加速器是使用電磁場(chǎng)將帶電粒子加速到高能量的裝置。它是研究原子核和基本粒子的重要設(shè)備，并可廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)。回旋加速器具有連續(xù)束流、流強(qiáng)高、發(fā)射度低等特點(diǎn)，并且占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊，常被用作質(zhì)子放射治療系統(tǒng)的粒子源。

圖1 中科離子自研SC240醫(yī)用超導(dǎo)回旋加速器

束流測(cè)量系統(tǒng)是加速器在調(diào)試、運(yùn)行過程中的主要檢測(cè)手段，通常被稱為加速器的“眼睛”。束流測(cè)量系統(tǒng)的精度也在很大程度上決定了加速器的優(yōu)化程度。束流本身是看不見、摸不著的，測(cè)量束流需要將其轉(zhuǎn)化成我們可以看得見的光信號(hào)，或者能夠處理的電信號(hào)，這些信號(hào)可以反饋束流的一些特征。

束流測(cè)量很像“盲人摸象”。束流如同一頭未知的大象，我們沒有辦法也不必知道這頭大象的所有信息，只需知道它某方面的關(guān)鍵信息。當(dāng)我們需要測(cè)量束流流強(qiáng)時(shí)，我們可以派出“盲人”——主徑向探針、法拉第筒等工具；當(dāng)我們要測(cè)量束斑形態(tài)時(shí)，我們可以派出“盲人”——熒光靶、輻射變色薄膜等工具。每種測(cè)量方法都可以反饋束流某一方面的特征，我們根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)合適的束流測(cè)量設(shè)備。

盲人甲——主徑向探針

在加速器研發(fā)過程中，需要用到多種束流測(cè)量設(shè)備，其中主徑向探針可將束流流強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度信號(hào)，可以反應(yīng)束流在加速器中某一位置的束流強(qiáng)度。它的原理非常簡(jiǎn)單：束流中的帶電粒子就像一顆顆高速運(yùn)動(dòng)的子彈，我們可以選擇適當(dāng)厚度的靶，使子彈無(wú)法穿透靶體，最終全部停留在靶體里，單位時(shí)間內(nèi)靶體內(nèi)新增的子彈上所攜帶的電荷數(shù)就是束流的強(qiáng)度。

圖2 主徑向探針工作原理

以質(zhì)子束流為例，每個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，單位時(shí)間內(nèi)靶體內(nèi)新增的質(zhì)子數(shù)等于單位時(shí)間內(nèi)靶體內(nèi)新增的電荷數(shù)，這便將束流轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。一套優(yōu)良的主徑向探針，既要“測(cè)得全”，能夠接收所需要的盡可能多的束流信號(hào)；又要“測(cè)得準(zhǔn)”，能夠準(zhǔn)確反饋高精度的流強(qiáng)信息及束流攔截位置。

圖3 不同能量質(zhì)子束流“測(cè)得全”所需的最小鎢靶厚度

想要測(cè)得全，就要讓所有測(cè)量的粒子都可以停留在靶體內(nèi)。在中科離子研發(fā)的SC240超導(dǎo)回旋質(zhì)子加速器中，質(zhì)子束流能量從初始的幾十keV一直加速到240 MeV，此時(shí)質(zhì)子速度可達(dá)到光速的70%左右。束流能量越高，速度越快，就需要越厚的靶。如圖3所示，越高能量的質(zhì)子束流，“測(cè)得全”所需要的鎢靶厚度越大。一般來說，靶的厚度要略大于“測(cè)得全”所需要的最小厚度，以確保能夠盡可能多地?cái)r截束流中的粒子。在SC240超導(dǎo)回旋質(zhì)子加速器中，鎢靶的最小厚度要大于35 mm，實(shí)際使用的厚度是40 mm。

另一個(gè)影響“測(cè)得全”的因素是束流的入射方向。如圖 4所示，當(dāng)束流入射方向不合適時(shí)，束流也不能全部停留在靶體內(nèi)。中科離子設(shè)計(jì)了合適的曲線軌道，保證束流始終以合適的方向入射。

圖4 不合適的束流入射方向

“測(cè)得準(zhǔn)”包含兩方面，位置測(cè)得準(zhǔn)和束流流強(qiáng)測(cè)得準(zhǔn)。中科離子研發(fā)的主徑向探針，通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、改良小車設(shè)計(jì)，使靶在曲線軌道上高精度平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。在加速器調(diào)試中，束流流強(qiáng)越小，所造成的輻射和活化就越少。我們通常將電流信號(hào)控制在10 nA（1×10-8A）以下。微弱電流采集本身就比較困難，再加上加速器內(nèi)部又充斥著高強(qiáng)磁場(chǎng)和高頻電場(chǎng)，這對(duì)靶的接線和電磁屏蔽提出了很高的要求。中科離子從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合理論知識(shí)，探索出自己的一套束測(cè)方案。在SC240加速器調(diào)試過程中，主徑向探針的噪聲水平小于0.1 nA。

盲人乙——熒光靶

人使用最多的感官是眼睛，通過眼睛直接看到的比電腦上的數(shù)據(jù)曲線更加直觀。想要看到束流，就要用到另一種束流測(cè)量設(shè)備——熒光靶。

圖5 熒光靶測(cè)量原理

如同子彈穿靶后的速度會(huì)降低，束流穿越熒光靶也會(huì)損失一定的能量，其中一部分能量會(huì)將熒光靶中的原子激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的原子并不穩(wěn)定，會(huì)從激發(fā)態(tài)退激到穩(wěn)定態(tài)，并把這部分能量以光的形式釋放出來。熒光靶正是利用了束流這一特性，將看不見的束流轉(zhuǎn)變?yōu)榭吹靡姷牧涟摺Ｔ跓晒獍猩?，我們可以看到束斑的形狀、位置，也可以通過束斑的明暗變化判斷束流的強(qiáng)弱變化。

圖6 中科離子加速器點(diǎn)亮熒光靶

熒光靶必須搭配CCD相機(jī)使用才能實(shí)時(shí)觀察束斑變化。加速器內(nèi)部磁場(chǎng)高，CCD相機(jī)中的電路元件在高磁場(chǎng)下無(wú)法正常工作，因此通常將CCD相機(jī)置于加速器外部或者內(nèi)部磁場(chǎng)較低位置，那么加速器內(nèi)部有些關(guān)鍵高磁場(chǎng)位置就無(wú)法通過熒光靶測(cè)量束斑。這種情況下，可采用離線手段，使用輻射變色薄膜進(jìn)行測(cè)量。

盲人丙——輻射變色薄膜

如同子彈射穿靶后會(huì)在靶上留下彈痕，束流穿越輻射變色薄膜也會(huì)破壞輻射變色薄膜中的分子結(jié)構(gòu)，而有些分子結(jié)構(gòu)的改變會(huì)帶來顏色的改變，將束流的“彈痕”顯現(xiàn)出來。

圖7 中科離子輻射變色膜測(cè)量束斑結(jié)果

通過對(duì)薄膜變色的分析，可得到束斑信息，結(jié)合分光光度計(jì)對(duì)變色程度分析，可得到束流的強(qiáng)弱信息。

盲人丁——法拉第筒

加速器外部沒有內(nèi)部復(fù)雜的電磁場(chǎng)，束流引出加速器后基本按照直線運(yùn)動(dòng)，這是測(cè)量束流的參數(shù)就比較容易。束斑信息可以通過上文提到的熒光靶和輻射變色薄膜測(cè)量，流強(qiáng)信息則可以通過法拉第筒測(cè)量得到。

圖8 法拉第筒原理圖

法拉第筒是常見的束流測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量原理和主徑向探針類似，束流完全沉積到法拉第筒內(nèi)，其所帶電荷轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度信號(hào)。當(dāng)子彈打到靶上，總會(huì)從靶上落下一些碎屑。束流沉積在靶上，也會(huì)將靶上的電子擊出，稱為二次電子發(fā)射。法拉第筒本身是電中性的，質(zhì)子束流需測(cè)量的是正電流，如果存在二次電子發(fā)射，靶上損失了電子對(duì)應(yīng)的負(fù)電荷，就會(huì)相應(yīng)多出正電荷，使測(cè)量到的結(jié)果偏大。因此法拉第筒通常設(shè)計(jì)為筒狀，同時(shí)在筒口增加反向抑制電場(chǎng)，使發(fā)射出來的二次電子在電場(chǎng)的作用下回到靶體，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

小結(jié)

束流雖然看不見、摸不著，但可以通過各種束流測(cè)量手段，從不同的側(cè)面獲取所需束流參數(shù)。在加速器調(diào)試、運(yùn)行過程中，束流測(cè)量貫穿始終，只有高精度的束流測(cè)量設(shè)備，才能準(zhǔn)確反饋加速器狀態(tài)、調(diào)試出優(yōu)良的加速器性能、得到完美的束流品質(zhì)。中科離子設(shè)計(jì)研發(fā)的各項(xiàng)束流測(cè)量設(shè)備，性能優(yōu)良、測(cè)試精準(zhǔn)，已助力公司多臺(tái)加速器成功調(diào)試。