2-7  12 MeV直线感应加速器轫致辐射靶靶面回流离子测量

禹海军  龙继东  李  勤  周符新  石金水  马  冰  陈  楠  荆小兵

强流直线感应加速器(LIA)能够产生2~3 kA、10~20 MeV、约80 ns(FWHM)的强流高功率的脉冲电子束，经过数十米的传输、聚焦成毫米量级的束斑后打击到轫致辐射靶上，来产生高剂量的X光。同时电子束打靶使靶面沉积大量的能量导致靶面的温度骤然升高，引起靶表面物质或杂质(如碳、氢、水蒸气与靶材料等)被汽化电离而产生等离子体。强流电子束在靶前附近产生的强空间电荷电场(场强可达MV/cm)把离子从靶面拉出，以逆着电子束的方向前进，被称为回流离子。人们提出回流离子与电子束发生作用，会导致电子束被提前聚焦，在预定的靶面形成散焦。

设计利用法拉第筒来测量12 MeV LIA束靶作用区的等离子体。法拉第筒由两个绝缘、同轴的圆筒组成，内筒与接地外筒之间最高电压为-2 kV，法拉第外筒为f4.5 cm，开孔为f1.0 cm，长L =6 cm，内筒为f2.5 cm，孔径d =f1.2 cm；孔径与筒长的比例小的目的是为了减小离子与内筒之间的作用而产生的二次电子的逃逸。

考虑到12 MeV LIA的聚焦段与靶室结构，设计了两套法拉第筒来进行测量，其中一个法拉第筒被放置在离束靶相互作用区14 cm的地方、且与电子束轴成60°夹角，另一个放置在离束靶相互作用区14 cm的地方、但与电子束轴成70°夹角。实验时两个法拉第筒被加上最高为2 kV的负压(可调)，其目的是为了加速离子。另外，实验中输出信号和示波器间还连接有两端匹配的衰减器(1/9)。

通过以上实验的多次重复进行并与模拟计算结果进行分析比较得到以下结果：(1) 负信号(测量电路中无反相电路)说明筒中的信号应该是负电荷粒子；(2) 信号和束流到达靶的时间几乎同步，因此只能是电子信号，它可能来源于返轰电子或者束流打到束管道反射进入筒中的电子；(3) 利用铅皮封住法拉第筒口后得到的结果为电子信号消失，说明信号是由法拉第筒口进入而非侧壁进入的束流电子；同时在无靶时得到的电子信号消失也说明了信号来源于靶的反射；(4) 用蒙卡模拟得到的返轰电子在数量上和测得的电子信号接近。综合上面的分析可以知道，目前状态下在60°~70°方向附近未发现回流离子的存在。