(jì)和束流動力學(xué)分析�；跓彡帢O的LINAC由熱陰極微波電子槍、α磁鐵和行波加速管等元件組成,其設(shè)計(jì)目標(biāo)是產(chǎn)生強(qiáng)流、低能散和短脈沖電子束。作為脈沖長度壓縮和能量篩選的關(guān)鍵元件,論文對α磁鐵設(shè)計(jì)、模型磁場分布和測磁結(jié)果分別進(jìn)行了分析,對空間電荷力作用下的電子束在三維α磁鐵模型中的傳輸進(jìn)行了模擬,并對束流進(jìn)入角度進(jìn)行了優(yōu)化以減弱鏡板開孔引起的磁場畸變對束流傳輸?shù)挠绊�。模擬分析了強(qiáng)流電子束在α磁鐵中的傳輸過程以及多束團(tuán)傳輸時束流之間相互作用,利用四極磁鐵對進(jìn)入α磁鐵的束流進(jìn)行匹配以優(yōu)化α磁鐵出口束流參數(shù)。在α磁鐵束流傳輸研究的基礎(chǔ)上,對熱陰極注入模式下LINAC的設(shè)計(jì)和束流動力學(xué)進(jìn)行了研究,對LINAC進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。此外,對束流在電子槍出口到加速管入口的傳輸段中的空間電荷效應(yīng)進(jìn)行了分析,對LINAC參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化后,該LINAC可以提供能量約50 MeV,束團(tuán)電荷量達(dá)到150 pC,能散低至0.085%的短脈沖電子束。對LINAC進(jìn)行了初步調(diào)試,初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。最后,對光陰極注入模式下LINAC的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究。對兩種不同縱向分布的激光束下的LINAC參數(shù)分別進(jìn)行了模擬與優(yōu)化,對比分析了不同激光束下束流的特點(diǎn)。在該LINAC中提出使用雙發(fā)射度補(bǔ)償線圈的方式進(jìn)一步優(yōu)化束流發(fā)射度。在平頂激光束的模擬中發(fā)現(xiàn),當(dāng)束團(tuán)電荷量為0.4 nC時可以獲得能散為0.08%、發(fā)射度為0.88πmm?mrad的電子束,可以用于薄靶診斷時空間分辨能力提高的研究。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院近代物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL53
【圖文】：

高能量密度物質(zhì)（High EnergyDensityMatters，HEDM）通常是指能量 1011J/m3、壓力超過 1MPa 的極端條件下的物質(zhì)[1]。近年來，高能量密High Energy Density Physics，HEDP）的研究引起越來越多科學(xué)家的關(guān)該研究領(lǐng)域與慣性約束聚變，材料物理，粒子加速器等研究領(lǐng)域有明顯交極其重要的科學(xué)意義[2]。HEDP 研究可以促進(jìn)天體物理、等離子體物理物理的研究，包括美國、德國以及中國等在內(nèi)的多個國家都在積極地開究[3]。在實(shí)驗(yàn)室中，有多種方法可以產(chǎn)生 HEDM，如采用高功率激光驅(qū)動、高子束打靶或 Z-pinch 驅(qū)動等方式，其中主流的方法是采用高功率激光[6][7]。美國的核爆模擬、核聚變點(diǎn)燃研究裝置 National IgnitionFacility（N圖 1.1）采用高功率激光驅(qū)動的方式產(chǎn)生 HEDM，但首次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)未能失敗的主要原因是對狀態(tài)變化過程的診斷缺乏有效的手段，靶丸壓縮過斷。

用于高能電子成像的電子直線加速器束流動力學(xué)研究中國科學(xué)院近代物理研究所（Institute of Modern Physics（IMP），ChineseAcademyofSciences（CAS））承擔(dān)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——強(qiáng)流重離子加速裝置HIAF（High Intensityheavy-ionAcceleratorFacility）（如圖 1.2），可以產(chǎn)生高流強(qiáng)、高能量、高束流功率的重離子束，可以為 HEDM 的產(chǎn)生提供所需的強(qiáng)流重離子束[10]。HIAF 裝置中一個重要的實(shí)驗(yàn)終端就是產(chǎn)生 HEDM，以研究慣性約束聚變中燃料靶核的壓縮過程。在實(shí)驗(yàn)中，需要實(shí)時反饋靶核信息，對物質(zhì)狀態(tài)變化過程進(jìn)行實(shí)時成像診斷，對診斷方式提出了新的要求[11][12][13]。

第 1 章 引言2016 年，IMP、THU 和 ANL 在清華大學(xué)再次進(jìn)行了 HEER 實(shí)驗(yàn)，此次實(shí)驗(yàn)采用專門設(shè)計(jì)的成像束線，成像時束線布局如圖 1.4 所示[38]。利用狹縫對電子束進(jìn)行了篩選以提高空間分辨能力，得到空間分辨達(dá)到約 6 m 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并首次在 HEER 中觀測到暗場成像[39]。此外，這次試驗(yàn)還對毫米量級的物質(zhì)進(jìn)行了成像診斷，驗(yàn)證了 HEER 在 HEDM 診斷中的可行性。同時，國內(nèi)其他單位也在進(jìn)行 HEER 相關(guān)研究，并取得了一定成果[40]。

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本文編號：2778387