CN104597476A - 一种加速器粒子束流截面实时诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速器粒子束流截面实时诊断系统。本系统包括一光学成像系统和一图像数据采集分析系统，在靶体前窗设有一荧光材料涂层；光学成像系统包括位于辐射区的离轴反射镜(2)、通光孔(3)、硅窗(4)、反射镜(5)、聚焦成像透镜组(6)，其中，离轴反射镜(2)用于将荧光材料涂层发出的荧光离轴反射进入通光孔(3)，通光孔(3)的出光端与硅窗(4)密封连接，反射镜(5)将硅窗(4)出射的光线反射到聚焦成像透镜组(6)；所述聚焦成像透镜组(6)将光线耦合输出到位于辐射区外的图像数据采集分析系统。本系统能对距离打靶位置2cm范围的离子束流进行在线诊断，可用于实时监测近靶区域内打靶状况和束流横向截面分布。

Description

一种加速器粒子束流截面实时诊断系统

技术领域

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

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。

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。

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1mm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

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。

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。球面反射镜对荧光靶面离轴反射成像，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。

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。

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。

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。

光学成像系统包括金属离轴球面反射镜、通光孔、硅窗、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，位于辐射安全区域外。

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。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

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。

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。

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0.25mm，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1mm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。

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，耐辐照要求更高。

附图说明

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：

图1是传统荧光屏束截面检测系统图；

图2是本发明的工作原理和光路示意图；其中，1为荧光材料涂层，2为球面反射镜，3为通光孔，4为硅窗，5为平面反射镜，6为透镜组，7为抗辐照光纤，8为光纤中继器，9为相机系统，10为本地PC机；

图3是用于说明本系统相对位置的坐标示意图；

图4是荧光材料的主要激发谱图；

图5是成像透镜组的结构设计图；其中，61为双凸透镜，62为弯月透镜，63为镜筒，64为柱透镜，65为双凸透镜，66为光纤接口；

图6是光纤中继器的结构设计图。其中，81为镜筒，82为滤光片，83为平凸透镜，84为弯月透镜，85为双胶合透镜，86为光纤接口。

具体实施方式

本发明在研制过程中包括样机和正式系统两套，样机系统用于原理和光路调试方法研究，正式系统用于打靶束流的诊断。结合样机、正式系统的功能和附图，对系统的实施步骤做具体说明如下：

靶体前窗与质子束窗之间的质子束通道长1987mm，通道上方为厚重的钢筋+水泥屏蔽块。距离质子束窗中心1045mm左右的高度上有一个屏蔽块间隙，该间隙空间高约220mm，水平面内为半径约338mm的圆形区域，主要用于布置靶站的各类管道。间隙空间向上继续是厚重的钢筋+水泥屏蔽块，以及预埋的管道。根据靶站的这些结构特点，对本发明的硬件设备做如下位置、尺寸等设计和加工：

本发明的系统如附图2所示，一定厚度、一定浓度掺杂的Cr：Al₂O₃(或其他类型)荧光材料均匀喷涂在靶体前窗(本发明中发光材料厚为0.25mm，Cr：Al₂O₃掺杂比例为1.5％)，根据入射束流的设计尺寸，荧光材料涂层1的最小喷涂面积为160mm×60mm。高功率质子束入射靶体设备打靶，在靶体前窗上的材料涂层1中沉积能量，材料1中的发光中心受激发生能级跃迁，发出荧光。发光强度分布与入射束流的横向分布相关，这是束流截面参数成像探测的基础。Cr：Al₂O₃荧光材料1激发光谱分布如图4中所示，主要为694nm波段，该值设定为系统的中心工作波段，带宽20nm。

参考附图3的系统坐标示意，以荧光材料靶面中心为坐标原点，在与束流入射相反的方向上，水平距离靶体前端面1987mm位置处为第一面金属球面反射镜2(y轴坐标为-1987mm)，反射镜2的中心点在竖直平面内水平方向偏移质子束流中心93mm(x轴坐标为-93mm)、竖直方向偏移束流中心线40mm(z轴坐标为40mm)。球面反射镜2通过螺母固定在质子束窗上，可以实现水平方向的位置微调和镜面俯仰角度的调节。为保证在高辐照条件下稳定工作，反射镜表面不做镀膜处理，采用钼金属加工而成，也可以考虑采用铝金属。

反射镜2将材料涂层1发出的荧光离轴反射进入通光孔3，光线透射过通光孔3顶部的熔融石英硅窗4，到达质子束窗上部屏蔽块间隙。其中，通光孔直径25mm，长约1m。熔融石英硅窗4厚8mm，能承受最大工作压差1atm。考虑上部屏蔽块间隙的空间受限，系统采用了金属平面反射镜5将出射的光线水平反射到透镜组6进行聚焦成像，像斑尺寸约1mm；平面反射镜5可以进行角度的微调。透镜组6会聚光线所成的像投射到镜筒后端的光纤端面上，耦合进入光纤传像束7，经光纤7传输到末端辐射安全区域，光纤中继器8将像斑耦合进入工业相机9中。

其中，成像透镜组6的结构如附图5所示，由双凸透镜61、弯月透镜62、柱透镜64、双凸透镜65组成，封装在铝制的镜筒63内。柱透镜64可以进行角度的微调，表面未镀增透膜，镜筒63通过螺纹接口固定在平面反射镜5的镜座上。光纤7采用日本滕仓公司生产的FIGR-20标准抗辐照系列，长度约15m，一端位于高辐射区的屏蔽块间隙，一端位于辐射安全区域。

光纤7与成像透镜组6的接口根据SMA905和光纤端口尺寸设计加工，光纤另一端接口中继器8依次由滤光片82、平凸透镜83、弯月透镜84、双胶合透镜85组成，表面镀增透膜，滤光片82一端直接与工业相机9相连。滤光片82的使用，有效的消除了系统光学色差，一定程度上改进了系统的成像质量。

光纤前端成像系统的设计指标如下：

工作波长：684nm～704nm

物面尺寸：160mm×60mm

物距：1987mm

像高：1mm左右

各镜面的曲率半径等面形参数均根据以上描述的光路尺寸和要求利用zemax软件设计，经制图和加工后得到系统实物，镜面的主要参数如下(单位mm)：

中继器8的结构如图6所示，设计技术指标如下：

相对口径F/#：2.25

焦距：5.96mm

放大率：-0.165

工作波长：684nm～704nm

中继器的系统参数等根据后端所采用的工业相机靶面尺寸和接口规格、前端光纤接口规格设计，经制图加工后得到中继器实物，无市场成品可买，各镜面主要参数描述如下(单位mm)：

本地和主控室计算机可以通过areaDetector软件和网线控制相机9的曝光时间、触发延迟时间、数据采集和保存帧率等，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。工业相机9对光纤7及中继器8输出的光信号曝光并采集图像信号后，通过网线传输到本地计算机10，通过EPICS的网络数据库平台，即可进行图像信息的共享。其他客户端可以根据显示的结果实时了解加速器束流打靶的状态，对装置的运行状态进行评估和分析，以及根据需要及时调整加速器束流状态。

Claims (9)

1.一种加速器粒子束流截面实时诊断系统，其特征在于，包括一光学成像系统和一图像数据采集分析系统，在靶体前窗设有一荧光材料涂层；所述光学成像系统包括位于辐射区的离轴反射镜(2)、通光孔(3)、硅窗(4)、反射镜(5)、聚焦成像透镜组(6)，其中，离轴反射镜(2)用于将荧光材料涂层发出的荧光离轴反射进入通光孔(3)，通光孔(3)的出光端与硅窗(4)密封连接，反射镜(5)将硅窗(4)出射的光线反射到聚焦成像透镜组(6)；所述聚焦成像透镜组(6)将光线耦合输出到位于辐射区外的所述图像数据采集分析系统。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述聚焦成像透镜组(6)通过一光纤连接器与一防辐照光纤传像束(7)连接，该防辐照光纤传像束(7)另一端与位于辐射区外的一光纤中继器(8)连接，该光纤中继器(8)将光线耦合到所述图像数据采集分析系统。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述聚焦成像透镜组(6)包括依次排列的双凸透镜(61)、弯月透镜(62)、柱透镜(64)和双凸透镜(65)。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光纤中继器(8)包括依次排列的滤光片(82)、平凸透镜(83)、弯月透镜(84)、双胶合透镜(85)。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述离轴反射镜(2)固定在质子束窗上，水平方向和镜面俯仰角可调。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述荧光材料涂层为均匀喷涂在靶体前窗的Cr：Al₂O₃。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述荧光材料涂层厚为0.25mm，Cr：Al₂O₃掺杂比例为1.5％。

8.如权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于，所述反射镜(5)为金属平面反射镜；所述离轴反射镜(2)为金属球面反射镜。

9.如权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于，所述硅窗(4)位于质子束窗上部屏蔽块间隙处；所述聚焦成像透镜组(6)封装于一金属消光镜筒(63)内且固定在所述反射镜(5)的镜座上。