束流收集器

初級束流收集器是ISOL靶室系統(tǒng)的重要部件。它位于靶的后方，主要作用是對回旋加速器注入進(jìn)靶室的剩余束流進(jìn)行收集，并在靶被打穿的極端情況下，對束流進(jìn)行收集以確保系統(tǒng)其他部件不受損害。收集器采用高熔點(diǎn)的材料作為接受束流轟擊的部分，利用高導(dǎo)熱性的銅基將熱量傳遞給水冷系統(tǒng)。中心區(qū)域采用錐面以增大束流的分布面積。本工作對收集器的主要部分進(jìn)行了熱分析計算。計算假定注入束流為100MeV的質(zhì)子束，總功率20kW，束流分布滿足σ=5mm的正態(tài)分布。計算中考慮了質(zhì)子在鎢靶不同深度能量沉積的布拉格效應(yīng)。通過銅基和冷卻水之間的流體動力學(xué)模擬，在冷卻水流速<5m/s，冷卻水管分布在距離束流中心約100mm時，水管壁的溫度約110?C。收集器中心接受束流轟擊的部分采用φ30mm的鎢芯時中心區(qū)域的溫度分布示，其中心最高溫度2215?C(2485K)，遠(yuǎn)低于鎢的熔點(diǎn)3680?C。此時，銅基部分最高溫度為677?C(950K)，同樣低于銅的熔點(diǎn)1054?C。從溫度分布計算結(jié)果來看，束流收集器的結(jié)構(gòu)方案是可行的。

束流位置信息是控制束流軌道的必要參數(shù)，它對環(huán)的閉軌校正等物理過程具有重要作用。中科院高能所為研究強(qiáng)流束的束流損失問題，在"973計劃"支持下建立了973-RFQ束流測量線整個束流測量線共有6個BPM。為了控制束流軌道，實(shí)時監(jiān)測束流位置狀態(tài)，需要對此6個BPM制作一套束流位置讀出系統(tǒng)，將束流位置信息實(shí)時顯示。制作完成的系統(tǒng)將移植到中國散裂中子源(CSNS)的束流位置測量系統(tǒng)中。

公司的對數(shù)比處理模塊，輸出束流水平、垂直方向的位置信號X、Y各6路，和信號的對數(shù)和(SUM)共3路，因此制作的束流位置讀出系統(tǒng)需要讀出此15路信號。X、Y和SUM信號都是脈寬為50~1200μs，重復(fù)頻率為1~125Hz，幅值動態(tài)范圍為±2V的脈沖信號。

1.系統(tǒng)布局

該系統(tǒng)用來采集X、Y、SUM信號到軟件數(shù)據(jù)庫中。CSNS工程的控制系統(tǒng)是基于EPICS(ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSys-tem，實(shí)驗(yàn)物理和工業(yè)控制系統(tǒng))的，所以973-RFQ的BPM信號采集系統(tǒng)也采用EPICS作為軟件平臺，便于移植。EPICS是用來開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)的一組軟件工具，它的基本組成部分為OPI(操作員接口)層---采用UNIX、Linux等操作系統(tǒng)的工作站，運(yùn)行各種EPICS工具;IOC(輸入輸出控制器)層---一般采用VME/VXI系統(tǒng)，包括機(jī)箱、處理器和各種I/O插件;網(wǎng)絡(luò)通訊模塊層(通道訪問CA)---為IOCs和OPIs提供基于TCP/IP協(xié)議的CA訪問通信，它提供CAClient和任意數(shù)目的CAServ-er之間的透明通信。

OPI采用了BEPCII工程的bepc21工作站，在Solaris操作系統(tǒng)下已安裝EPICS3.13.8開發(fā)環(huán)境，已有MEDM/EDM/StripTool(顯示界面繪制工具)、ChannelArchiver(歷史數(shù)據(jù)存檔工具)等豐富的OPI工具。IOC層選用了VME系統(tǒng)，由VME64x機(jī)箱，Motorola公司的MVME5100機(jī)箱控制器，Hytec公司的A/D卡、載板、信號轉(zhuǎn)接板組成。實(shí)驗(yàn)中采用PC機(jī)來遠(yuǎn)程訪問EPICS服務(wù)器和終端調(diào)試IOC。

2.硬件性能

選定各硬件產(chǎn)品的性能指標(biāo)如下:MVME5100---主頻450MHz;內(nèi)存512MB;運(yùn)行VxWorks5.4操作系統(tǒng)。A/D卡---型號為Hytec公司的ADC8411U;采樣頻率1Hz~100kHz可選，實(shí)驗(yàn)中選定100kHz;通道數(shù)16;分辨率16位;量程±5V;采樣時間2μs，轉(zhuǎn)換時間8μs;IP(In-dustrialPackage)結(jié)構(gòu)，需配合VME總線的載板使用。載板---型號為Hytec公司的VCB8002;VME64x標(biāo)準(zhǔn);支持IP接口，可以同時搭載4塊IP板;需配合信號后轉(zhuǎn)接板使用。信號后轉(zhuǎn)接板---型號為Hytec公司的VTB8307;VME64x標(biāo)準(zhǔn);有4個SCSI50路接口。信號連接線---DB15轉(zhuǎn)SCSI，一端是6個DB15口，一端是1個SCSI口。0.3IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)IOC層是EPICS控制系統(tǒng)中最重要的部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，IOC數(shù)據(jù)庫是IOC層的核心，它的基本單位是記錄(Record)，每個數(shù)據(jù)通道對應(yīng)一個記錄，這樣一個個的記錄就構(gòu)成了模塊化的IOC動態(tài)數(shù)據(jù)庫。在EPICS環(huán)境下，一個I/O設(shè)備的IOC實(shí)例開發(fā)包括兩部分內(nèi)容:主機(jī)上IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)及交叉編譯和IOC數(shù)據(jù)庫下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行。而IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)又包括Record(用戶應(yīng)用程序)、RecordSupport、DeviceSupport以及DeviceDriver的開發(fā)。

本系統(tǒng)的A/D卡和載板的RecordSup-port、DeviceSupport以及DeviceDriver都由生產(chǎn)廠家提供。實(shí)驗(yàn)中結(jié)合實(shí)際采集需求，在應(yīng)用環(huán)境下對它們進(jìn)行了刪減、編譯、調(diào)試，發(fā)現(xiàn)了A/D卡用戶手冊中2個缺少的內(nèi)容和A/D卡驅(qū)動程序中2個bug，進(jìn)行了修正及完善。整個IOC數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程包括以下內(nèi)容:

(1)運(yùn)行A/D卡和載板驅(qū)動于應(yīng)用環(huán)境下通過建立應(yīng)用目錄，修改Makefiles文件內(nèi)容，使用gmake命令編譯，并下載應(yīng)用到目標(biāo)機(jī)，使A/D卡和載板的驅(qū)動程序能在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題如下:AD卡對MVME5100來說有一個內(nèi)存偏移量，在設(shè)置載板的下載參數(shù)時應(yīng)將此參數(shù)設(shè)置上，否則MVME5100將讀不到A/D卡。A/D卡手冊上沒有寫明此內(nèi)容，給的驅(qū)動程序中也沒有定義此參數(shù)。后經(jīng)過跟廠商交流解決此問題，MVME5100讀到A/D卡。

(2)選定A/D卡工作模式并編寫應(yīng)用程序選定的A/D卡有2種工作模式:寄存器模式，觸發(fā)模式。根據(jù)BPM位置信息是脈沖信號特點(diǎn)，選定觸發(fā)工作模式，其工作過程為:當(dāng)A/D卡被觸發(fā)時，信號被A/D卡采集，經(jīng)過ADC變換被儲存到A/D卡的FIFO內(nèi)存中(每個通道有自己獨(dú)立的一個FIFO內(nèi)存，一次最多可存儲256個位的樣本);當(dāng)FIFO已滿時，就會產(chǎn)生一個中斷;之后FIFO保持不變直到它的值被完全讀取，才能進(jìn)行下一次的觸發(fā)。根據(jù)A/D卡驅(qū)動內(nèi)容編寫A/D卡數(shù)據(jù)讀出的應(yīng)用程序，用15個waveform記錄實(shí)現(xiàn)對15個BPM位置信號的讀出，其記錄掃描方式選為中斷掃描。將應(yīng)用程序下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題如下:只能讀取A/D卡1個通道采集到的數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)多通道讀取。通過跟廠商交流找出原因是由于A/D卡的固件程序中存在bug，返回廠商進(jìn)行修改。修改后發(fā)現(xiàn)問題:讀不到A/D卡所有通道的數(shù)據(jù);VME超級終端一直顯示FIFO已滿。通過閱讀A/D卡驅(qū)動程序找出原因是由于驅(qū)動程序中存在bug，沒有在中斷函數(shù)中使能waveform記錄開始讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)志變量。通過修改驅(qū)動程序?qū)⒋藛栴}解決。

(3)制定A/D卡觸發(fā)方案由于采集的信號為窄脈沖信號，實(shí)驗(yàn)中選定同步觸發(fā)方案進(jìn)行A/D卡采集，這樣每次都能將脈寬段信號采集到數(shù)組前端，便于舍去后面的無效點(diǎn)。

輸入同步觸發(fā)信號給A/D卡后，發(fā)現(xiàn)問題如下:實(shí)驗(yàn)中的A/D卡采用的是雙重使能觸發(fā)，先通過軟件啟動硬件，然后通過硬件輸入外觸發(fā)信號啟動采樣。廠商給的A/D卡用戶手冊中沒有寫明此內(nèi)容，導(dǎo)致沒有進(jìn)行軟件使能，輸入外觸發(fā)信號后，A/D卡不工作。通過閱讀驅(qū)動代碼，并與廠商進(jìn)行交流后，編寫了ARM使能程序，并在EPICS終端輸入ARM使能命令，解決此問題。

3.測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中用信號源模擬出一個脈寬為500μs、周期為40ms的窄脈沖信號進(jìn)行測試，并模擬出它的同步信號觸發(fā)A/D卡進(jìn)行采樣。測試得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。該信號采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對窄脈沖信號的100kHz同步觸發(fā)采樣(500μs脈寬內(nèi)50個采樣點(diǎn))。對脈寬內(nèi)數(shù)據(jù)求方差值，得到讀出系統(tǒng)分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于BPM全系統(tǒng)分辨的要求，符合設(shè)計要求。

實(shí)驗(yàn)中對A/D卡采集到的束流位置信號進(jìn)行了數(shù)值平均濾波，濾除噪聲影響，具體算法:將脈寬段內(nèi)數(shù)據(jù)去掉一個最大和一個最小值，對剩余數(shù)據(jù)求平均。信號采集系統(tǒng)采集到的X、Y信號是電平信號，單位為V;而束流位置x、y是距離，單位為mm;要將X、Y通過一個轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換成x、y。對于973-RFQ的束流而言，束流在真空管道中的一定范圍內(nèi)，此系數(shù)是一個常數(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用100mV=1mm進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這兩部分內(nèi)容通過添加在A/D卡的驅(qū)動程序中來實(shí)現(xiàn)。

該束流位置讀出系統(tǒng)采用了EPICS客戶端軟件EDM(擴(kuò)展顯示管理器)來制作用戶界面。共制作了2種不同的顯示界面來展示束流位置信息，一種是沿時間軸將每個束團(tuán)的位置信號繪制成波形動態(tài)顯示;另一種是在XY平面繪制束團(tuán)的動態(tài)位置。用該束流位置讀出系統(tǒng)對973-RFQ調(diào)試階段的頻率為1Hz、脈寬為50μs的束流位置信號進(jìn)行測量。由現(xiàn)場動態(tài)運(yùn)行結(jié)果看出，973-RFQ中束流位置基本狀態(tài)，波動很小。

束流收集器需能可靠地吸收電子束轟擊到其表面產(chǎn)生的能量，且能承受長時間工作所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，因此，采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱率好、熱膨脹系數(shù)小的銅制作束流收集器的內(nèi)筒，外筒采用不銹鋼制作，內(nèi)外筒之間為冷卻水通道，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。束流收集器內(nèi)表面采用倒圓錐結(jié)構(gòu)，使電子束在傳輸過程中逐漸被內(nèi)表面吸收，以擴(kuò)大束流收集器受到轟擊的面積，減小單位面積上的能量密度?？紤]到電子束傳輸和擴(kuò)散等因素，初步將收集器設(shè)計為入口直徑為160mm、長度為1.2m的倒圓錐。內(nèi)筒厚度為10mm，以阻止電子束穿透，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。收集器末端采用3個成120°的支撐柱對內(nèi)筒進(jìn)行支撐，在有足夠支撐強(qiáng)度的同時減小對冷卻水的阻力，出水口位于收集器的頂端，便于排除冷卻水中的氣泡，防止收集器局部過熱。

為防止電子束能量過于集中而損壞束流收集器，電子束在進(jìn)入束流收集器前需用四級磁鐵對其擴(kuò)束。電子束達(dá)到收集器內(nèi)表面時的束斑直徑為120mm，并且在傳輸過程中逐漸被內(nèi)表面吸收。通過束流光學(xué)模擬軟件，優(yōu)化四級磁鐵參數(shù)，并計算收集器上各位置沉積的電子數(shù)，得到收集器內(nèi)表面沿軸線的能量密度(P)分布曲線，如圖2所示。電子束橫向分布采用正態(tài)分布，電子集中在束團(tuán)中心，因此能量密度分布在收集器末端較大。計算中忽略了電子束轟擊到收集器內(nèi)表面產(chǎn)生二次電子和X射線而損失的能量，并直接將電子束能量考慮為熱量施加在收集器內(nèi)表面，不考慮電子束在材料中的穿透深度。通過優(yōu)化，將能量密度控制在100W/cm以內(nèi)，但在圓錐尖端出現(xiàn)峰值，達(dá)到130W/cm，這主要是圓錐尖端面積較小所致，由于能量并不高，該峰值在可接受范圍內(nèi)。

束流收集器水冷設(shè)計需防止收集器溫度過高導(dǎo)致冷卻水沸騰，沸騰產(chǎn)生的氣泡將使冷卻水與筒壁分離，在收集器壁形成熱點(diǎn)，從而使收集器溫度得不到有效控制。初步估算采用室溫(300K)的冷卻水在水流量為3.0k/s時，帶走由電子束轟擊產(chǎn)生的40kW熱量，溫升僅為3.2K。

使用流體力學(xué)模擬軟件Fluent對收集器水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，水流量為3.0kg/s，入口壓強(qiáng)為0.1MPa。冷卻水通道入口寬度為10mm，出口寬度為5mm，越靠近通道出口半徑越大，通道的截面積也越大，因此在冷卻水流動過程中，流速將逐漸減緩。冷卻水通道內(nèi)水流速度分布如圖3所示，入口處的水流速度為4.6m/s，在向出口流動過程中流速逐漸下降至1.2m/s。在水流過收集器內(nèi)筒末端時，被阻礙并分向四周形成水流速度較小的回流區(qū)，如圖3b、c所示，但該處未直接受到電子束轟擊，熱量來自于前端的熱傳導(dǎo)不會產(chǎn)生過熱。

經(jīng)過計算得到束流收集器內(nèi)筒靠近冷卻水表面的溫度分布和兩表面沿軸線的溫度分布，如圖4所示，收集器溫度從0.2m開始上升，在0.6m時達(dá)到平頂并一直延續(xù)到1.1m，與收集器上能量密度分布曲線相符合;在1.1m至末端區(qū)間，溫度迅速下降，與能量密度分布曲線趨勢相反。電子束能量主要沉積在收集器的0.6~1.1m范圍內(nèi)，末端雖然能量密度較高，但由于面積較小，能量沉積也較小，因此溫度較低。收集器兩表面之間的溫差隨溫度升高而增大，在收集器溫度最高處(355K)溫差最大，為10K?？拷鋮s水表面，最高溫度達(dá)到345K，遠(yuǎn)低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會出現(xiàn)熱點(diǎn)，能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

對FEL-THz束流收集器進(jìn)行了初步設(shè)計，收集器內(nèi)筒采用入口直徑160mm、長1.2m的倒圓錐結(jié)構(gòu)對電子束進(jìn)行吸收。采用室溫(300K)冷卻水對其進(jìn)行冷卻，冷卻水流量為3.0k/s，壓強(qiáng)為0.1MPa，可將收集器內(nèi)壁溫度冷卻至355K，遠(yuǎn)低于冷卻水的沸騰溫度，束流收集器不會出現(xiàn)熱點(diǎn)，能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，滿足高平均功率FEL-THz裝置的使用要求。

蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)由主環(huán)(CSRm)和實(shí)驗(yàn)環(huán)(CSRe)組成,每個環(huán)有一套電子冷卻裝置。電子冷卻是通過以相同平均速度運(yùn)動的離子束與強(qiáng)流電子束的庫侖碰撞將離子束的橫向振蕩與縱向振蕩能量轉(zhuǎn)移到電子束,從而降低儲存環(huán)中離子束橫向發(fā)射度和縱向動量散度、提高束流品質(zhì)目的的方法。CSRm電子冷卻裝置能夠提供能量低于35keV、最大流強(qiáng)3A的準(zhǔn)直性及單色性很好的電子束流,用于冷卻能量低于64MeV/u的重離子束。

CSRm電子冷卻裝置的冷卻作用使重離子束的橫向尺寸顯著縮小,為束流重復(fù)注入提供空間,從而實(shí)現(xiàn)重離子束流的累積。累積增益取決于電子冷卻過程的冷卻時間τ:其中,Qi和Ai為離子的電荷態(tài)和質(zhì)量數(shù),βi和γi為相對論因子,θi和θe為冷卻段內(nèi)離子束和電子束相對于儲存環(huán)真空管道中心軸的張角,ηec為冷卻段長度和儲存環(huán)周長的比值,je為電子束密度。裝置冷卻段內(nèi)離子束與電子束的相對位置決定了兩者之間的夾角,進(jìn)而影響束流的冷卻時間。據(jù)此,在CS-Rm的電子冷卻裝置上建立了用于同時測量電子束和離子束位置的測量系統(tǒng),測量各種校正線圈對電子束和離子束位置的影響,優(yōu)化裝置運(yùn)行中束流的相對位置,提高對重離子束的冷卻效率。

在電子冷卻裝置冷卻段兩端各裝有一套圓筒形束流位置探針,每套探針由4個彼此絕緣、電學(xué)特性相同的圓筒形極板組成。極板由半徑100mm、長度8mm和壁厚1mm的圓筒形不銹鋼材料沿對角面對稱切割而成,并按照相對于束流的上下左右關(guān)系對稱安裝在真空管道內(nèi)。因?yàn)闃O板為圓筒形且沿對角面對稱切開,所以有較大的感應(yīng)面積,感應(yīng)靈敏度高,線性度好。當(dāng)束團(tuán)通過時,極板可等效為一電流源,探針極板上產(chǎn)生感應(yīng)電荷,進(jìn)而產(chǎn)生極板對地的電壓,該電壓受帶電粒子與極板之間距離的影響:包括前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及電子束調(diào)制、離子束測量觸發(fā)、計算機(jī)(數(shù)據(jù)處理軟件)系統(tǒng)。前置放大器選用PET公司P/NAM-4A-000110-11030N型寬帶放大器,對探針極板感應(yīng)的弱信號進(jìn)行線性放大,之后送入60MS/s實(shí)時采樣率、12位垂直分辨率的PXI-51058通道高精度數(shù)字化儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、頻譜信號強(qiáng)度分析獲得束流位置信息。

由于容式位置探針只能感應(yīng)束團(tuán)信息,故不能測量直流電子束在極板上的感應(yīng)信號;而且冷卻過程中直螺線管冷卻段內(nèi)電子束與離子束同時存在,電子束和離子束流強(qiáng)相差3個量級,使得電子束和離子束團(tuán)感應(yīng)在極板上的信號疊加,時域信號分析不能得出電子束與離子束團(tuán)信息。為此,位置測量時需要對電子束進(jìn)行頻率調(diào)制,通過傅里葉變換將探針極板上感應(yīng)的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,頻譜中不同的頻率信號表示電子束、離子束團(tuán)的不同感應(yīng)信號。調(diào)制方法是在電子槍端對電子束發(fā)射控制極電源進(jìn)行頻率調(diào)制,調(diào)制頻率要求區(qū)別于離子束團(tuán)的回旋頻率,以便于后期分析頻譜信號。根據(jù)離子束團(tuán)在CSRm回旋頻率范圍為0.2-1.6MHz的條件,系統(tǒng)選擇由外部信號源提供的頻率為3MHz的正弦信號作為調(diào)制信號。頻譜分析時3MHz頻率信號為電子束感應(yīng)信號,相應(yīng)能量的離子回旋頻率信號為離子束團(tuán)感應(yīng)信號。針對各極板上束流頻率信號強(qiáng)度,按照公式(3)和(4)獲得束流位置信息。為了防止電子槍端35kV高壓對調(diào)制信號的電磁干擾,外部調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)光纖傳送至調(diào)制模塊。

離子束測量觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)信號使用儲存環(huán)加速腔產(chǎn)生的回旋頻率信號或者加速器事例觸發(fā)系統(tǒng)提供的事例觸發(fā)脈沖,觸發(fā)脈沖經(jīng)光纖傳送至高精度數(shù)據(jù)采集卡觸發(fā)數(shù)據(jù)采集,以保證離子束團(tuán)位置測量同步。

由于位置探針已安裝于電子冷卻段真空管道內(nèi),系統(tǒng)不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室離線測試,為了檢查測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,需要進(jìn)行電子束校正線圈偏移能力的在線測試。校正線圈是沿電子束運(yùn)動方向安裝在電子束真空管道四周的22組線圈,參數(shù)不同的線圈對電子束有不同的偏移能力。其中4組線圈(CX1,CX2,CY1,CY2)在電子槍區(qū)域?qū)﹄娮邮M(jìn)行偏移;6組線圈(CX3,CX4,CX5,CY3,CY4,CY5)在電子槍端彎曲螺線管區(qū)域?qū)﹄娮邮M(jìn)行偏移;2組線圈(CX6,CY6)在直螺線管冷卻段區(qū)域?qū)﹄娮邮M(jìn)行偏移;CX表示電子束水平方向的線圈,CY表示電子束垂直方向的線圈。

測量系統(tǒng)測量線圈在不同電流下電子束的位置,進(jìn)而統(tǒng)計、擬合獲得相應(yīng)線圈的實(shí)驗(yàn)偏移能力。通過比較線圈理論偏移能力和實(shí)驗(yàn)偏移能力的差別,判斷測量系統(tǒng)位置測量的準(zhǔn)確性。圖4給出了電子束水平(a)和垂直方向(b)的線圈CX6和CY6在不同電流下電子束位置測量和偏移能力線性擬合結(jié)果。表1給出了部分校正線圈理論偏移能力、實(shí)驗(yàn)偏移能力和它們的偏差量。結(jié)果表明,線圈理論偏移能力和實(shí)驗(yàn)偏移能力差別小于0.5mm/A,即測量系統(tǒng)有較好的位置測量準(zhǔn)確性。

離子束在7-25-175MeV/u的加速過程中一個注入、累積、加速周期流強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖。首先離子在7.0MeV/u經(jīng)過持續(xù)9.5s的注入冷卻累積至110μA;接著進(jìn)行高頻捕獲(a點(diǎn))、第一次加速,離子束能量提高到25MeV/u,流強(qiáng)達(dá)到180μA;然后進(jìn)行第二次高頻捕獲(b點(diǎn))、加速,12.5s時刻加速結(jié)束(c點(diǎn)),這時離子束能量提高到175MeV/u,流強(qiáng)達(dá)到400μA;最后束流儲存2s后慢引出。每個周期中離子束在高頻捕獲、加速過程中,離子束團(tuán)回旋頻率改變,探針極板上感應(yīng)信號頻譜發(fā)生改變,位置信息可獲得。電子束感應(yīng)信號在3MHz調(diào)制頻率有類似頻譜信號,電子束位置信息也可獲得。X表示水平方向,Y表示垂直方向。

可知,在電子冷卻裝置4m長的冷卻段內(nèi)電子束與離子束存在夾角,水平方向電子束與離子束夾角為0.825mrad,垂直方向電子束與離子束夾角為1.025mrad,垂直方向離子束比電子束低大約11mm(如圖6所示)。由于電子束在冷卻段內(nèi)的直徑為59mm,電子束能夠包裹離子束,這時電子束對離子束仍有高的冷卻效率。當(dāng)然,通過電子冷卻裝置內(nèi)的校正線圈以及儲存環(huán)內(nèi)的校正磁鐵可分別對電子束和離子束進(jìn)行位置調(diào)節(jié),最終使得離子束與電子束相互平行且束流中心位置重合。