强激光与加速器

强激光与加速器 基础和应用基础研究?强激光与加速器 165 强激光与加速器 FROG紫外单次自相关仪的调研 徐永生 由于普通时域内的自相关测量只能给出脉宽等有限的信息，不能给出光强和相位在时域和频域内的分布，而传统紫外测量方法就是基于双光子过程的自相关测量;且由于自相关测量缺乏足够的独立性，要求仔细检查光谱的响应、信号光强与入射光强的相关性，以避免自相关曲线的扭曲，测量过程中紫外光引起的材料的高阶色散使测量过程可能会严重扭曲脉冲。因此，必须用一种新的方法测量紫外超短脉冲。 FROG方法能够测量多种类型的超短脉冲，它是Frequency-Resolved Optical Gating的简称，即频率分辨光学开关，其基本原理是测量瞬时频率作为时间函数的二维谱图，然后用迭代的方法从谱图中还原脉冲的电场分布，从而获得该脉冲的强度和相位信息。FROG测量仅需对脉冲进行非线性频率分辨，因而可全面描绘紫外光脉冲。它分为硬件部分(图1)和软件部分(图2)，即FROG光路设备和FROG还原程序。它有如下优点:1)能够显示脉冲结构;2)能够为激光系统的调节提供反馈;3)能够测量很短的脉冲;4)能够区分不同的物理过程;5)能够测量超宽带的复杂脉冲。因而，FROG能够对物理过程复杂的紫外脉冲进行测量。 图1 FROG紫外单次自相关仪设计示意图 FROG测量方法有如下几种:1)二次谐波产生法(SHG FROG);2)三次谐波产生法(THG FROG);3)瞬态光栅法(TG FROG);4)偏振开关法(PG FROG);5)自衍射法(SD FROG)。在这些方法中，TG FROG和SD FROG均适用于紫外激光的测量，但TG需三束激光，不适用于单次测量，SD只需两束激光，适用于紫外单次测量。单次FROG测量方法较多次测量省时、省材料，调节简单、省力，能获得单个脉冲的参数。紫外单次SD FROG测量所需的光学元件包括:1)利用空间滤波器使光束空间分布均匀;2)非线性材料利用熔石英薄片;3)为了不引入材料色散，利用中间有斜缝的反射镜分束;4)利用柱面镜将脉冲的各分束进行线聚焦;5)利用带有CCD相机的成像光谱仪记录FROG图谱;6)用一 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 具产生双脉冲标定CCD。 166 中国原子能科学研究院年报 2006 图2 FROG算法示意图 FROG算法中有两个约束条件:1)FROG数学形式限制;2)FROG实验数据限制。计算过程中，通过分布傅里叶变换的方法来回在两个限制中循环，直到得到符合误差要求的解，其解是惟一的。 紫外单次FROG自相关仪硬件部分容易得到，软件部分可由程序代码从Femtosoft Technolo- gies公司获得，因而搭建此测量设备是现实可行的，且是经济的。 飞秒超短脉冲激光的三倍频 徐永生 KrF准分子激光放大器LLG50需波长为248.5 nm的入射种子光，对TSA飞秒前端输出能量为,10 mJ、波长,746 nm、带宽,12 nm、脉宽,100 fs的激光进行三倍频。为使三倍频后的激光脉宽缩短，重新设计了2块BBO晶体，倍频晶体的切割角度为31.4?，尺寸为15 mm×15 mm×0.3 mm;和频晶体的切割角度为49.0?，尺寸为15 mm×15 mm×0.2 mm。 在倍频光与剩余基频光在空间上重合后，影响三倍频输出脉冲的参数主要有:入射脉冲的啁啾、倍频晶体匹配角度、和频晶体匹配角度、倍频光与剩余基频光间的时间延迟。入射啁啾主要影响三倍频的脉宽，当入射基频光具有合适的负啁啾时，三倍频脉宽具有一最小值，实验中测到的最小脉宽为188 fs，对应能量为80 μJ，波长为248.3 nm。倍频与和频晶体的匹配角度主要影响三倍频的输出波长，当三倍频输出能量>0.1 mJ时，保持一块晶体匹配角度不变，增大或减少另一块晶体的匹配角度，三倍频输出波长蓝移或红移。倍频光与剩余基频光间的延迟主要改变三倍频的脉冲波形，自相关曲线的平台、次峰和顶端振荡均由波形的改变造成，通过仔细调节延迟可使自相关曲线光滑。通过以下调节步骤可得到的三倍频参数为:波长,248.5 nm、能量,0.2 mJ、脉宽,350 fs。1)调节倍频晶体使倍频光能量最大;2)调节和频晶体使三倍频波长靠近248.5 nm;3)调节压缩光栅使倍频光能量最大。三倍频光路图示于图1。 重新设计后的晶体使三倍频的输出脉宽由原来的,500 fs缩短到,350 fs，但输出能量却由原来的0.7 mJ降到0.2 mJ，如何在使三倍频脉宽较短的情况下保持较高的输出能量还在进一步研究中。 基础和应用基础研究?强激光与加速器 167 图1 三倍频光路图 超短脉冲激光聚焦特性的研究 王雷剑～张 骥 将756 nm、100 fs的超短激光在传输一定距离后进行聚焦，在有和没有较严重自聚焦现象产生的情况下，对比分析远场发散角、焦斑大小以及能量集中度。发现在相同的聚焦系统下，激光束在空气中击穿时远场发散角略有增大，同时脉宽度展宽;所能获得的焦斑大小没有明显区别，均为12,13 μm;在没有自聚焦的情况下有效焦斑尺寸内所包含的能量较高，为60%左右;使用非球面镜获得了非常好的聚焦效果，接近系统的衍射极限能力，且有效焦斑尺寸内包含了70%以上的能量。不同情况下测得的激光聚焦参数列于表1。 表1 不同情况下测得的激光聚焦参数 衍射极限倍数 焦斑尺寸/μm 测量条件 B积分值 焦斑面积内所含能量 (f=1.78 m) (f=50.8 mm) 球面镜58% 再生放大(2?0.15)mJ，100 fs 0.3 1.5 12.5 非球面镜70% 双程放大(30?2)mJ，100 fs 4.5 1.8 13 44% 模拟打靶实验中靶面在光轴方向上前后移动时焦斑尺寸的变化情况。实验测得靶面每移动100 μm，焦斑平均变化约3 μm，靶面偏移焦斑位置300 μm时，能量集中度明显下降。打靶实验进行时，若靶面抖动控制在100 μm的范围内，靶面上由焦斑尺寸变化引起的激光功率密度的改变，对功率密度数量级不构成影响。 “天光一号”MOPA系统近场光斑均匀性测试 高智星～佟小惠～向益淮～陆 泽～胡凤名～王 华 “天光一号”系统采用诱导空间非相干(FEISI)和像传递技术实现了对靶平面的均匀辐照， 168 中国原子能科学研究院年报 2006 但该技术并不能确保光束在激光传输路径上的近场分布均匀。虽然MOPA系统中大多数光学元件 2表面平均光通量不大于1 J/cm，但光学元件表面仍有可能因近场光束的不均匀照射发生损伤。因此，利用荧光法测量了MOPA系统中近场光束在光学元件表面的均匀性，以便对光学角多路系统进行进一步优化。 实验测量了角多路系统中光束在光学元件表面强度分布，计算了所测量光斑强度最大值Imax与平均值I之比。对计算结果的统计表明，I/I的出现频次近似于泊松分布，且I/I,2avemaxavemaxave的概率最大。少数高反镜表面的光斑在光束放大后分布出现了斑点(Speckle)结构以致最大强度比平均强度高4,5倍(图1)。 图1 放大前后光学高反镜表面的光强分布 根据测量结果，对MOPA系统光学角多路的优化提出以下建议: 1)光学镜面的激光照射强度应低于光学膜激光损伤阈值的二分之一，以免造成镜面局部损伤; 2)现有光学镜片的激光损伤阈值应进一步提高以保证“天光一号”系统的运行和进一步优化需要; 3)高反镜的基底材料尽可能不用紫外石英，以避免微量透过光进入放大器放大后照射在其他光学镜面上; 4)对近场光束分布中斑点结构的成因进行分析，为系统的进一步优化提供依据。 “天光一号”装置加速器运行状况 陆 泽～胡凤鸣～王 华 2006年，“天光一号”准分子激光装置运行状态基本良好，主要承担总装“军口863”的重点项目，开展核爆模拟的高压状态方程实验研究和惯性约束聚变基础研究，同时还承担部分自然基金、中核预研基金、院长基金等课题。“天光一号”装置的稳定运行，为加速器性能实验、激光实验、激光靶物理实验提供了实验条件，保障了“863”高技术课题的“十五验”收和2006年实验工作的开展。 启动了天光装置精密化工作，包括光学MOPA系统和加速器的优化、稳定运行。加速器方面，进行了为期1个月的加速器大型检修，检修内容包括: 1)主预放加速器大MARX检修; 2)主放加速器小MARX检修; 基础和应用基础研究?强激光与加速器 169 3)主预放加速器主开关的清洗和更换电极; 4)主预放加速器传输线的检查和换水; 5)主放加速器主开关激光注入位置定位; 6)同步触发系统和测量系统的检修; 7)预防高纯水循环系统检修; 8)修补阴极。 通过检修，保障加速器以较好的性能工作，为各项实验工作提供有力支持。 从匈牙利引进了1台TRIGEX放电泵浦准分子激光器，作为“天光一号”装置主放大器和预放大器的激光开关的激光触发光源，提高了触发开关的激光能量和能量的稳定性，激光开关工作更加稳定。通过对激光开关触发激光注入光路和注入方式结构的改造，确保了注入激光注入到激光开关的注入位置，降低了更换聚焦透镜的更换难度，缩短了更换聚焦透镜所需的时间。 对“天光一号”加速器的数据采集系统进行了改造，提高了数据采集的自动化程度，增加了数据存储和数据分析能力。进行了“天光一号”加速器二极管阴极寿命实验，初步测试了几种天鹅绒材料的电子束发射均匀性和寿命，研究更符合“天光一号”加速器性能的阴极材料具有的特征参数，以提高天鹅绒阴极的寿命。 “天光一号”装置精密化进展 向益淮～陆 泽～高智星～佟晓惠～胡凤鸣～王 华 “天光一号”装置精密化主要包括如下三方面内容:1)6束光学角多路系统的优化;2)加速器运行稳定性及关键技术研究;3)光束参数实时监测系统的建立。围绕这三方面主要完成了如下工作内容:对角多路系统中影响光束均匀性的局部光路进行了改进和完善，主要包括两级放大器的输入输出光路;为满足靶室内开展状态方程测量实验的需要，重新设计加工了打靶聚焦系统，新的聚焦系统同时还降低了光束作用于打靶透镜上的能量密度，减小了镜子的受损几率;采用光转换为热再转换为电的方式，建立了1套激光能量实时监测系统;确定了波形实时监测和能量实时监测系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，购买了所需仪器设备，下一步将进行实验和系统的建立;对电子束泵浦的放大器进行了1次大的检修和维护，提高了其稳定性，更新了数据采集系统的硬件和软件条件，进行了激光腔二极管阴极材料对电子束发射均匀性影响和压力膜的实验。 状态方程实验靶场的改进 王 钊～梁 晶～高 爽～路建新 状态方程实验靶场包括实验所需的探测设备和相关的监测设备。根据相关实验的进展，在原有靶场条件下，进行了相应的工作，包括条纹相机的检测、靶及靶架的改进、阻挡溅射设计和靶位监测系统的建立。 1 条纹相机检测 1)各档扫描线性及触发延时 各档扫描线性及触发延时列于表1。 170 中国原子能科学研究院年报 2006 表1 各档扫描线性及触发延时 扫描档 非线性/% 每像素扫描时间/ps 延时/ns 1 2.183 0.605 6 70 2 1.977 2.902 221 100 3 2.216 4.908 34 120 4 3.102 9.844 267 140 5 2.527 25.714 114 220 6 3.002 52.467 147 350 7 3.132 127.176 452 750 2)消除回扫 回扫是光信号在扫描电压后沿形成的，由于扫描电压后沿斜率远低于前沿，因此回扫会干扰掩盖前沿信号图像。现有的条纹相机只有1对偏转电极，没有水平消隐，通过在MCP上加一选通门电压，在扫描电压后沿降低对电子的增益。这种方法在一定程度上减轻了回扫的影响，但并没有从根本上消除。 3)动态范围 动态范围是相机系统捕捉到可辨别的未饱和信号最大值与最小值的比值。CCD为12位，灰度最大值4 096;本底灰度大于100;动态范围小于40。 4)时间分辨 相机静态条纹最窄8 pix，最佳时间分辨4.8 ps。 5)图像均匀性 图1为相机扫描均匀光源时得到的扫描图像，横向为时间，纵向对应空间位置，信号明暗表示光的相对强度。时间上出现周期性的明暗变化，是由MCP上加载的门电压引起的。 图1 相机均匀光照下的扫描图像 2 靶及靶架的改进 为提高装靶精度以及适应侧面阴影照相的要求，对靶进行了改进。每片靶单独制作成型，独立安装在1个可二维旋转调节的靶架上。靶架固定于电控三位平移台。每片靶相当于可进行五维调节，提高了精度。 3 阻挡溅射设计 在驱动激光照射到靶面时，会产生等离子体及大量的熔融碎片，沿激光入射的反方向抛射。由于聚焦透镜焦距短，距离靶面较近，因此很容易被沾污。必须在聚焦透镜与靶面间加上阻挡溅射用的石英镜片，既要保证阻挡溅射物，又要确保镜片本身不会被聚焦光损坏，还不能使反射光照射到任何镜片。图2为阻挡溅射片示意图。 基础和应用基础研究?强激光与加速器 171 图2 阻挡溅射片示意图 4 靶位监测系统 在台阶靶实验中，靶位的监测是必需的。监测系统主要包括分别放置于靶的前向、后向及侧向的3台内调焦望远镜，以及相应的CCD、反射镜等。靶位监测系统主要确保驱动激光的光斑照射到靶上相应的位置。靶位监测系统示意图示于图3。 图3 靶位监测系统示意图 基于“天光一号”装置的状态方程实验 王 钊～梁 晶～高 爽～路建新～单玉生 高精度的状态方程测量要求产生稳定、平整、干净的冲击波。实验中使用零空腔平面靶、飞片平面靶和零空腔单台阶靶，分别对冲击波的平面性及其影响因素进行了研究。 1 零空腔平面靶 实验用靶只包含烧蚀层、单层金属膜和发光体，将可能影响冲击波平面性的因素减到最少，尽可能直接体现打靶激光的能力。图1为零空腔平面靶冲击发光信号。 由图1看出，冲击波前端(右部)较为平整，条纹相机测量的前端不平时间差为1,2 ns。 172 中国原子能科学研究院年报 2006 a b 图1 零空腔平面靶冲击发光信号 a——100 ,m Kapton膜,13 ,m Al膜，b——100 ,m Kapton膜,20 ,m Fe膜 2 飞片平面靶 飞片靶较零空腔靶多了一定长度的空腔，即引入了飞片飞行的影响。因为在状态方程的测量中，需应用飞片增压的技术，因此必须考虑到飞片对冲击波的影响。图2为飞片平面靶冲击发光信号。 图2中，右上端较细的光带是引入的参考光，以便计算飞片的飞行时间。可看出，加入飞片后，冲击波的前端有所弯曲，说明实验用靶的飞片影响了冲击波的平面性，需提高制靶工艺。 a b 图2 飞片平面靶冲击发光信号 a——50 μm腔长，E=158 J，,t = 21 ns;b——100 μm腔长，E=170 J，,t = 33 ns 图3 单台阶靶示意图 基础和应用基础研究?强激光与加速器 173 3 零空腔单台阶靶 状态方程测量时需同时测得冲击波速度和粒子速度，必须采用台阶靶才能实现。这是“天光一号”长脉冲KrF激光装置上第1次使用台阶靶。所有实验用靶均为实验室自己手工制作(图3)。 图4是单台阶靶的冲击发光信号，前端(右部)能分辨出台阶，即可分辨出时间差，就可计算冲击波速度。从图中信号也能看出，台阶两端信号均不平整，分辨率差，需进一步提高精度。 图4 单台阶靶冲击发光信号 采用二次自相关法测量超短激光脉冲宽度 张 骥～王雷剑～张海峰～汤秀章 激光的脉冲宽度现已达到fs量级，已远快于传统电子学器件的响应时间。要测量超短脉冲的时间宽度，不能采用传统的直接测量方法，而要采用自相关的方法进行测量。 目前实验室有1套超短激光装置，为测量它输出的脉冲宽度，搭建了1个基于二次强度自相关的自相关仪。原理是将待测激光脉冲分成两束，分别经过精确调整延时后交叉进入二倍频晶体，两束脉冲的交叉部分便会产生二倍频光。二倍频光的空间尺度对应脉冲宽度的信息，改变某个脉冲的延时便改变二倍频光的位置，用它可标定脉冲宽度和空间尺度的关系。 测到的1组二次强度自相关信号的空间分布示于图1。经拟合后得到的自相关曲线示于图2。 经拟合计算后得到超短系统输出的激光脉冲宽度为:91(1?10%) fs。 图1 二次强度自相关信号的空间分布 174 中国原子能科学研究院年报 2006 图2 经拟合后得到的自相关曲线 RF射频信号与飞秒激光脉冲的同步 戴 辉 同步辐射光源是继电光源、X光源和激光光源之后的为人类文明带来革命性推动的崭新光源，已广泛应用于材料、环境、生命科学等前沿研究。目前，国际上广泛使用的是第三代同步辐射加速器驱动X光源，同时关于第四代先进光源的研究也已广泛开展。其中，能量循环直线加速器作为下一代先进光源的候选驱动装置，相比前三代的储能环设计，更容易实现大功率能量输出，为泵浦亮度更高，单色性更好，发散度更小，脉冲宽度更短的X射线自由电子激光提供了一个理想的驱动器。 但是，用于产生X射线自由电子激光的能量循环直线加速器通常输出功率高达GeV，占地达方圆几百平方米甚至几平方公里以上，由几十上百个分系统组成。各分系统间的协调与精确同步是实现激光能量输出的一重要决定因素，皮秒级的时间抖动都会导致系统之间脱锁。为实现这样一个大系统的精确时间同步，稳频飞秒激光器的激光脉冲通过光纤分发到各分系统，通过各分系统中激光信号与激光信号的同步，以及激光信号和飞秒信号的同步，实现各分系统间的严格同步。实验验证了一种光电混合式的锁相环设计，这种锁相环设计结合了萨格纳克环和马赫-曾德干涉仪的优点，从而简单而有效地避免了直接光电探测所带来的各种非线性效应，将压电振荡器输出的RF射频信号锁定在参考的飞秒激光信号之上。 因为光电直接测量的相位噪声受到半导体探测器自身的非线性效应限制。为避免这些非线性效应，通常采用两个互为反向的振幅调节器，将激光信号分割成两束同时通过两个互为反向的振幅调节器。当光信号和RF射频信号不同步时，两个振幅调节器的输出信号是不平衡的，从而可输出一个反馈信号给压电振荡器来调节RF信号的频率适应激光信号。马赫-曾德干涉仪就是一种典型的振幅调节器。与此同时，为避免机械振动和温度变化对马赫-曾德干涉仪的两臂产生影响，还引入了萨格纳克环状设计。实验系统中，采用了基于萨格纳克环状设计的马赫-曾德干涉仪构成了同步装置的光电探测部分，有效地绕开了直接探测的非线性影响，将时域空间的信息转变成干涉仪两臂输出光强的不均衡性，简单有效地得到了激光信号和RF射频信号间的相位差异信息，结合锁相环设计，将这些信息作为负反馈信号输入压电振荡器中，调节振荡器输出的RF射频信号频率，即可实现飞秒激光信号和RF射频信号的同步。 通过这种方法，实现了1.333 GHz RF射频信号和重复频率为83.3 MHz的掺钛蓝宝石飞秒激光信号间的同步，测量采用了RS-230A频谱仪作为相位噪声的测量设备，分别测量了1.333 GHz RF射频信号无锁定条件和锁定条件下的单边带相位噪声，同时采用直接探测法测量了飞秒激光信号83.3 MHz锁模状态下的相位噪声。通过比较发现，在10 kHz到1 MHz频谱之间，RF射频信 基础和应用基础研究?强激光与加速器 175 号和飞秒激光信号完全锁定。但在低于1 kHz和高于10 MHz的频谱范围内，两者仍有一定差异。通过采用光纤连接，优化电路设计，同时提供更加稳定的直流稳压电源和减震，以及温控措施，该方法可望将激光信号和射频信号间的时间抖动降低到亚飞秒级，从而满足下一代先进光源所需的大型加速器装置的应用要求。 超快聚变脉冲中子源的发展 李业军～路建新 利用飞秒强激光脉冲与氘团簇间的强相互作用，使氘团簇在膨胀过程中产生高能离子，不同团簇发射出的高能离子发生碰撞便实现氘-氘核聚变，产生超短(几百皮秒)、近单色聚变脉冲中子脉冲。主要研究了温度、气体压力对团簇尺寸的影响以及团簇尺寸对激光吸收效率的影响，此外还研究了团簇尺寸对聚变中子产额的影响。实验研究表明，相同压力下，气体温度越低，产生团簇尺寸越大，对激光的吸收效率也越高，且中子产额也越高。当氘气体压力低于20 atm时，没 5有中子产生;温度在?120 ?以上时也没有中子产生。目前每焦耳激光能量中子产额为10。 线光学记录速度干涉仪系统的设计 路建新～王 钊～梁 晶～高 爽～单玉生 在极端条件下研究物质的状态方程在天文学、新材料科学、武器设计等多个领域有着非常重要的理论意义和广泛的应用前景。在利用强激光产生冲击波研究物质的状态方程实验中，需同时测量两个参数——冲击波速度和自由面速度。干涉法测量自由面速度的方法被广泛应用，实验中一种准零程差的光学记录速度干涉仪系统已被应用于靶自由面速度的测量。由于要同时测量冲击波速度，需研制具有空间分辨的光学记录速度干涉仪系统，即线光学记录速度干涉仪系统。 线光学记录速度干涉仪系统原理如下，由柱面镜和image conduit产生均匀的亮线，利用成像系统把亮线会聚到待测靶背面，然后利用成像系统取出靶面亮线的像，经由准零程差的光学记录速度干涉仪系统在像面产生干涉，利用条纹相机记录条纹的变化等数据，可同时获得冲击波速度和自由面速度。已进行了初步的桌面调节实验，图1是桌面静态实验所获得的线光学记录速度干涉仪系统的干涉仪图样，利用线光学记录速度干涉仪测量物质的状态方程将是一种重要测量手段。 图1 线光学记录速度干涉仪系统静态干涉图样 176 中国原子能科学研究院年报 2006 泰曼-格林干涉仪CCD实时图像采集系统的研制 张海峰 泰曼-格林干涉仪是麦克尔逊干涉仪的改型，是依据光的干涉原理，以光波波长为计量单位，通过干涉条纹来反映被测光学元件与系统误差信息的高精度测量仪器。从南京理工大学引进的LTY-80型泰曼-格林干涉仪主要用来监测应用于实验光路中的各种光学平镜的面形精度。 由于引进时间较早，该仪器只提供了目测观察和底片成像结果的采集方式。这两种方式早已落后，并严重依赖观察者在干涉图像分析方面的知识和经验，为进一步精确分析干涉图像和保存实验结果带来了诸多不便。 因此，自主研发了基于泰曼-格林干涉仪的CCD实时图像采集系统，系统结构如图1所示。 图1 系统结构图 系统采用Watec WAT-902B高解析度黑白CCD摄像机采集来自干涉仪的干涉条纹，针对CCD摄像机的特点配备精工(AVENIR)3.5,8 mm F1.4成像镜头，自制的衰减片组合方便，实现对不同强度测量时的有效衰减。最后，通过图像采集卡将干涉图像采集进计算机，利用Spiricon公司的LBA-500PC激光光束分析软件实现对干涉图像的分析、转化和存储。通过系统的应用，实现了干涉图像的数字化采集，高效率、高精度采集的同时，为以后精密分析干涉图像提供了可能。 目前市场上具备数字采集功能的干涉仪一般不低于30万元，通过自主研发建立这套系统，不仅节省了有限的科研经费，还提高了现有陈旧设备的利用率和使用价值。系统中较为昂贵的图像采集卡和图形分析软件也是采取资源共享的方式，利用实验室现有的软、硬件，使整个系统的造价只有3 000元左右。 通过CCD实时图像采集系统的研发和建立，为在泰曼-格林干涉仪上继续开展镜架结构研究等提供了有力的支持，同时也提升了实验室在光学测量方面的能力。 紫外自相关仪高纯NO气体充放气系统的研制 张海峰～王 华 紫外自相关仪是用于记录波长248 nm的亚皮秒激光脉冲自相关曲线的精密仪器，在飞秒系统中用来测量紫外超短激光脉冲的脉冲宽度。紫外自相关仪的工作介质是高纯度的NO气体，工作中的电离过程将不断消耗NO气体并产生一些杂质。NO气体的减少和这些杂质对仪器的敏感性、精确性将产生重要影响。因此，每年至少要更换一次NO气体来保证仪器的正常使用。 紫外自相关仪本身没有配备充放气系统，以前都是采取拆卸U形熔石英电离室连接到天光装置充放气系统上的方法来更换NO气体。该方法存在以下弊端:1)U形熔石英电离室在拆卸、转 基础和应用基础研究?强激光与加速器 177 移和连接过程中容易引起破碎;2)电离室必须精确对准光路，每次拆卸必然带来繁琐的光路校准;3)天光装置的充放气系统提供的真空度无法达到电离室最低杂质含量的要求;4)频繁拆卸采用金属密封结构的管路将导致密封失效。因此，设计并建立针对紫外自相关仪特点的专用充放气系统十分必要。 综合考虑各种因素，自行设计并建立了专用的充放气系统。系统结构如图1所示。 图1 系统结构图 系统具有以下特点:1)简便实用，无需拆卸U形熔石英电离室，可直接连接紫外自相关仪进行充放气，避免光路校准的麻烦;2)共用靶室的真空系统，不仅避免了系统结构的庞大，还节 ?4 省了资源，同时靶室真空机组10Pa的真空度满足电离室的真空要求;3)针型阀和精密真空压力表为充放气过程中的充气精度和真空度提供保证。 实际使用结果显示，自主建立的专用充放气系统完全满足紫外自相关仪对于工作介质更换的要求，应用该系统后，紫外自相关仪工作敏感性提高了50倍以上，有效保证了测量结果的精确性。 关于测液氘状态方程实验的制靶和数值模拟初步设想 梁 晶 液氘的状态方程研究对惯性约束聚变(ICF)是一关键性内容，从制靶及数值模拟方面做一初步设想。 由于液氘不可能像其他固体材料那样轧制以及切割成型，其制靶也相应复杂。首先要有低温舱来约束它的位置，且与靶室的真空部分隔开。在实验中，低温舱不能够被破坏，否则液氘泄漏会引起爆炸。其次是在液氘内引入平板冲击面以及平板探测面。可考虑的方案是在舱内引入两块平行铝板，一块用于产生所需的冲击波，另一块作为诊断设备探测冲击波信号。且探测板同时还可向液氘反射回1个冲击波，从而能够实现二次冲击现象的观测，提高冲击压力，扩大测量范围。由于探测板的引入，还有可能加入液氘冲击温度、液氘电导率等冲击波参数的测量手段，这样可从实验中挖掘更多的信息，提高实验数据的准确性和可靠性，甚至有可能发现更多实验现象，如氘的金属化等。 178 中国原子能科学研究院年报 2006 Hyades程序是1个一维、三温的拉格朗日流体力学模拟程序，主要用于模拟激光驱动冲击波在飞片内或靶内的流体动力学物理图像，得到关于冲击波的一些参数，从而指导靶的设计。 对上述基本实验靶型，用Hyades程序做了数值模拟，结果与国外发表文章中的实验数据基本 13 2符合。结果表明，对激光功率密度10W/cm量级，1次冲击液氘内的压力可达几十至一百多GPa，2次冲击液氘内的压力则达到四五百GPa。图1分别为1次和2次冲击液氘内的压力分布图。1次冲击压力低，速度慢，传播时间长;2次冲击压力大，速度快，传播时间短。 图1 Hyades模拟液氘内的压力分布图 a——1次冲击;b——2次冲击 激光放大器热效应初步研究 张晓华～张 骥～汤秀章 钛宝石激光放大器的激光晶体由高功率激光泵浦，放大脉冲会受到热透镜、高阶像差，及热畸变的影响，其中的热效应不可忽略，因此必须进行有效的冷却。分析、解决热透镜效应的基础是激光晶体内部温度场的准确计算。本文利用热传导方程和边界条件，计算了端面泵浦棒状晶体内部温度场的半解析解，并分析了各种参量对温度场的影响，为进一步处理百钛瓦激光器的热效应问题打好基础。 单端泵浦激光晶体产生的温度场相对于晶体的两个通光面而言有着严重的非对称性，双端泵浦弥补了单端泵浦的缺陷，并减小了单端泵浦造成的激光介质吸收的非均匀性，极大提高了输出激光的稳定性。计算了双端泵浦晶体内部温度场的分布及各种参量的影响，并与单端泵浦的情况进行比较。 较为理想的冷却方法是液氮低温冷却，当温度从300 K降低到77 K时，钛宝石的热导率将提高39倍。分别对300 K、77 K时的温度场进行了计算和对比分析。 侧向阴影照相技术在状态方程实验中的应用 高 爽～汤秀章～王 钊～路建新～梁 晶 状态方程的实验测量在地球物理、天体物理、惯性约束核聚变、材料科学、核武器物理等领 基础和应用基础研究?强激光与加速器 179 域受到广泛重视，对实际应用和状态方程理论的发展都有重要意义。利用紫外长脉冲“天光一号”激光器开展的状态方程研究具有鲜明的特点并取得了一定的成果。侧面阴影照相技术作为一种重要的探测手段一直被广泛应用。20世纪80年代加拿大科学家使用分幅相机配合叠波前干涉仪进行了激光打靶实验，获得靶前等离子体密度的数据。近年来，美国劳伦斯利弗莫尔实验室利用X射线侧向照相技术成功进行了对低原子序数材料状态方程的绝对测量。根据实验室的具体情况与实际要求，氩离子激光作为探测光源配合内调焦望远镜建立起的侧向照相系统，被用来进行飞片速度的测量。侧向阴影照相系统实验示意图示于图1。 图1 侧向阴影照相系统实验示意图 为避免条纹相机的回扫问题，机械快门加普克尔盒被应用于光路中。在正面和侧面内调焦望远镜的帮助下，光路可被精确调整。在没有激光打靶的情况下，条纹相机上得到的静态条纹示于图2。 图2 未有激光打靶情况下条纹相机取得的图像 由图2可见，由于条纹相机的回扫问题依然没有得到很好解决，图像灰暗，对比度不佳。只有条纹相机工作在最佳状态下，好的实验结果才有希望被取得。应进一步采取措施解决回扫问题。 侧向照相的探测方法有很好的应用前景。一系列工作也将有序开展。 180 中国原子能科学研究院年报 2006 高频充电多模式高压脉冲调制器方案设计 佟迅华～杨 圣～吕卫星 为适应工业探伤多功能的需求，研制多模式的高压脉冲调制器，采用高频逆变充电方式，突破了线性充电的局限性，使高压脉冲连续可调，采用磁控管与电子枪分别独立供电，通过时序调整使电子束与微波的作用时间更为合理。整机体积小，高压连续可调，稳定度高。 ::脉冲变压器:1415 磁控管高压;一档13/14 kV，二档10 kV电子枪。 采用独立的电子枪高压电源和脉冲变压器，通过程序控制，在线调节高压输出。磁控管、电子枪参数列于表1。 表1 磁控管、电子枪参数 束流能量/ 磁控管脉冲磁控管脉冲 磁控管灯丝 磁控管灯丝 电子枪脉冲电子枪脉冲电子枪灯丝电子枪灯 MeV 高压/ kV 电流/ A 电压/ V 电流/ A 高压/ kV 电流/ mA 电压/ V 丝电流/ A 4 40,43 97 8.5 9 13,14 600 7.5 2.2 6 46,47 110 8.5 9 10 500 7.2 2 磁控管脉冲电压 磁控管电压脉冲前沿 磁控管电压脉冲后沿 71%幅度以上电压 脉冲宽度(71%)/,s (0.1,0.9)/,s (0.9,0.1)/,s 上升斜率/(kV/,s) 4.2 0.4,0.45 0.7,0.9 约110 脉冲电压顶部不平度 脉冲电压幅度稳定度 脉冲重复频率 脉冲高压 (电源变化,5%时) 好于,1% 好于,1% 50,250Hz连续可调 37,48 kV连续可调 2 MeV辐照加速器维护 杨 圣～张立锋～吴青峰～毛志成～刘 全 应用户要求，对2 MeV辐照加速器进行维修。用户准备用2 MeV辐照加速器对“两会”期间的信件进行消毒灭菌。经检查发现，因长期接受辐射及臭氧作用，束下的传送带老化严重，传送带电机也有发热现象。更换了传送带及电机，并对屏蔽进行精心处理，使加速器运行完全正常，漏剂量也低于国家标准。 双能无损探伤电子直线加速器微波系统研制 吴青峰～朱志斌～屠 锐～王修龙～孙玉振～粟国萍～步顺福 微波系统是无损探伤加速器的重要分系统之一，它主要由磁控管与波导传输元件、自动频率控制装置(AFC)、充气装置等组成。磁控管工作中心频率2 998 MHz，它产生脉冲功率为2.6 MW的射频信号，经传输波导输入加速管，在加速管内形成驻波场，加速电子到设计能量。通过改变磁控管的输出功率，可使加速器产生4 MeV、6 MeV 两种能量的X射线，以达到双能的目的。 基础和应用基础研究?强激光与加速器 181 系统采用高功率四端环行器隔离加速管的反射，以保证磁控管稳定地工作和运行，定向耦合器分别对入射与反射的射频信号取样，监测微波包络波形，同时为自动频率控制装置提供鉴相信号，使磁控管工作频率与加速管谐振频率保持一致，获得稳定的能量与最大剂量率输出。为防止射频击穿，提高微波系统运行的稳定性，波导元件内部充入0.18 MPa的六氟化硫。波导元件间采用O圈密封，以提高系统的气密性。充气装置提供与计算机连接的接口，实现监测、控制自动化。 目前该系统已安装测试完毕并投入使用，其性能满足双能无损探伤加速器的技术要求。 *和谐统一混合择优网络中熵的特性 永～方锦清～毕 桥～刘 强 李 普遍存在的小世界现象和无尺度网络的发现引发了许多人对支配复杂系统的根本性原理进行许多激动人心的探究。大量事实已表明，尽管各种网络功能各不相同，大部分现实生活中蛛丝般的网络(例如系统)有一些重要的结构性质，如较小的平均最短路径，较大的集聚系数，以及无尺度的度分布。同时学者们提出了包含基本性质的各种网络模型，其中方锦清的复杂网络小组2005年提出了和谐统一的混合择优模型(HPM)，模型引入了一个连接确定性择优连接(DPA)和随机性择优连接(RPA)的混合比d/r，通过控制d/r来生成所需的增长网络。通过数值模拟和解析研究，发现HPM模型具有通用的拓扑性质和动力学同步性质，一个最重要的特性就是幂律指数γ(可是节点的度、点权、边权的幂律指数)对混合比d/r的高度敏感性。 众所周知，正如Albert 和 Barabasi等强调的那样，统计方法已对复杂网络中拓扑和动力学研究做了大量的促进作用。因此，我们就思考一个问题:熵作为统计方法中一个很重要的特性量，它在复杂网络的研究中扮演一个什么样的角色, 基于先前提出的和谐统一混合择优模型(HUHPM)，研究了在无权网络(HUHPM-BA)和加权网络(HUHPM-BBV)上随混合比d/r变化时熵的变化性质，主要利用Boltzmann-Gibbs熵(BGS)和Tsallis非广延熵(Sq)研究度分布的幂律指数和熵间的一般关系。结果发现，熵BGS随着混合比d/r的增加而减小，BGS和混合比d/r以及幂律指数γ关系的数值模拟结果和理论解析结果趋势均吻合。同时本文给出了Sq熵和参数q在不同d/r情况下的关系，且当q?1时， Sq熵近似为BGS熵。这些结果为复杂网络的性质和网络构造提供一些有益帮助。然而，BGS仍存在一定误差，说明在计算度分布时还有一些没有考虑到的因素，需要我们进一步深入研究。 总之，HUHPM网络是再现实际网络中小世界效应和无尺度网络的一个重要方法，熵特性也是研究网络模型性质的一个工具。因此需进一步研究熵在各种网络中的应用，以及熵和其它一些网络特性间的内在相互关系。 * 国家自然科学基金重点资助项目(70431002);国家自然科学基金面上资助项目(70371068) *和谐统一的混合网络中的相称性系数转变 李 永～方锦清～毕 桥～刘 强 生活中存在大量的网络，包括社会网络、信息网络、技术网络、生物网络等。近年来，复杂网络引起了各领域相关研究人员的密切关注。这促使我们去研究这些复杂网络的特性，且深入理 182 中国原子能科学研究院年报 2006 解这些复杂网络的拓扑结构，进一步研究不同拓扑关系而产生的不同的网络特性。其中“小世界效应”、“集聚系数”、“度分布”等网络特性已在各种网络模型中得到了广泛研究。 研究指出现实网络的一个很重要的性质是结点间存在度的相互关联性，这种关联性对网络的拓扑产生重要的影响，且对信息传播或传染病传播等现象的描述、对结点的恶意攻击或随机断裂等网络的鲁棒性问题非常重要。随着研究的深入，人们对各种网络模型中度与度间的相关性进行了许多探究，常用的衡量工具就是相称性系数。 不论是社会网络，还是物理网络、生物网络和技术网络，都包含随机和确定二种混合择优过程，只是它们的确定性和随机性混合程度依具体对象不同，而自然和谐地共存在复杂系统自组织中。为研究不同随机和确定情形对网络产生的影响，采用几种经典网络模型的网络增长机制。 首先基于已有的和谐统一的混合模型，在总混合比d/r基础上，又引入了新混合比参数f/d和g/r调控网络增长机制，通过调整不同的f/d和g/r，我们再现BA模型，ER模型，HUHPM模型等网络模型特性。同时发现:相称性系数r可在(,1，1)较大范围内变化，利用数值模拟研究，可看到网络特性随混合比变化的新特点和新现象(图1)。在f/d,1/1附近存在一阈值(转变点)，将r的数值从零附近迅速增加到较大数值。此外，随d/r的增加r还出现了多极值现象。通过数值模拟，对r和g/r、f/d的关系进行了初步的解析表达。 对于网络的度分布，通过数值模拟发现了一些演化新规律。不论g/r和f/d如何变化，随d/r从0/1向1/0转变过程，网络的度分布近似为指数分布。随机网络的度分布则是指数分布，节点度值相差较小，是一种“民主”的网络;而无尺度网络的度分布则是幂律分布，节点度值相差较大，是一种“专制”的网络，且无尺度网络的形成来自择优机制。BA择优机制在某种程度上已带有确定性的意味，因此，统一混合模型度分布指出，网络中确定性增长方式对网络的性质可能有更大的主导作用。 图1 半对数坐标下不同g/r、f/d情形下相称性系数r的变化图 a——f/d = 0/1;b——f/d = 0.5/1;c——f/d = 0.99/1;d——f/d = 1/1 ?——g/r =1;?——g/r =0.9;?——g/r =0.8;?——g/r =0.7;? ——g/r =0.6;?——g/r =0.5; ?——g/r =0.4;，——g/r =0.3;×——g/r =0.2;?——g/r =0.1;?——g/r =0 基础和应用基础研究?强激光与加速器 183 虽然社会网络和技术及生物网络间的r不同，但利用模型演化机制，可看到r在正负之间的一些变化，这些研究结果将有助于揭示不同网络间的联系。进一步研究可结合具体网络的实际数据，寻求更符合数据的微观增长机制，并研究不同拓扑关系产生的不同的网络特性和动力学性质。 * 国家自然科学基金重点资助项目(70431002);国家自然科学基金面上资助项目(70371068) *不同机制的小世界模型的同步能力比较 刘 强～方锦清～毕 桥～李 永 自从Watts和Strogatz提出小世界WS模型后，研究人员对WS模型进行了改进，提出了很多不同生成机制下的小世界模型，最近还提出了度不变的小世界SD模型，这个模型是基于网络中每个节点的度在演化过程中保持不变的机制下生成的，同样具有小世界平均最近路径相对较小、平均集群系数相对较大的特性。以WS模型和SD模型作为线性耦合网络，研究并比较这两种不同模型下的同步能力。还计算了复杂网络的特性因子——平均最短路径、平均集群系数对这两种网络模型同步能力的影响。 考虑具有N个完全相同的、线性耦合振子的小世界网络，每个节点表示n维连续时间动力学系统: N (1) ，xfxcaxiN,，,,1,2,,？，，,iiijj,1j n其中:x=(x, x, …, x),R是点i的状态变量;c为耦合强度;,为连接耦合变量的矩阵，即为耦ii1i2in 合网络的矩阵A。Pecora等在这基础上提出了用主稳定函数方法确定动力学网络同步的稳定性，通过计算矩阵A的特征根可得到: 0=,>,?,?„?, (2) 123N 网络达到线性稳定同步条件为: ,,N2 (3) R,,,,,,11 系数,由主稳定函数决定。动力学网络的另一同步判定条件是: d (4) ,c,2 从式(3)和(4)可得到随R的减小，耦合网络的同步能力增加;随|λ|的增加，所需的耦合2 强度c减小，耦合网络的同步能力增加。 计算了网络规模N=1 000时，WS模型和SD模型的矩阵特征根，可得到随网络演化概率P的增加，R值和|λ|值的变化情况如图1所示。随起始规则网络节点度K的增加，R值和|λ|值的变22化情况如图2所示。从两图中数据可得出随演化概率的增加，R值减小、|λ|值增加;随起始规则2 网络节点度K的增加，R值减小、|λ|值增加。表明，随演化概率的增加，两种网络的同步能力均2 增强;随起始规则网络节点度K的增加，两种网络的同步能力亦增强。图1和图2中的数据趋势都是在P值较小时有一较急剧的变化后，在演化概率P=0.4后同步能力平缓变化，即长距离边的增加对网络同步能力的影响减弱。 长距离边的变化对网络最显著的影响是使平均最短路径的减小和平均集群系数的减小，这也是世界变小的成因。同样计算了网络规模N=1 000时，初始网络节点度K=4时的相关数据。随网络平均最短路径的变化，R值和|λ|值的变化情况如图3所示;随网络平均集群系数的变化，R值2 184 中国原子能科学研究院年报 2006 和|λ|值的变化情况如图4所示。随平均最短路径的增加，R值增加、|λ|值减小;随平均集群系数22的增加，R值增加、|λ|值增加。计算结果表明，随平均最短路径和平均集群系数的增加，两种网2 络的同步能力均减弱。 图1 网络同步能力与演化概率关系图 ，——WS模型，R;，——SD模型，R;,——WS模型，,,,;?——SD模型，,,, 22 图2 网络同步能力与初始网络节点度关系图 ?——K=4;*——K=12;?——K=16;?——K=24;?——K=32 图3 网络同步能力与平均最短路径关系图 ?——WS模型，R;?——WS模型，,,,;?——SD模型，R;*——SD模型，,,, 22 基础和应用基础研究?强激光与加速器 185 图4 网络同步能力与平均集群系数关系图 ?——WS模型，R;?——WS模型，,,,;?——SD模型，R;*——SD模型，,,, 22 以上结果表明，尽管WS模型和SD模型的生成机制不同，但它们的同步能力随复杂网络特性因子的变化趋势相同，即引入了相同数量的长距离边后对改变节点同步输运能力也相同。 * 国家自然科学基金重点资助项目(70431002);国家自然科学基金面上资助项目(70371068) 具有小世界和无标度拓扑的束流输运网络中 *束晕-混沌的同步与控制 刘 强～方锦清～毕 桥～李 永 针对噪声对混沌系统同步的影响的研究有很多，结果发现在一定条件下噪声这种无序的、随机的性质也能够驱动或加强混沌系统的同步。尝试在小世界网络SW模型和无标度BA模型的基础上构造束流输运网络，在束流输运网络中每个束晕-混沌系统的x向量上都引入一噪声驱动项，2 且每个噪声驱动项不相同，加入噪声驱动项后，方程如下: dx1 ,x2dt Nd1xK22 ,,，，，，,,,？(cos)1,2,,abxxcaxiN,312iijj3,1jdtxx11 dx3 ,,dt 其中:a=1.65;b=1.25;,=2,;K=5;,是分布在[0，1]内的高斯噪声项。 i 分别计算了100次不同耦合强度和演化概率时WS模型和SD模型下束流输运网络的噪声驱动同步误差，束流输运网络规模N=100，K=6，且在保证网络能够连通的情况下，网络每个节点最大同步误差的计算结果如图1、2所示。 计算结果表明，WS模型下束流传输网络可选择较大的演化概率和较小的耦合强度来加以控制，而SD模型下束流传输网络可选择较大的演化概率和较小的耦合强度来加以控制，这样既能很到达到同步控制的目的，又能提高同步效率，节约控制成本。 186 中国原子能科学研究院年报 2006 图1 WS模型最大同步误差D随时间变化情况 max a——c=1;b——c=2;c——c=5;d——c=8 实线——P=0.04;虚线——P=0.4;点线——P=0.9 图2 SD模型最大同步误差D随时间变化情况 max a——c=1;b——c=2;c——c=5;d——c=8 实线——P=0.04;虚线——P=0.4;点线——P=0.9 计算了50次耦合强度c=2，m=3、4、5时BA模型下束流输运网络被噪声驱动，束流输运网 基础和应用基础研究?强激光与加速器 187 络规模N=100，且在保证网络能够连通的情况下，网络每个节点的最大同步误差，计算结果如图3所示。当m=3时，噪声驱动束流输运网络能够达到同步，但当m=4或5时，噪声并不能驱动束流输运网络达到同步。这与前面计算结果相吻合，随网络规模的扩大，网络的同步能力减弱，变得难以达到同步。 图3 BA模型最大同步误差随m变化情况 a——m=3;b——m=4;c——m=5 这些结果可能有助于了解束流输运网络的动力学同步特性，对实验研究和工程设计也有参考作用。由于束晕-混沌的复杂性，可能为利用束流输运网络中束晕-混沌的同步进行保密通信提供一种新途径。 * 国家自然科学基金重点资助项目(70431002);国家自然科学基金面上资助项目(70371068) *束流传输网络中多目标的分区耦合控制 刘 强～方锦清～毕 桥～李 永 束晕-混沌方程如下式所示: dx1,x 2dt Nd1xK22 (1) ,,，，，，,,,？(cos)1,2,,abxxcaxiN,312iijj3,1jdtxx11 dx3 ,,dt 其中:a=1.65,b=1.25,=2,，K=5。通过数值计算可得到束晕-混沌振子有两个的平衡点，分别为, x= [1.41, 0, 0]，x =[,1.41, 0, 0]。 eq1eq2 生成1个小世界网络G，网络G的节点总数N=50，初始节点度K=6。将整个网络分为两个局域网络G和G，如式(2)所示，局域网络G节点数N为20，局域网络G节点数N,N为12112130。在全局线性耦合的局域网络G和G中分别随机选择I和I个节点，并在这些节点上引入控1212 制器u和u，可得到式(3)。 12 188 中国原子能科学研究院年报 2006 GN,{1,2,,}？11 (2) GNNN,，{1,,,}？212 N. xfxcahxxuiI,，，,()(,)1,,？i,111ijij,1j N. xfxcahxxiIN,，,，()(,)1,,？i,11iijij,1j (3) N.ixfxcahxxuiNI,，，,，()(,)1,,？11，，,11,212NNjij,1j N.ixfxcahxxiIN,，,，()(,)1,,？1，,1,2iNjij,1j 为将这两个局域网络分别控制到两个平衡点x和x上，全局耦合函数h(x，x)被设计如式eq1eq2ij(5)所示，控制器u和u被设计如式(6)所示。 12 xxx,,,？,1eq1N,1 (4) ,xxx,,,？，,NN1eq21, hxxxxxx(,)()(),,,, (5) ijjieq2eq1 ucdxxiI,,,,*()(1,2,,)？1eq11i (6) ucdxxiNNI,,,,，，*()(1,2,,)？2eq2112i 通过数值计算得到，在局域网络G中随机选择节点数I=14，在局域网络G中随机选择节点112数I=24时，束流传输网络的全局耦合强度c=200，控制器的控制强度d=7.5，局域网络G被控21制到平衡点x=[1.41, 0, 0]，局域网络G被控制到平衡点x=[,1.41, 0, 0]。 eq12eq2 混沌吸引子包含无数个不稳定周期态，通过引入控制器的方法，可将1个束晕-混沌系统控制到它的某个所需的周期态上。为此，设想是否可用分局域pin控制的方法，将网络的1个局域网络G控制到平衡点附近，另1个局域网络G控制到周期态S上。设计全局耦合h(x，x)如式(8)12ij所示，控制器u和u如式(9)所示。 12 xxx,,,？,1eqN,1 (7) ,xxS,,,？，NN1,1, :x=[1.42, 0, 0];目标状态S为周期态。 其中eq hxxxxxx(,)()(),,,, (8) ijjNi，1eq1 ucdxxiI,,,,*()(1,2,,)？111ieq (9) udxiNNI,,，,，，(1)(1,2,,)？222112i 得到在局域网络G中随机选择节点数I=14，在局域网络G中随机选择节点数I=24时，束1122流传输网络的全局耦合强度c=200，控制器的控制强度d=7.5，d=5，局域网络G被控制到平衡121点x= [1.41, 0, 0]，局域网络G被控制到周期态S。 eq12 假定，生成1个无标度网络G，网络G的节点总数N=50，初始节点和每次加入新节点所引入的边m=3。同样，将整个网络分为两个局域网络G和G，如式(2)所示，局域网络G节点121 基础和应用基础研究?强激光与加速器 189 数N为20，局域网络G节点数N,N为30。在局域网络G和G中分别按照节点度的大小择优12112 选择I和I个节点，并在这些节点上引入控制器u和u，同式(3)。 1212 通过数值计算得到，在局域网络G中仅择优选择节点数I=4，在局域网络G中仅择优选择112节点数I=4时，束流传输网络的全局耦合强度取c=100，控制器的控制强度d=20，局域网络G21被控制到平衡点x= [1.41, 0, 0]，局域网络G被控制到平衡点x =[,1.41, 0, 0]。 eq12eq2 类似地，可用分区的耦合控制方法，将基于无标度模型的束流传输网络的1个局域网络G1节点控制到平衡点附近，另1个局域网络G节点控制到周期态上。数值计算得到，在局域网络2 G中择优选择节点数I=4，在局域网络G中择优选择节点数I=4时，束流传输网络的全局耦合1122 强度c=150，控制器的控制强度d=10，d= ,15，结果表明，平衡点x= [1.41, 0, 0] 被控制到局12 eq1 域网络G，周期态S被控制到局域网络G。 12 本文计算表明，采用耦 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 步控制的方法，利用小世界拓扑结构(WS模型)需选取的节点数比无标度BA模型选取的要多很多，因此，在构造束流传输网络时采用BA模型控制成本相对较低。BA模型的择优机制能较快地通过部分关键节点把同步控制作用传播到网络中的每一节点，但遇到针对关键节点的攻击方面，不如小世界模型的鲁棒性好。现实社会中的复杂网络节点众多，在同步控制时如果采用每个节点都引入控制器的方法来实现对网络同步的控制，显而易见成本较高，实现起来难度较大。如果采用随机或有选择地选取一些节点加以控制，实现起来相对较为容易，可提高效率。实现了基于BA模型束流传输网络的分局域平衡点和周期态的稳定控制，有一定的参考意义。 * 国家自然科学基金重点资助项目(70431002);国家自然科学基金面上资助项目(70371068) *小世界同步与束流输运网络同步控制 刘 强～方锦清～李 永 加速器中束流失匹配、离子的非线性共振等作用都会导致强流离子束产生的束晕-混沌现象，即在强流束中高密度束核的外围弥漫着少量粒子，且出现混沌现象。束晕-混沌现象会在加速器器壁上引起超标的放射性，对加速期间带来损伤，因此具有极大的危害性。尝试在小世界网络的基础上构造束流输运网络，研究束流输运网络中粒子的同步问题。 利用WS模型和SD模型分别生成线性耦合网络，将束晕-混沌系统作为线性耦合网络中的每个节点上的混沌振子，构成束流输运网络。从线性耦合网络的同步判定条件可知，如果取合适的耦合强度c，有可能控制束流输运网络达到同步。因此，进行了一些数值模拟计算。束晕-混沌方程如下式所示: dx1 ,x2dt d1xK22 (1) ,,，，，(cos)abxx313dtxx11 dx3,, dt 190 中国原子能科学研究院年报 2006 其中系统的参数分别为:a=1.65、b=1.25、=2,、K=5。 , 通过计算，只有当在x方向上进行线性耦合控制才较好达到同步，所以在每个节点束晕-混2 沌方程的变量x方向上引入线性耦合控制项G，这样，x方向上方程为:22 d1xK22 (2) ,,，，，，(cos)abxxG313dtxx11N其中:，根据前面对网络因子与同步稳定判据的相关计算以及所拥有GcaxiN,,,,1,2,,？,ijj2j1, 的计算设备的计算能力条件，选择耦合网络规模N=100，开始规则网络节点度K=4，且保证演化过程中耦合网络保持连通，这样尽可能使束流输运网络达到同步，同时耦合网络中每个振子的初值各不相同:x?[0，2]、x?[0，1]、x=2π，分别计算了不同耦合强度c=2、c=5，演化概率P=0.04、123 0.4、0.9时的WS模型和SD模型下束流输运网络，网络的同步状态可用最大同步误差: 1n22 (3) DtxtxtijN()max[(()())],1,2,,,,,？,maxikjk,k1 当任意两个节点间的同步误差，也就是最大同步误差D趋于0时，就认为所计算的复杂动max 力学网络达到同步。 计算数据如图1所示，对于WS模型，耦合强度c由2增加到5后，演化概率P=0.04时的两种同步误差曲线均由不趋于0变成趋于0，演化概率P=0.4、0.9时两种同步误差曲线不同耦合强度下都趋于0。对于SD模型结论相同，耦合强度c由2增加到5后，演化概率P=0.04时的两种同步误差曲线均由不趋于0变成趋于0，演化概率P=0.4、0.9时两种同步误差曲线不同耦合强度下都趋于0。 计算结果表明小的耦合强度不足以使所有演化概率下的耦合网络达到同步，实际的动力学网络-束流传输网络同步情况与仅计算耦合网络模型的同步能力相一致，这个结果也有助于在工程上找到较为经济的同步控制的参数。 图1 最大同步误差D随时间的变化 max a——WS模型，c,2;b——WS模型，c,5;c——SD模型，c,2;d——SD模型，c,5 实线——P=0.04;虚线——P=0.4;点线——P=0.9 基础和应用基础研究?强激光与加速器 191 束晕-混沌的控制是关系到复杂性科学和核科学的交叉性问题，结合复杂网络研究的进展，希望能够找到控制束晕-混沌的新方法，从前面的计算结果显示，复杂网络控制的方法还是据有一定的效果和优点，值得继续研究。对于WS小世界模型和SD小世界模型，它们的同步能力在同样的网络参数下基本相同，这也提供了多种建立网络模型的选择，且基于这两种模型的束流输运网络在线性耦合和噪声耦合控制的数值模拟结果也相似，均很好地达到同步。 * 国家自然科学基金重点资助项目(70431002);国家自然科学基金面上资助项目(70371068) *低能强流离子束计算机网络控制系统的设计实现 兴～马瑞刚～俞 硕～郭 燕～崔宝群 李康宁～李 为提高加速器控制领域的智能化水平，吸收近年来IT领域中控制技术的最新发展成果，设计实现了低能强流离子束网络控制系统，可提供20 mA、能量为5,100 keV的两条离子束线，并进行脉冲束流和气体靶试验。实现了手动、自动建立系统真空，数字量输入输出、模拟量输入输出、串口通讯等150多个量的常规测控以及不同电位状态下多个量的报警互锁保护等功能。经实际运行表明，该系统在高压、湿度大、强辐射等恶劣环境中表现良好，各项性能指标达到了设计要求。 该系统建立了传输介质为光纤的以太网网络。硬件上层采用台湾研华工控机、中间层采用工业级以太网集线器和底层采用西门子S7-300 PLC。软件设计建立了基于Windows平台TCP/IP 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的测控软件系统，开发工具采用美国NI公司LabWindows/CVI和西门子Step7开发软件。 1 系统硬件设计 在加速器控制领域中，测控任务既有与普通工业控制相似的部分，又有其自身显著的特点，如不同的高压环境、测控信号精度要求高、测控对象复杂等。在这样的条件下应尽量选用经得起市场检验的成熟的控制产品。上位机选用台湾研华系列工作站主机，单元层选用西门子S7-300系列PLC，这一部分在硬件设计中最为重要，本系统涉及到流量、温度、电压、电流、磁场强度、开关量等近150多个控制量。 本测控系统的网络拓扑结构如图1所示。整个系统由3个子系统组成:1)地电位控制子系统;2)40 kV控制子系统;3)60 kV控制子系统。3个子系统通过MPI网络、光纤工业以太网、西门子PROFIBUS总线网络与主控室中的上位机共同完成测控任务。 图1 网络拓扑结构 192 中国原子能科学研究院年报 2006 2 系统软件设计 软件系统在Windows2003 SERVER环境下开发，主程序软件以LabWindows/CVI、西门子STEP7为开发工具。软件系统遵循硬件设计的同时，通盘考虑了3个子系统和上位机相互之间数据的流向，程序结构框图如图2所示。例如:3个子系统中互锁及报警功能在底层PLC中实现，将互锁及报警信息传到上位机显示，以便操作人员做出相应的处理等。 为把握控制系统的总体结构，用Photoshop设计制作了控制系统总体布局图，通过设备布局图可对单个设备进行控制，提高了整体运行效率，代表性的界面如图3所示。 图2 程序结构框图 图3 控制系统主界面 3 增强可靠性的其它措施 由于本系统在不同的高压电位环境下，接地问题很重要，强电与弱电接地单独处理。电缆屏蔽层与保护地相连，在现场布线时防止形成回路，造成不必要的损失。充分利用PLC内部的故障诊断机制，在系统出现故障后，作为诊断参考信息。 4 结束语 所设计的低能强流离子束网络控制系统改变了传统的开关、继电器控制模式，系统的安全性、稳定性、易用性以及可靠性方面都有了本质的提高。经过实际运行表明，系统达到了预期设计目的，实现了整机智能运行，自动检测，自诊断功能。对于核测控领域中其它方面控制系统的建立以及类似环境下自动控制系统的建立具有指导意义。 * 国防科工委工程项目(HI-13串列加速器升级工程) 基础和应用基础研究?强激光与加速器 193 ISOL分析磁铁一些关键问题的实验研究 唐 兵～崔保群～马瑞刚～蒋渭生～王荣文～姜 冲～马鹰俊 ～陈立华 ,4串列升级在线同位素分离(ISOL)分析磁铁要求场均匀性好于1×10。对于场均匀性要求很高的磁铁，必须考虑那些在低场均匀性下忽略的问题。我们基于现有的60?偏转磁铁，进行了一系列实验研究。 ,5实验采用丹麦DANFYSIC电源，稳定度1×10。磁场测量采用新西兰带温度补偿的高斯计，最小分辨率0.02 Gs。霍尔探头用销钉定位，误差小于0.1 mm。 1 真空盒材料对磁场分布的影响 真空盒一般采用低磁导率材料，由于并非完全无磁，真空盒可能对磁场产生影响。实验中真空盒材料为316 L，基本尺寸如图1所示。实验结果示于图2、3。加上真空盒后，磁场加大，同时场均匀性变差;磁场越大，影响越小。分析发现，对磁场分布的影响主要来自真空盒垂直方向上的部分。要使真空盒对磁场分布的影响小于0.005%，真空盒侧壁至少要离开要求的好场区1个气隙。真空盒由于安装可能导致的倾斜或偏移对场分布影响很小(图4)。所以，对于高均匀性磁铁，真空盒应该选用无磁材料或低磁导率材料。考虑到强度和造价，可以将垂直边使用钛合金，水平边使用316L。 单位:mm 图1 真空盒基本尺寸 图2 有无真空盒的磁场分布 ?——无真空盒;?——有真空盒 194 中国原子能科学研究院年报 2006 图3 不同场强下真空盒对场分布的影响 ?——570 Gs;?——1 057 Gs;?——2 029 Gs;?——3 002 Gs; *——4 067 Gs;+——4 236 Gs;?——6 052 Gs 图4 真空盒偏离中平面和倾斜时场的分布 ?——偏离中平面1.5 mm;?——在中平面上;?——真空盒倾斜 2 剩磁对磁场分布的影响 由于实验所用磁铁磁轭材料为A3钢，在加磁场5 000 Gs后，剩磁可达60 Gs，剩磁的场分布不均匀性大于4 Gs。在此基础上再加磁场，剩磁将严重的影响场分布。所以，必须先退磁。实验中，退磁后的剩磁分布能小于0.1 Gs，场重复性好于0.01,。 3 励磁电源的影响 使用DANFYSIK电源，稳定度0.001,。为了避免涡流对磁场的影响，磁场变化速度应该尽可能慢。本电源为1,16 A，最慢需要50 s，约100 Gs/s。电源打开后，约1 h后稳定。在90 min后，再次加励磁电流，10 min内磁场便可以达到稳定，电源对磁场的影响小于0.1 Gs(基场4 700 Gs)，0.002,。 4 极面倒角对好场区的影响 在计算中，我们发现极面倒角能扩展好场区，但是还没有发现有人采用此方法。作为验证实验，重新加工两块极面贴在原有极面上，测量其倒角与否的场分布(图5)，测量结果示于图6。实验表明，极面倒角确实能够扩展磁场好场区，同时，实验结果与模拟计算基本一致。但这个结 基础和应用基础研究?强激光与加速器 195 果仅在万分之几的均匀场时才成立，均匀度要求不高时，此结果并不成立。 图5 磁铁测量示意图 图6 左边倒角与直角边界的场分布比较 ?——倒角边界;?——直角边界 ISOL主分析磁铁关键参数的设计研究 唐 兵～崔保群～马瑞刚～蒋渭生～王荣文～姜 冲～马鹰俊～陈立华 在线同位素分离器要求质量分辨率高，对其分析磁铁场均匀性要求很高，其主要参数列于表1。通过计算优化确定了磁铁的几个关键几何尺寸。 磁场计算采用POSSION程序。考虑到磁场均匀性要求高，参照国内外资料，分别对加均匀气隙、磁极垫补以及极边倒角等多种提高场均匀性的方法进行了模拟计算。 模拟计算基本模型如图1所示。考虑到对称性，只计算1/4。 由图2和图3可知，当极面选择500 mm宽时，由于局部饱和以及磁轭中磁路长度的影响，磁场随R先增大后减小，磁场均匀性不能达到要求。加均匀气隙后，磁场没有了“抬头”，但是 196 中国原子能科学研究院年报 2006 场下降得很快，也不能满足要求。同时，考虑到均匀气隙不易控制，希望能够尽量避免使用均匀 ,4气隙。但当极面取460 mm时，场“抬头”问题得到解决。1×10场均匀性好场区28 cm，如果再 ,4,5加25 mm×0.5 mm垫补，1×10场均匀性好场区34 cm，3×10场均匀性好场区28 cm。 表1 ISOL主分析磁铁基本参数 基本参量 量值 偏转半径ρ2.5 m 0 气隙 7 cm 偏转角度 100? 好场区 25 cm ,4 场均匀性 1，10 场强 800,5 000 Gs 励磁线圈 35 000安匝 铁材料 DT4 图1 ISOL主分析磁铁模型 磁铁入、出口边沿场效应对束流传输有很大影响。考虑到垫补线圈走线，不使用场钳，而在 极面入、出口处使用了近似罗高斯基边界(图4)，中心磁场强度与有效边界的关系列于表2，其,1,中，有效边界与机械边界的差值为，有效边界随场强变化基本保持不变。 BBZz0()d,0 表2 不同磁场下的有效边界 B/Gs 有效边界/cm 1 000 0.36 3 000 0.36 5 300 0.36 7 000 0.36 由于受到重力和磁力作用，磁轭变形可能影响场分布。采用ANSYS进行模拟，模拟结果如 ,3 ,3 图5所示。磁轭最大绕度为1.21×10mm，而磁铁气隙均匀性只要求小于7×10mm，所以，磁 基础和应用基础研究?强激光与加速器 197 轭变形对磁场的影响可以不予考虑。 图2 极面为500 mm时的场分布 ?——无均匀气隙;×——有均匀气隙;?——极面倒角，3 cm×3 cm; 光滑曲线——极面倒角，5 cm×5 cm; ?——有均匀气隙，倒角，3 cm×3 cm;?——无均匀气隙，极面，460 mm 图3 极面为460 mm时的场分布 ?——w=500 mm，其他w均为460 mm;?——无均匀气隙，极面460 mm; ?–——垫补28 mm×0.5 mm;×——垫补26 mm×0.5 mm;光滑曲线——垫补25 mm×0.5 mm 图4 有效边界计算模型 198 中国原子能科学研究院年报 2006 图5 磁轭变形模拟计算 ISOL计算机控制系统的初步设计 马瑞刚～崔保群～李爱玲～马鹰俊～唐 兵～姜 冲～蒋渭生～邓金亭 在线同位素分离器(ISOL)是串列升级工程中的重要组成部分之一，它主要由真空系统、束流管线、加速系统、聚集系统、导向系统、分析系统、鉴别系统和控制系统组成。控制系统是在线同位素分离器(ISOL)的大脑和神经，整个工作过程在计算机控制系统的控制下进行。 ISOL被控对象同时分布在3个电位上，地电位、300 kV台架和350 kV台架。根据现场设备布局较为分散的状况，考虑系统控制的要求，以及与回旋加速器控制系统的关联性，图1所示为整个控制系统分为操作层、服务器层和控制层三个部分。操作层设置5个工作站;服务器设置2个;控制层使用西门子PLC产品作为ISOL控制系统的主要设备，使用两个主控制器，一个用于高压台架上设备的控制，另一个用于地电位上设备的控制，总线采用现场总线PROFIBUS-DP。为了加强网络抗电磁干扰的能力，采用光纤为网络介质。 图1 ISOL组网系统图 350 kV台架的控制单元结构如图2所示。主控制器放置在地电位上，该台架上放置2个ET200M。 300 kV台架控制单元的结构如图3所示。对各电源的控制使用I/O量模板来实现，小分析磁铁电源、真空测量和束流鉴别设备采用RS485接口进行数据通信。法拉第筒信号通过信号调理模块(隔离放大模块)进入模拟量输入模块进行数据采集。该台架放置5个ET200M。 基础和应用基础研究?强激光与加速器 199 图2 350 kV台架控制单元结构 图3 300 kV台架控制单元结构 地电位被控设备的特点是空间分布范围广，因此，其控制单元的结构与高压台架的控制结构差别很大，主要由一个S7416-2控制站、沿束流管线4组远程ET200M站和若干个HMI设备构成(图4)。 图4 地电位控制单元结构 真空连锁保护系统、设备连锁以及设备间的连锁通过PLC编写程序实现。整个控制系统有完 200 中国原子能科学研究院年报 2006 备的安全连锁保护措施。在出现故障时，计算机可以按照预先制定的关机程序自动停机，也可以手动进行干预。 系统的所有硬件都基于统一的硬件平台，所有软件也都全部集成在SIMATIC 程序管理器下, 具有同样统一的软件平台。控制软件采用SIMATIC STEP 7和SIMATIC WinCC V6.0 64k变量编写。 通过对ISOL系统被控对象的统计分析，提出了总体的设计方案，并根据具体情况分别设计了3个电位上的控制单元以及安全连锁单元的结构，并给出了硬件配置和软件的实现方法。 低能强流离子束装置计算机控制系统 马瑞刚～李康宁～崔保群～姜 冲～唐 兵～马鹰俊～邓金亭～蒋渭生 低能强流离子束装置的远端控制采用计算机控制。控制系统由100 kV电位台架前端控制、60 kV电位台架前端控制以及地电位控制台架构成。结构框图如图1所示。100 kV电位台架上被控制设备有微波电源、励磁磁场电源和进气控制组成;60 kV电位台架上有螺线管电源、开关磁铁电源、前抑制电源、分子泵电源、真空计、导向电源、前加速电源和泵控制、束流监测等。地电位控制台架包括后加速电源、后抑制电源和水冷机等。 图1 系统结构框图 由于有100、60 kV和地电位3个电位，选取可编程控制器(PLC)控制设备。如图2所示，3个电位分别放置3套PLC，控制室可以放置1台或多台PC上位机，通过以太网与3套PLC相互连接。高电位的PLC通过以太网接口、光纤收发器、光纤接到地电位的交换机，以实现数据共享。这种控制方式的优点是光纤数量少，可实现自动控制和连锁保护相对容易;缺点是对PLC本身加装抗打火保护电路。 控制系统选用西门子S7-300系列PLC，100 kV电位选用CPU314，60 kV电位选用CPU315-2DP，地电位选用CPU314。两个高电位上的PLC采用双层屏蔽箱进行屏蔽，PLC上的开关量采用继电器与外部设备进行隔离;模拟量采用两层光隔措施，第1层是信号模块与CPU之间数据总线光隔，第2层是模块与外部设备之间采用带光隔的信号调理模块，隔离电压2 000 V。同时给各种设备加装了保护电路，预防设备损坏。这样可大大提高PLC的抗干扰能力和抗打火能 基础和应用基础研究?强激光与加速器 201 力，防止PLC损坏。 图2 控制系统框图 下位机使用西门子STEP7 V5.3进行编程，分别完成各自台架设备的起、停，电压、电流的设定和监测以及出束流强的测量，各设备之间的互锁控制。上位工控机使用LabWindows/CVI软件进行编程，通过与下位机实时通讯，完成各设备的状态监测、设备的控制、数据备份等任务。控制系统的连锁保护如图3所示，上位机编程实现安全连锁，下位机编程实现电源设备、真空设备的自身保护。 图3 连锁保护框图 控制系统的加工安装已经完成，并进行了初步调试，工作正常。目前，脉冲束线的安装已经完成，现已进行了40 kV台架出束和60 kV台架冷高压实验。已经进行了切割实验，末端流强到达80 µA。在源引出端流强30 mA时，减速实验10 keV能量束流达到60 µA。在以后的工作中，努力提高低能机控制系统的整体性能。 低能强流离子束装置研究进展 姜 冲～崔保群～马瑞刚～李立强～马鹰俊～唐 兵～邓金亭～蒋渭生～王荣文 低能强流离子束装置能够提供能量10,100 keV、靶上流强达10 mA以上的氘束，用于低能的氘氘反应及氘氚反应的实验研究。 装置布局如图1所示。采用微波ECR型离子源，引出束流强度大于50 mA;引出束流能量40 keV，通过加减速系统后，可以达到实验所需的能量;在离子源后面设置了一台螺线管透镜，对束流聚焦，保证束流以较小的角度向后传输，并可改变束流的像点;在束线上设置了1台分析 202 中国原子能科学研究院年报 2006 +磁铁，束流偏转后可得到纯的D离子束。 图1 低能强流离子束装置布局图 ,4 装置的高真空由1台3 500 L/s的分子泵和1台1 500 L/s的分子泵获得，静态真空2×10Pa， ,3 实验真空度2×10Pa。从真空系统开机到束流上靶所需时间为1 h，实验准备所需时间短，操作简单;装置的稳定性好，能够连续运行一周以上的时间。 4截止到2005年12月，装置运行300 h以上。实验测得20 keV氘束入射条件下，D(d, ,)He ,74反应与D(d, p)T反应分支比,/,=1.06，10(1?40,)，并推得20 keV时D(d, ,)He反应截面,p,39 2的上限值为,,2.9×10m(1?40,)。 2006年，在原有装置的基础上，增加了脉冲束线和气体靶束线。2007年2月，脉冲束线对40 keV直流质子束进行切割、聚束后，已经得到频率4 MHz、脉宽3 ns的脉冲束。气体靶束线已经安装完毕。 二极铁磁场一阶和二阶梯度指数修正研究 王荣文～唐 兵～马瑞刚～崔保群～姜 冲～马鹰俊～蒋渭生～邓金亭 在高质量分辨率离子光学系统的设计中，光学系统元件像差干扰了带电粒子的运动轨迹，使高分辨率获得往往变得十分困难。采用所谓的α线圈和β线圈可以有效地在磁场径向产生一阶梯度和二阶梯度。改变一阶梯度的叫α修正线圈，改变磁场二阶梯度的叫β修正线圈。使用α、β线圈的优点在于可方便地改变磁场梯度不受磁铁主场强的影响，同时可以节省系统的轴向空间。 α线圈导体中的电流密度在径向分布应是均匀的，β线圈导体中的电流密度与x坐标成线性关系，即j=Kx。垫补线圈的制造方法有很多，我们采用印刷电路板作成同心导线圆弧，每根导线间隔0.3 mm，导线厚0.15 mm，导线之间串连。α线圈每根导线宽度相等l=l/n，Δ,=,,nI/lGB;βi0002*线圈最外根导体宽度l=l/2n，其余导体宽度l可用递推公式计算，l,2l(l,l)+2ll =0，其中nii-1i-1iin*2l是适时调整后的线圈宽度，由此得到Δβ=,,nI/GlB。 i000 实验在一个60?的偏转角的扇形磁铁上进行，其中央轨道半径ρ=40 cm。改变α线圈或β线0 圈的电流，测量两种修正线圈各自产生的磁场沿径向的分布，结果分别表示在图1、2。α线圈产 2生的磁场随x线性变化，而β线圈的磁场与x成正比，同时，对测量数据进行多项式拟合，在α 2线圈和β线圈电流为3 A时(在实验中最大最流密度25 A/mm，而不会损坏电路板)拟合多项式 ,42,632为:α线圈场沿径分布，B=,10x+0.373 1x;β线圈场沿径向分布，B=,2?10x+0.004 6x,2,,73,,0.256?10x+2.32，,=5.25×10，，与理论计算值十分接近，前者相差约2%后者相差约6%。 实验证实，用α线圈和β线圈可以方便地改变磁场的梯度指数α值和β值，对于修正二极铁 基础和应用基础研究?强激光与加速器 203 光学系统的一阶和二阶像差是个较方便的方法。这一技术将在串列加速器升级工程在线同位素分 离器中得到应用。 图1 α线圈不同电流产生的磁场 ?——I=1.1 A;?——I=2.2 A;?——I=3 A ααα 图2 β线圈不同电流产生的磁场 ?——I=1.1 A;?——I=2.2 A;?——I=3 A βββ 参考文献: [1] CAMPLAN J, MEUNIER R. Nuclear Instrum Methods, 1981, 186: 445-452. [2] SCHMEING H, HARDY J C, et al. Nuclear Instrum Methods, 1981, 186: 47-59. 紧凑发射度仪的研制 李立强～崔保群～李爱玲～马瑞刚 中国原子能科学研究院的串列加速器升级工程将利用新建的1台100 MeV回旋加速器作为驱 动加速器，通过新建的在线同位素分离器，在线产生所要求的放射性核束，将其注入HI-13串列 加速器中加速后开展各种物理实验研究。其中，在线同位素分离器所产生的放射性核束的强度非 204 中国原子能科学研究院年报 2006 510 常低，只有10,10pps，这就要求系统在光路调试中要先用稳定束来进行，稳定束流强可达到微安至几十微安。另外系统要实现20 000的高分辨率，就要求像差必须很小，因此，在束线上要配置发射度仪等束流诊断装置，对稳定束品质进行监测，从而能发现束流传输中的问题，提出解决方案。 目前，国内的发射度测量大多是根据设备的具体情况制造，其尺寸也往往根据离子束设备的情况确定，体积一般较大，没有通用性。我们研制了紧凑型的发射度测量仪，用于串列加速器升级工程的发射度测量。对发射度仪的要求是结构简单，易于安装，测量速度快，而且控制及数据处理完全采用计算机，可以实现在线测量。它还可方便地用于其它离子束设备的发射度测量。 1 测量原理 束流的发射度ε表征着离子代表点在x-x’空间里所占的相面积的大小，有: ,22(πmm?mrad)/π(1/π)dd',,Vxx ,,, 所研制的发射度仪采用电扫描的原理测量束流发射度。采用狭缝截取束流中的一小簇束，经过一对静电偏转板进行扫描，再由一个狭缝来获取扫描束信号。如图1所示，离子束打在前缝板上，通过狭缝S的离子进入扫描电场，受到电场力的作用，离子会以抛物线的轨迹运动，通过狭1 缝S后，被F筒收集。假设离子束的能量为E，只有与束中心轴线夹角为θ的离子束与扫描电压2 xVLED'tg/4,,,V满足关系才可以通过狭缝S，被F筒接收。在束流x方向的不同位置，静电2 偏转板通过偏转电压V对入射粒子进行扫描，得到不同偏转电压V值时法拉第筒上的电流，并通过上述关系式可以计算得到各扫描点(即X处)束张角的分布。 图1 发射度仪原理图 2 系统装置 本发射度测量装置原理如图2所示，它由真空机械传动系统、束流接收系统、微机控制系统、数据获取系统组成。图3为发射度仪实物图，整个测量装置长390 mm，直径90 mm。 真空机械传动机构包括步进电机、内外磁轴轮、固定轴承和滚珠丝杠等几部分。它采用磁轴联接，真空室内外各有一个磁轮相对。当PC机向步进电机驱动器发出指令时，步进电机驱动器控制步进电机带动磁轴连接的外磁轮转动，外磁轮通过真空室内的内磁轮带动滚珠丝杠行走，束流接收器随丝杠运动。束流接收器内装有长L=70 mm、间距D=6 mm的偏转板，它由1台?2 kV的电源提供偏转扫描电压。偏转板前后各开了1个0.2 mm的取样缝。接收端设置了抑制电极和法拉第筒，以接收偏转板偏转过来的粒子。束流接收器的结构示于图4。其中，偏压电源线、抑制电源线和法拉第筒线均从束流接收器上端的直管内穿过，通过真空密封插头接到真空室外部，这样，可以避免受到束流照射。 基础和应用基础研究?强激光与加速器 205 图2 发射度测量装置原理图 图3 发射度测量装置实物图 图4 束流接收器实物图 206 中国原子能科学研究院年报 2006 数据获取过程伟将法拉第筒接收到的电流信号通过取样电路转变为电压信号，通过电压信号调理模块送到PC机内处理。由于所测束流强度为微安级到毫安级，取样后的电流信号就更小了，这给数据采集带来很大困难。这里主要是空间高频信号的影响。我们测得空间干扰造成的本底噪音约为200 mV左右，而实验中经过取样电路后的最大电压信号仅为500 mV，这就使测量很不准确。经过试验，我们在取样电路后边增加了一个电压信号调理模块，一方面，它可以将几毫伏的电压信号放大为几伏;另一方面，它有通过其内部的滤波电路能将高频干扰信号隔离掉。图5是我们将一个3 mV的直流电压信号通过电压信号调理模块送到PC机内所测得的结果。图5显示电压信号调理模块基本能将高频干扰信号隔离掉。 图5 3 mV电压信号测量结果图 测量装置所有部件的运动由1台PC机控制，控制和数据测量及处理程序由Labview软件编写。束流发射度测量过程如下。 1) 计算机发出指令，使步进电机驱动器控制步进电机转动，带动束流接收器前进一小步，接收器到达测量点后，停止前进，驱动器反馈给计算机信号; 2) 计算机接到驱动器反馈信号后，向偏压电源发出信号，使偏压电源进行一次电扫描，与此同时，通过取样电路把束流接收器的束流信号输入计算机。偏压电源扫描完一次后，反馈给计算机信号; 3) 不断重复步骤1)、2)，直至测量完毕。 图6 束流的束峰分布图 3 实验结果 我们将发射度仪模型安装在离子束设备上进行在线测量实验。所测束流为质子束，能量30 基础和应用基础研究?强激光与加速器 207 keV，流强约10 mA，最大束张角为120 mrad,计算出所需偏转电压?700 V。由于束功率较大，我们在束流接收器前设置了水冷缝板，缝大小可在0,2 mm范围内调节。 测量开始后，束流接收器沿束流x方向运动，并每隔固定距离作一次电扫描取样。扫描间距及扫描电压的设定影响着取样时间的长短。通常取样时间在1,2 min。所测束流的束峰分布如图6所示。图7是通过计算所得到的发射度二维相图。 图7 束流的发射度二维相图 在线实验测量表明，该发射度仪可方便用于测量离子束的发射度，测量快速、方便。 串列升级工程ISOL的放射性气体收集系统的设计 李立强～崔保群 中国原子能科学研究院的串列加速器升级工程将利用新建的1台100 MeV回旋加速器作为驱动加速器，通过新建的在线同位素分离器，在线产生要求的放射性核束，将其注入HI-13串列加速器中加速后进行各种物理实验研究。ISOL工作时，靶源系统会产生很多放射性核素，其中的一些气溶胶态和挥发态的核素会被真空泵排出真空室，由于其具有很强的放射性，不能直接排入实验室排风系统，需要先收集起来，存入储气罐，待其衰变足够的时间，经过测量，符合排放标准后，再向公众环境排放。这就需要建立一套放射性气体收集系统。 根据ISOL的工作要求，我们设计了1套放射性气体收集系统。图1为真空排气系统设计原理图。其中，方框A是靶源及高电位分析段真空系统，方框B为真空排气收集处理系统。由于所有真空泵都处于+300 kV的高电位，因此，两系统之间采用一根长1 500 mm、通径25 mm的聚乙烯管(陶瓷)作绝缘处理，其中的气压保持在0.1 MPa左右。 1 系统主要设备 系统主要设备如下: 1) 增压系统 增压系统主要用于将前级储气罐内的气体压缩至次级储气罐内，提高放射性气体存储量。考虑到系统的总体要求，例如气体泄漏、体积大小等问题，选用空气压缩机作为增压设备是不合适 208 中国原子能科学研究院年报 2006 的。经过比较，我们选择了气气驱动气体增压泵。该设备的体积小，控制方便;漏率低;安全可靠;不需使用电源等。 2) 过滤器 放射性气体的处理方法有吸附和过滤。ISOL的气体收集系统包括过滤和收集两部分。对于气溶胶状的放射性核素，采用高效过滤器过滤的方法收集。通常高效过滤器的过滤精度为0.3 μm，过滤效率在99.97%以上。考虑到高电位分析段房间内的辐照因素，我们选择了抗辐照的核级过滤器。该过滤器系统为3级过滤，第1级为玻璃纤维过滤器，主要过滤气溶胶，第2级为活性炭吸附器，主要是吸附放射性气体，第3级为玻璃纤维过滤器，主要过滤经过活性炭吸附器后带有C 8 离子的放射性气体。三级过滤器的滤芯材料全部为抗辐照材料，能满足年剂量10rad的照射，并且过滤精度能达到0.3 μm，过滤效率为99.99%。这里，考虑到我们的使用环境，过滤器滤芯的使用寿命主要决定于高电位分析段房间内的辐照因素。另外，在收集系统向实验室通风管道排气前端，我们还设置了一个活性炭过滤器，主要作用是对于前级过滤器的备份，保证系统的绝对可靠性、安全性。 图1 靶源及高电位分析段真空及排气收集系统 3) 气体取样器 气体取样器主要用于收集系统工作一段时间后的放射性气体取样。取样后将其置于高纯锗探测器内，配合多道分析器进行核素分析。取样器为高60 mm、外径110 mm的储气罐，容积500 mL，材料为304不锈钢，壁厚3 mm，壳体耐压大于0.98 MPa，质量小于2.5 kg。取样器顶部为自密封快接头，拆卸速度小于10 s。由于接头采用快卸自密封结构，可保证取样时泄漏量很低。 基础和应用基础研究?强激光与加速器 209 4) 储气罐 储气罐的存贮量由它的存储压力和容积决定。在本系统中，我们选择了耐压0.8 MPa、容积300 L的不锈钢储气罐。由于采用了双级存储的结构，极大提高了系统存气量，也相应提高了ISOL连续工作的时间。经过计算，系统可工作20 a不用进行气体排放。 2 收集系统工作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 当真空系统为预抽时，2,阀门组关闭，打开1,阀门组中的任意一个，直接向实验室通风管道排气。 当靶源系统工作时，1,阀门组关闭，打开2#阀门组中任意一个，将真空排气排入储气罐1。 随着靶源系统工作时间的增加，储气罐1内的压力不断增高，当其压力达到0.11 MPa时，压 ,、4,、5#阀门组中任意一力传感器1,向气体增压系统发出控制信号，启动增压系统，同时3 个阀门打开，储气罐1内的气体被不断压入储气罐2。当储气罐1内的压力降至0.09 MPa时，压力传感器1,再次向气体增压系统发出控制信号，停止增压系统，同时关闭3,、4,、5,阀门组。注意，储气罐2和储气罐3内的压力大于0.7 MPa时，2,、3,压力传感器发出报警信号，增压系统停止工作。 当气体收集系统大约工作1 a时，应进行气体取样。将气体取样罐接在管道上，打开9,阀门组中任意一个阀门，取样完毕，关闭9,阀门组。若放射性气体符合排放标准，打开6,阀门组中任意一个，调节10,阀门，适量向实验室通风管道排气。 3 系统的安全性保护 安全性的考虑主要表现在系统是否有泄漏、储气量是否超过限值引起真空泵不能正常工作或储气罐超压。系统设计中，采用压力传感器控制增压泵和阀门。当前级储气罐压力超过0.11 MPa时，压力传感器向增压泵发出控制命令，增压泵自动启动。当后级储气罐压力达到0.7 MPa，压力传感器发出报警信号，并且控制关闭储气罐进、出口阀门。系统泄漏主要是阀门和增压泵的漏气，设计中采用进口气动关断阀，氟橡胶密封;增压泵采用气气驱动，内部全套使用进口密封圈，驱动气体与被增压介质之间严格隔离，相互不会渗漏。另外在设计中，系统采用了阀门和二级储气罐冗余的方法，即一个出现问题，另一个作为备用，保证能对系统进行处理。