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備，并可廣泛地應用于工農業(yè)和醫療衛生事業(yè)?；匦铀倨骶哂羞B續束流、流強高、發(fā)射度低等特點(diǎn)，并且占地面積小、結構緊湊，常被用作質(zhì)子放射治療系統的粒子源。

圖1 中科離子自研SC240醫用超導回旋加速器

束流測量系統是加速器在調試、運行過(guò)程中的主要檢測手段，通常被稱(chēng)為加速器的“眼睛”。束流測量系統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(jiàn)、摸不著(zhù)的，測量束流需要將其轉化成我們可以看得見(jiàn)的光信號，或者能夠處理的電信號，這些信號可以反饋束流的一些特征。

束流測量很像“盲人摸象”。束流如同一頭未知的大象，我們沒(méi)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。當我們需要測量束流流強時(shí)，我們可以派出“盲人”——主徑向探針、法拉第筒等工具；當我們要測量束斑形態(tài)時(shí)，我們可以派出“盲人”——熒光靶、輻射變色薄膜等工具。每種測量方法都可以反饋束流某一方面的特征，我們根據實(shí)際需求，設計合適的束流測量設備。

盲人甲——主徑向探針

在加速器研發(fā)過(guò)程中，需要用到多種束流測量設備，其中主徑向探針可將束流流強轉化為電流強度信號，可以反應束流在加速器中某一位置的束流強度。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動(dòng)的子彈，我們可以選擇適當厚度的靶，使子彈無(wú)法穿透靶體，最終全部停留在靶體里，單位時(shí)間內靶體內新增的子彈上所攜帶的電荷數就是束流的強度。

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)間內靶體內新增的質(zhì)子數等于單位時(shí)間內靶體內新增的電荷數，這便將束流轉化為電流信號。一套優(yōu)良的主徑向探針，既要“測得全”，能夠接收所需要的盡可能多的束流信號；又要“測得準”，能夠準確反饋高精度的流強信息及束流攔截位置。

圖3 不同能量質(zhì)子束流“測得全”所需的最小鎢靶厚度

想要測得全，就要讓所有測量的粒子都可以停留在靶體內。在中科離子研發(fā)的SC240超導回旋質(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，“測得全”所需要的鎢靶厚度越大。一般來(lái)說(shuō)，靶的厚度要略大于“測得全”所需要的最小厚度，以確保能夠盡可能多地攔截束流中的粒子。在SC240超導回旋質(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“測得全”的因素是束流的入射方向。如圖 4所示，當束流入射方向不合適時(shí)，束流也不能全部停留在靶體內。中科離子設計了合適的曲線(xiàn)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

“測得準”包含兩方面，位置測得準和束流流強測得準。中科離子研發(fā)的主徑向探針，通過(guò)優(yōu)化機械結構、改良小車(chē)設計，使靶在曲線(xiàn)軌道上高精度平穩運動(dòng)。在加速器調試中，束流流強越小，所造成的輻射和活化就越少。我們通常將電流信號控制在10 nA（1×10-8A）以下。微弱電流采集本身就比較困難，再加上加速器內部又充斥著(zhù)高強磁場(chǎng)和高頻電場(chǎng)，這對靶的接線(xiàn)和電磁屏蔽提出了很高的要求。中科離子從實(shí)際出發(fā)，結合理論知識，探索出自己的一套束測方案。在SC240加速器調試過(guò)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(guò)眼睛直接看到的比電腦上的數據曲線(xiàn)更加直觀(guān)。想要看到束流，就要用到另一種束流測量設備——熒光靶。

圖5 熒光靶測量原理

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)的原子并不穩定，會(huì )從激發(fā)態(tài)退激到穩定態(tài)，并把這部分能量以光的形式釋放出來(lái)。熒光靶正是利用了束流這一特性，將看不見(jiàn)的束流轉變?yōu)榭吹靡?jiàn)的亮斑。在熒光靶上，我們可以看到束斑的形狀、位置，也可以通過(guò)束斑的明暗變化判斷束流的強弱變化。

圖6 中科離子加速器點(diǎn)亮熒光靶

熒光靶必須搭配CCD相機使用才能實(shí)時(shí)觀(guān)察束斑變化。加速器內部磁場(chǎng)高，CCD相機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相機置于加速器外部或者內部磁場(chǎng)較低位置，那么加速器內部有些關(guān)鍵高磁場(chǎng)位置就無(wú)法通過(guò)熒光靶測量束斑。這種情況下，可采用離線(xiàn)手段，使用輻射變色薄膜進(jìn)行測量。

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構，而有些分子結構的改變會(huì )帶來(lái)顏色的改變，將束流的“彈痕”顯現出來(lái)。

圖7 中科離子輻射變色膜測量束斑結果

通過(guò)對薄膜變色的分析，可得到束斑信息，結合分光光度計對變色程度分析，可得到束流的強弱信息。

盲人丁——法拉第筒

加速器外部沒(méi)有內部復雜的電磁場(chǎng)，束流引出加速器后基本按照直線(xiàn)運動(dòng)，這是測量束流的參數就比較容易。束斑信息可以通過(guò)上文提到的熒光靶和輻射變色薄膜測量，流強信息則可以通過(guò)法拉第筒測量得到。

圖8 法拉第筒原理圖

法拉第筒是常見(jiàn)的束流測量設備，其測量原理和主徑向探針類(lèi)似，束流完全沉積到法拉第筒內，其所帶電荷轉化為電流強度信號。當子彈打到靶上，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(chēng)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，靶上損失了電子對應的負電荷，就會(huì )相應多出正電荷，使測量到的結果偏大。因此法拉第筒通常設計為筒狀，同時(shí)在筒口增加反向抑制電場(chǎng)，使發(fā)射出來(lái)的二次電子在電場(chǎng)的作用下回到靶體，保證測量的準確性。

小結

束流雖然看不見(jiàn)、摸不著(zhù)，但可以通過(guò)各種束流測量手段，從不同的側面獲取所需束流參數。在加速器調試、運行過(guò)程中，束流測量貫穿始終，只有高精度的束流測量設備，才能準確反饋加速器狀態(tài)、調試出優(yōu)良的加速器性能、得到完美的束流品質(zhì)。中科離子設計研發(fā)的各項束流測量設備，性能優(yōu)良、測試精準，已助力公司多臺加速器成功調試。