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[硕士论文] 黄凯庭
核科学与技术 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:随着加速器技术的进步,对于束流品质的要求越来越高,特别是高流强、高亮度和低发射度的电子束流。电子源电子束的束流品质的提升是提高加速器产生的电子束流的束流品质的重要一环。极冷电子源指的是电子束从超冷等离子体中引出,并在静电场中进行加速的电子枪。其中超冷等离子体由激光冷却的冷原子近域化光致电离产生,静电场一般由平板电极获得。极冷电子源相对于传统的电子枪(光阴极电子枪,热阴极电子枪和场致发射电子枪等)来说,原子能散只有10neV,引出的电子源温度也相对较低,10K左右,热发射度基本可以忽略。这些特质使得它可以被广泛应用于新一代的粒子加速器上,比如自由电子激光(FEL)、激光等离子体加速器等。
  本篇论文旨在研究极冷电子源的电子束流从产生、引出到加速的各个过程。激光冷却部分主要介绍铷原子在磁光阱中的激光冷却,并求出势阱深度最大时,冷却激光的激光频率、激光光强以及反赫姆霍兹线圈产生磁场的大小。激光电离部分主要研究铷原子超冷等离子体的产生过程,特别是其在磁光阱中在电离激光的作用下近域化的电离过程。引出与电离部分主要讨论的是磁光阱中的电子在静电场中的引出与在微波场中的加速过程。引出部分主要模拟在平板电极产生的静电场作用下,电离后的电子束团从磁光阱中引出过程,并得到相应的束流流强、束流能量、束流发射度和束斑大小等电子束的信息。加速部分主要研究从磁光阱中引出的电子束在高频腔中的加速过程,旨在得到满足相应的束流能量需求的电子束团。以上各项参数(包括磁光阱结构、激光光强和频率、束流引出以及加速结构参数等)可以为极冷电子源的实际研制提供一定的参考。
[硕士论文] 耿天如
核科学与技术 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:ATLAS探测器是位于欧洲核子中心大型强子对撞机LHC上的一个大型粒子探测器。2012年,LHC上的ATLAS/CMS装置发现了Higgs玻色子,将粒子物理基础科学引入一个新的发展阶段,为基础物理科学的进步做出了巨大的贡献。为了进一步发现超出标准模型的新粒子,LHC对撞机将进行两次升级,其对撞能量和粒子亮度都将有大幅提高。在LHC升级后ATLAS探测器将面临很多的问题,为此ATLAS合作组决定分别于2018年和2022年对现行ATLAS探测器进行PhaseⅠ和PhaseⅡ升级。PhaseⅠ升级的主要任务是研制Muon谱仪端盖NSW新型探测器系统,解决SW探测器系统对于Muon粒子测量所遇到的问题。NSW PhaseⅠ主要由径迹探测器Micromegas、触发探测器sTGC及电子学读出系统、量能器CAL触发电子学的升级三部分构成。其中中国科学技术大学主要负责NSW系统sTGC探测器前端电子学FEB的研制与生产安装任务。最终NSW升级需要1536块分为两种不同类型的FEB,每块FEB上会用到约6-15不等的各类ASIC,最终提供约322000读出通道。FEB将要历经设计研发、调试测试、束流测试、上室测试、生产安装等多个环节,每个环节都将会产生大量的测试数据,这些数据对于ATLAS实验最终的物理分析都将产生重大影响,因此需要专门进行管理。
  针对FEB设计研发、调试测试、生产安装过程中会产生大量的种类繁多的数据,难以管理的问题,本论文首先对FEB相关数据的管理需求进行了详细的调研和分析,提出通过搭建FEB数据管理系统的方式来解决这一问题。结合前期需求分析的结果最终确定基于Django模型来开发FEB数据管理系统,然后分层次地设计了FEB数据管理系统的概念模型以及底层数据库的表结构,并在此基础上完成了该FEB数据管理系统的开发,提供了完整的数据库管理系统操作功能,还对FEB数据管理系统进行了多方面的测试。目前,该FEB数据管理系统已经成功应用于FEB相关的实际数据的存储与管理中。
  本论文工作的创新点主要有以下几点:
  (1)基于Django模型搭建了ATLAS NSW Phase1sTGC探测器前端电子学FEB相关数据的管理系统,成功解决了在整个ATLAS NSW Phase1升级过程中大量多种数据难以统一管理的难题,且该数据管理系统满足了FEB开发研制、调试测试、测试装机的各个阶段所提出的不同的需求,提供了足以解决未来需求的强大的可扩展能力。
  (2)面对大量的需要管理的数据,提供了“单条录入”和“批量录入”两种录入方式,使用户在不同的工作条件下可以选择不同的方式进行录入,成功降低了大量相同格式的数据同时录入时繁重的工作量,同时“单条录入”模式又保留了录入少量数据时的简单便捷。
[硕士论文] 张强
核科学与技术 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:随着粒子加速器的不断发展,尤其以高亮度、全相干、短脉冲为特征的第四代光源建设被提上日程,整个系统对准直测量的精度要求日益提高。为保证机器的顺利建造及正常运转,准直测量工作贯穿整个过程。准直测量工作以测量数据为基础,从预准直阶段到准直安装阶段,再到后期机器维护复测阶段,都会产生大量、格式不同的数据。采用人工处理数据的收集、存储、合并、分发以及综合数据分析,极易出现数据错记、丢失、迁移不安全等问题,且效率低下。采用数据库技术的数据管理系统应运而生。
  准直测量数据管系统是基于B/S模式的Web应用,实现了数据统一、在线管理。该系统采用了SUN公司的JSP和JDBC技术,充分利用了SUN公司J2EE开发平台的特点与优势,实现异构系统的集成,达到了异地数据的交换和管理信息共享的目标。目前,这套系统具有数据存储、数据查询、数据删除、数据修改、数据处理、仪器管理、文献管理等功能。整个系统包括前端页面和后台管理系统两部分,采用MVC结合分层思想的模式进行开发。MVC的设计模式使系统各组成部分之间的耦合性大幅度降低,系统的扩展和维护性能得到了最大程度的增强。结合准直测量数据处理理论,自主开发了平滑处理软件,内嵌在系统的数据处理模块,丰富了系统的功能。
[博士论文] 周天雨
核科学与技术 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:本论文主要研究内容是合肥光源逐束团流强和高灵敏的工作点测量系统的研究。在充分调研国内外加速器实验室的测量方案的基础上,设计了两套全新的束流测量和诊断系统。逐束团流强测量系统利用超快光电探测器把同步辐射的光脉冲信号转换为电信号,再进行处理得到逐束团流强。新的高灵敏工作点测量系统则是使用(Direct Diode Detector Baseband Tune)3D-BBQ技术可以在没有激励信号的条件下测量工作点,不会对储存环中的束流引起扰动,具有可以成为实时在线测量工作点系统的潜力,有极高的应用价值。
  本文首先介绍了与本论文相关的加速器物理。从整体上定性地介绍了加速器储存环的物理,给出了束流的横向转换矩阵、β函数和横向振荡等理论知识进而引入了工作点这一个重要概念,同时还介绍了束流流强及同步辐射这些与设计的两套系统密切相关的物理参数,并给出了工作点和束流流强在束流测量与诊断领域的基本理论。
  其次介绍了基于同步辐射的逐柬团流强测量系统的设计与实现。介绍了合肥光源储存环B8光束线的基本情况,确定了用于基于同步辐射的逐束团流强测量系统的光路设计。计算了在光电探测器处同步光的功率,确定了超快光电探测器的型号是滨松公司的G4176-03光电探测器。介绍了利用等效时间采样算法重构束流的时域波形。为了确定逐束团的绝对流强,使用了直流流强变压器(DCCT)系统得到束流的直流流强,并对DCCT系统的进行了误差分析和分辨率测试。使用基于同步辐射的逐束团流强测量系统分别在日常运行多束团模式、单束团及一个摩尔斯码编码的“HLS”填充模式下进行了逐束团流强测量实验,得到了相关实验结果。
  最后介绍了高灵敏度的工作点测量系统的设计与实现。介绍了3D-BBQ技术的基本原理,根据合肥光源储存环参数,设计了3D-BBQ的前端电子学模块,并进行了模拟仿真实验。根据仿真结果,制作了前端电子学的实物PCB板。最后搭建了工作点测量平台,并进行实验,得到实验结果。同时还进行了与合肥光源现有的扫频激励法工作点测量系统的比对实验,验证设计目标。
[硕士论文] 李明慧
控制工程 天津工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着希格斯玻色子(Higgs)在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上被发现,我国高能物理学家提出建设环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)的方案。
  电磁量能器(Electromagnetic calorimeter,EACL)是CEPC谱仪中的重要组成部分,由硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)和塑料闪烁体组成的读出单元方案作为电磁量能器的预研方案之一,逐渐成为研究热点。在探测器预研阶段需要对读出单元性能进行充分研究,CEPC电磁量能器需要约800万路探测单元,由于塑料闪烁体存在个体性差异,这就要求搭建测试平台对塑料闪烁体进行性能测试,挑选出一致性较好并满足性能要求的塑料闪烁体。为了实现对读出单元的快速测试,因此设计了一套基于LabVIEW虚拟仪器的自动化测试系统用于对读出单元进行测试、分析并改善其性能。
  利用DT5751、SiPM驱动电路板、步进电机、低压电源、继电器等完成硬件搭建,以LabVIEW为开发平台完成了软件的串行协议接口之间的通信、设备的自动控制,实现了读出单元的自动化测试,编写了相应的数据处理程序,对采集到的数据进行离线处理分析。在此基础上进行了SiPM刻度、闪烁体发光均匀性、耦合不同像素SiPM闪烁单元光输出均匀性测试、反射材料对光输出影响及不同方法测试SiPM暗噪声的研究。
  在实验室中对读出单元进行测试时,由于宇宙线信号事例少,事例率较低,因此使用Sr-90放射源替代宇宙线信号作为测试系统的入射源进行测试。最后还对读出单元装置进行了束流测试,验证了实验室测试系统的可行性及读出单元的性能。
[硕士论文] 赵五元
电子与通信工程 兰州大学 2017(学位年度)
摘要:在加速器运行过程中,若加速器实际能量与加速器预设能量不符,会对实验造成不可估量的后果,这时就需要对加速器的能量进行在线监测,并在实际能量与设定能量不符时切断束流,并报警。
  能量监测有两种方式,一种是通过能量与高频射频信号频率的关系,测出高频射频信号频率,求出能量;另一种是通过能量与二极铁电流的关系,测出二极铁电流,求出能量。对于能量与二极铁电流值之间关系,有线性区和非线性区两种关系,不利于程序建立。故在实践中采用了能量与高频射频信号频率之间关系测量同步加速器的能量。频率分析可以使用软件和硬件多种方法来实现,但纯软件方法无法分析实时信号,而且无法在亚毫秒时间内给出频率分析结果;纯硬件方法数据传输和处理却比较困难。目前业界使用很广泛的可编程逻辑器件FPGA提供了软硬兼顾的解决方案,FPGA程序由硬件逻辑单元实现,实时信号接入及处理很方便,编程使用 VHDL语言,逻辑组织和数据处理也非常灵活。因此,使用FPGA成为比较理想的实现方法。
  本文选定方案为,控制机箱采用 NI的 PXIe-10828槽机箱,控制器采用PXIe-8135控制器,数据采集采用NI5751B适配器,编程器件采用NI PXIe-7975R,设计软件采用NI LabVIEW。
  设计思路是采用 FFT方式来计算信号频率,并实时求出频率对应的能量。由于采集到的RF信号为模拟信号,因此首先需要通过ADC模块将模拟信号转换为数字信号,之后对其进行 FFT计算,利用冒泡排序法,找出最大值,计算出实际频率,然后根据加速器预设能量计算出对应预设频率,对比频率,若是超出误差范围就引发联锁切断束流。在设计的过程中,为了满足本系统△f低于2KHz的要求,又由于LabVIEW中单通道单采样FFT对采样点数的限制,本设计采用了降低采样频率fs的方法来降低△f以满足系统要求。
  在软件系统整体设计中对外提供 OPC UA变量接口,使得任何外部应用程序都可以在遵守 OPC UA协议的条件下使用能量监测系统。在服务端设计中使用LabVIEW提供的.net接口,将服务端命令调用等复杂逻辑方法封装为DLL,在LabVIEW中进行调用。
  然后,对系统进行测试。分别模拟频率正常和频率出错的情况以及能量正常和能量出错的情况,验证整个系统的功能和准确性。
  最后,对该设计以及自己所学做出总结,并且提出下一步的工作。
[硕士论文] 徐明
电路与系统 宁波大学 2017(学位年度)
摘要:本文研制了一种新型介质阻挡放电离子源(DBDI)控制系统。首先,对介质阻挡放电机理的研究设计并制作了一种新型的单电极介质阻挡放电离子源装置,并对所研制的介质阻挡放电离子源装置进行验证。所研制的装置基于交流高压激发氦气形成等离子体束使检测样品离子化的工作原理,然后通过改变电极形状、采用绝缘电介质等电场调整方法,实现单个交流高压电极向指定方向的稳定、高效放电搭建单电极 DBDI研究平台。同时,采用不同浓度的咖啡因溶液验证了该装置的整体性能。结果表明, DBDI-MS(LTQ)质谱联用可以对咖啡因样品准确定量,其检测限浓度为50ppb。比 DART-MS的咖啡因样品检测限约高15.6倍。且咖啡因浓度1ppm九次进样的检测重复性 CV=1.5%,重复精度达到国际先进水平。
  根据对介质阻挡放电机理的实验研究,结合自动化控制的特点设计制作了一套针对新型单电极介质阻挡放电离子源控制装置。依据项目设计需求,完成项目中关键控制技术,包括温度控制系统、气体流量控制系统和电机控制系统等的实现。该装置由电源电路、信号采集电路、I/O控制电路和串口通信电路组成,结合 FPGA的功能特点,设计完成关键控制技术的系统方案。并使用该装置对不同浓度的1,1-二苯乙烯进行检测分析,实验结果表明:制作的新型介质阻挡放电离子源装置可以实现物质定量浓度分析。经过测试,介质阻挡放电离子源在离子化1,1-二苯乙烯时,检出限可以达到2.5ppm,并且在2.5~50ppm浓度范围内物质浓度与离子峰强度呈现很好的线性关系。由于装置具有自动化设计和高精度控制等特点,使得其在实验测量过程中具有良好的稳定性和重复性。另外,改变实验设置参数可以优化出最佳的检测条件。
  本文制作的单电极介质阻挡放电离子源通过结构设计进行电场调整的方法成本低廉,结构简单;研制的离子源控制装置具有高集成度,高自动化和高控制精度等特点。整个装置可以满足一般分析物的测量。本文研究为新型介质阻挡放电离子源的研制提供了一种自动化,低成本的商业化产品。制作的新型介质阻挡放电离子源控制装置为敞开式大气压离子源在质谱领域中的应用提供了条件。
[博士论文] 王洁
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:新一代高能量、高流强、高亮度和长寿命粒子加速器的发展,对真空的要求已从超高真空向极高真空和超低温等极端条件跨越,所面临的挑战主要是:高真空梯度、电子云问题和高密集度,这些问题也成为了新一代加速器真空系统建造的难点,亟待解决。作者在国家自然科学基金的支持下,探索了新一代加速器真空室结构材料的表面处理、制备工艺、可控沉积和材料的表面成分、表面形貌及二次电子发射特性等,论文主要研究内容是:
  1.二次电子产额是新一代加速器真空室结构材料的重要指标,目前没有专门的测试仪器和成熟的测试方法,我们自主研制了国内首台高精度多功能高效率二次电子特性参数测试仪,该仪器可以测试不同入射角度(10°~90°)、不同温区(750K~20K)、和不同入射剂量下导体与绝缘体材料的二次电子产额。实验测试结果表明该仪器的测试功能和测试精度在国内处于领先水平,和国际上一些著名实验室的测试结果比对和对比表明我们的测试仪具有较高的测试精度和准确度。
  2.在国内首先研究了适用于新一代加速器真空室的低二次电子产额、长寿命和良好吸气特性的非蒸散型吸气剂TiZrV-Pd薄膜的关键制备工艺参数和薄膜的二次电子发射特性,其最低二次电子产额可降至1.38。首次研究了镀膜参数对TiZrV-Pd和TiZrV薄膜二次电子产额的影响。
  3.作者在国内首先提出了采用CST软件来模拟跑道型陶瓷真空室磁控溅射镀膜装置中不同尺寸的Ti阴极对辉光放电中镀膜装置内部电场分布的影响,从而优化了异型截面真空室镀膜装置设计、Ti阴极尺寸和安装位置。该模拟方法极大提高了TiN薄膜的均匀性,解决了异型截面陶瓷管道薄膜均匀性差的难题,降低了镀膜成本,节约了时间和能源,提高了镀膜效率。此外,为了提高陶瓷管道的镀膜速率,将跑道型陶瓷管道镀膜装置的阴极Ti丝换成Ti板,镀膜速率较之前增加了近40倍。
  4.基于Matsunami模型和YT模型的半经验公式,在国内首先对陶瓷管道内表面磁控溅射镀膜过程中TiZrV薄膜和Pd薄膜的镀膜速率进行了计算,结果表明:在圆柱型管道磁控溅射镀膜过程中,对于单一金属薄膜而言,沉积速率C可通过溅射深度D来估算。通过对比实验结果和模拟结果,找到更为接近实验值的半经验镀膜速率计算公式。
  在新一代加速器真空方面所面临的三个挑战中,电子云问题是最为关键和核心的问题,因此,真空室结构材料的二次电子产额特性也就成为研究真空室材料的重要内容。目前主要的解决方案是研究加速器真空室相关材料的二次电子产额特性,寻找低二次电子产额的新材料。以此为中心,作者探讨了多种新的低二次电子产额材料的制备、二次电子特性、应用潜力及应用方案,主要研究内容如下:
  1.掌握了真空室管道材料表面沉积低二次电子产额TiZrV-Pd薄膜和TiN薄膜的制备工艺和相关特性,同时,首次采用Monte Carol法模拟了TiZrV-Pd薄膜中二次电子发射过程,定量分析了影响TiZrV-Pd薄膜二次电子发射产额的因素。
  2.基于石墨烯的高迁移率、卓越的热导率,作者研究了铜基石墨烯材料的二次电子产额特性,首次提出了具有低二次电子产额的铜基石墨烯在新一代加速器中的应用方案。
  3.激光刻蚀材料表面技术采用原位处理的方式对样品表面进行加工,可以在大气中对材料表面进行处理以获得二次电子产额低于1的无氧铜和不锈钢样品,其制备成本低,可重复性高且适用材料范围广泛,是目前获得低二次电子产额材料的最佳方案,也是目前国际上的研究前沿。作者在国内首先开展了相关实验研究和机理分析工作,研究了激光参数、暴露大气等因素对激光刻蚀材料二次电子产额的影响,并对激光刻蚀材料表面技术所面临的管道表面处理技术难题进行了探讨和分析。
  这些研究成果为新一代加速器真空室设计和真空室材料表面处理、储存环电子云问题、加速器超高真空获得以及相关问题的解决有重要的借鉴和参考价值。
[硕士论文] 黄维
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:自上世纪的80年代末,ECR离子源为核物理及重离子加速器等领域做出了突出的贡献,此后世界各地的科学家们纷纷开展了对ECR离子源的研究。ECR离子源得到不断发展,其种类从早期的第一代离子源装置演变到如今以超导离子源技术为代表的第三代装置,其所能产生的离子类型也已从早期的几种气体如氮气、氧气等的中低电荷态离子,到现在从H到U的所有金属或非金属原子的高电荷态离子。
  大部分金属元素在自然界中处于固态,需要将其气态化才能进入ECR离子源中产生对应的元素离子,且气态化的金属原子(或簇团)数量需达到一定值。当前,在ECR离子源中产生这些在常温常压下只以固态形式存在的元素气态主要有以下几种方法:炉子加热法、直接等离子体加热法、等离子体溅射法、激光熔融技术以及挥发性化合物金属离子(MIVOC,Metallic ion from volatile compound)法等,其中炉子加热法具有束流强度高、稳定性好的特点。炉子加热法按其工作温区主要分为低温炉、高温炉,其中高温炉主要针对熔点1500℃以上的金属元素如钴、钛、钒、铂、铀等的强流离子束产生。
  本论文课题设计一种目标工作在1800~2000℃的高温金属炉,通过ANSYS仿真模拟分析了直流加热电阻炉中钽坩埚的温度分布及其在ECR离子源工作环境的强磁场中所受的洛伦兹力,并对坩埚高温下所受热应力进行模拟分析。根据模拟分析结果研制了直流加热电阻炉的结构,并对其进行了离线测试,实验中钽坩埚在1800℃以上发生的形变与ANSYS模拟结果相符,根据模拟分析给出了改进方案。改进后的电阻式加热高温炉能在1500℃时稳定维持48小时以上,而在1846℃时稳定维持6小时以上。对直流加热电阻炉进行了在线测试,得到了25eμA的Ni19+以及185 eμA的Pb28+,验证所设计的高温炉能在ECR离子源强磁场的环境中工作,同时针对出现的问题分析了影响高温炉稳定运行的因素。与此同时,研制了高频加热感应炉及电子束加热蒸发炉,并对两者进行了离线测试,结果表明两者均能使坩埚温度达到1800℃以上。对电子束加热蒸发炉进行了在线测试,结果表明电子束加热蒸发炉受ECR离子源弧腔内强磁场洛伦兹力的作用而无法正常工作,有待改进。
[硕士论文] 王兵
电子科学与技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着军事科技的发展以及民用需求的不断更新,对真空电子器件提出了更高的要求。频率更高、功率更大、频带更宽和器件的小型化等要求对传统真空电子器件带来了新的挑战,带状注由于其空间电荷力较小,理论上可以无限增大其宽边使得它可以传输的电流更大。因而带状注对比于传统的圆形注更适合于产生高频率大功率的辐射。且带状注的慢波结构可采用更利于加工的平板式。带状注真空电子器件的发展将会推动真空电子器件的前进,因而本文对带状注电子枪进行了初步的研究,主要的工作如下:
  1.根据教研室项目对于W波段行波管的参数要求设计了一支工作在W波段的单阳极带状注行波管电子枪,阳极工作电压为21.1kV时,可获得400mA稳定电流,此时阴极发射面电流密度为28.78A/cm2,注腰处截面电流密度约133A/cm2。并且电子枪射程约10mm,横纵比为10:3,注腰截面尺寸小于1mm×0.3mm,并对阳极电压改变以及阴阳极距离的变化对于电子枪性能的影响进行了进一步研究。
  2.根据教研室项目对于140GHz返波管的参数要求设计了一支工作在140GHz的双阳极带状注返波管电子枪,第一阳级电压15kV,第二阳极电压工作范围15kV-18kV,可获得稳定电流42mA左右,此时阴极发射面电流密度约为14.4A/cm2。电子枪射程大于11mm,横纵比为10:1,注腰处截面尺寸小于1mm×0.1mm,并对第一阳极电压改变以及阴阳极距离的变化对于电子枪性能的影响进行了进一步研究。
  3.根据教研室项目对于220GHz返波管的参数要求设计了一支工作在220GHz的双阳极带状注返波管电子枪,第一阳级电压10kV,第二阳极电压工作范围8kV-12kV,可获得稳定电流18.4mA左右,阴极发射面电流密度约为7.5A/cm2,注腰处截面电流密度约116A/cm2。电子枪射程大于7mm,横纵比20:3,注腰截面面积尺寸小于400μm×60μm,在140GHz双阳极带状注电子枪的研究基础上,对其进行进一步研究,探讨了阴极结构改变以及阳极通道的变化对于电子枪性能的影响。
  基于器件的实际需求,本文对单阳极与双阳极电子枪进行了设计,均达到参数指标要求。对于研究带状注器件具有重要的参考价值。
[硕士论文] 邓超
环境科学与工程 西南科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着人类载人航天技术的快速发展,越来越多的国家对太空环境与太空资源进行探索。宇航员的辐射防护问题和宇宙飞船元器件的损伤问题成为航天技术的一个难题,空间辐射主要来自光子、中子和重离子,由于空间中子数量多、穿透力强、伤害大而被人们特别关注。若能测得空间中子能谱,对空间中子能谱进行评估,则对航天技术的进一步发展起着不可替代的作用。
  本工作在地面上模拟太空进行中子能谱测量实验,采用清华大学的LPA(laser plasma accelerator,LPA)产生的150 MeV电子打靶产生的中高能中子,开展基于飞行时间法的中子能谱测量方法研究和中高能中子剂量估算与校准。实验分析得到了LPA电子电荷量与能量分布,采用蒙特卡罗模拟得到了光子和中子分布特性,确定了本工作的中子能谱测量位置。实验测量了不同靶条件下的中子能谱,确定了最佳铅屏蔽条件,得到了可信度较高的中子能谱。采用不同方式对中子注量剂量转换因子进行校正,计算得到了实验测量的中子周围剂量当量值。本工作以LPA作为中子源能量驱动进行实验探索,得出了该加速器下探测条件的参数,为地面中高能中子能谱测量实验提供了参考;对中高能中子周围剂量当量校准进行了初探,得到具有参考价值的中子周围剂量当量值。
[硕士论文] 白建国
控制工程 西安理工大学 2017(学位年度)
摘要:离子加速器在工程物理和医疗领域具有广阔的应用前景,其核心装置为其励磁电源。传统的励磁电源存在功率因数低、谐波污染大,以及能量不能回收等问题。新型加速器对励磁电源精度、动态响应和波形形状提出了更高的要求,于是寻求一种能够解决上述问题且具有较高调节精度和快速动态响应的“绿色”励磁电源已迫在眉睫。
  由于精简矩阵变换器(Reduced Matrix Converter,RMC)具有优良输入输出性能,同时具有转换级数少、功率密度高等特性,本文利用RMC作为加速器磁铁励磁电源,对RMC的工作原理以及双极性电流空间矢量调制策略(Bipolar Current Space Vectorpulse-width Modulation,B-C-SVM)进行了推导,在此基础上,针对加速器性能需求和励磁电流的变化规律,提出了能量可以双向流动的一四象限型RMC以及续流馈能的一二象限型RMC励磁电源拓扑,并分别给出了前后级协调控制方法。针对RMC换流问题,分析了电压型和电流型四步换流策略,提出一种简化的三步换流加零矢量混合换流策略,此换流策略不需增加额外的检测电路,就能很好的消除换流电压尖峰,保证安全换流。最后给出了传统RMC电流闭环控制方案,采用单神经元自适应PID控制器,并与传统PID进行仿真性能比较,单神经元自适应PID系统具有更快动态响应。
  搭建了一台以DSP+CPLD为控制器的实验样机,设计了系统软硬件。在样机上完成了RMC换流策略以及电流闭环方案和功率实验验证;完成了一四象限型和一二象限型RMC的能量正传和回馈的实验验证,验证了所提出的方案的正确性和可行性,结果表明RMC具有优良的网侧和输出性能,并具有较好的动态响应,改进型RMC可实现能量双向流动,满足离子加速器励磁电源性能。
[硕士论文] 楚智超
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:正电子源是通过人工的方法(核反应、放射性同位素、加速器和高能伽马光)产生正电子的放射源。基于正电子源发展出了正电子寿命谱、多普勒展宽谱和角动量分布谱测量等多种技术手段。正电子检测技术具有可测量小尺度、低浓度损伤的优势,分辨率也极高的优点,同时在表面、界面和体相都有极好发挥,是目前对原子级别的损伤最具灵敏性的探测手段,在化学、物理、生物医学以及反物质研究等领域具有很高的应用潜力。
  本论文介绍了正电子的发现及应用历史,并对国内外的正电子源深入调研,为基于加速器的快正电子源技术探究和材料表面、表层研究平台的进一步扩充搭建,完成了初步的物理设计。
  使用EGSnrc软件优化了快正电子源的转换靶物理参数的设计。靶材物理设计考虑了打靶束流的能量,靶材的温升,靶材材质和厚度等多方面因素。分析了打靶后转化的正电子的物理状态。快正电子源的打靶束流基于合肥光源高亮度注入器,打靶束流能量为30MeV,选择了钨作为靶材,最终得到的正电子转化率为2.28%。
  对匹配聚焦系统的束流运动做了理论推导,并使用Parmela软件模拟验证了理论结果。分别对四分之一波长变换器和绝热匹配聚焦螺线管进行了有效的理论计算,并对最终选择的绝热匹配聚焦螺线管引入更精确的数学模型。设计了两种接受度的匹配聚焦螺线管,且使用Parmela软件分别对其进行了模拟追踪计算,计算出传输效率分别为72%和31.5%。
  最后针对两种接受度的输运段,我们采用线性束流动力学追踪的Trace-3D软件分别进行了整体设计。在最优的匹配段和输运段设计方案中,将输运线末端的束斑尺寸压缩在±5mm。且提供了一种基于triplet的输运段设计方案,为将来优化提供更参考。
[硕士论文] 李鑫
核科学与技术·核技术及应用 兰州大学 2017(学位年度)
摘要:随着加速器装置在科学研究和放射医学领域的广泛应用,对作为加速器“眼睛”的束流诊断系统的研究越发重要,尤其是在材料辐照和表面物理实验中,束流剖面及其强度分布的测量至关重要。
  本工作搭建了一套多通道弱电流测量系统,包括多通道弱电流放大器和基于LabVIEW的数据获取系统,可用于多种束流诊断应用。
  多通道弱电流放大器基于仪表放大器电路而实现,根据所测信号来源,本文分别设计了单端输入和差分输入两种印刷电路板,经测试该电路具有很好的线性、很强的抗干扰能力以及高分辨率等优点。基于LabVIEW的强大功能,本文独立完成了数据采集系统及图像反演程序的编译、调试工作,经过实际测试,可完全满足束流测量应用要求。
  基于本文所研制的弱电流测量系统,设计不同探头可满足不同实验需求。综合分析多种束流剖面监测方法,本文中设计了三种探头方案,分别为透射式、阻挡式、扫描式。第一种为120道交叉丝网探头,可实现对近物所320kV高压平台3号终端束流剖面的监测,运行稳定。第二种为128道二维位置灵敏阳极探头,可以完成对EBIS平台的束流测试,已完成初步测试。第三种为128道法拉第筒阵列探头,可实现对稳态束流的剖面及强度分布的测量,具有更准确的测量精度及更高的位置分辨率。
  此外,本文还设计了一套可测量束流发散度的大功率离子注入平台,包括工作台组件、驱动控制组件、束流发散度测量组件,针对强束流的能量积累,对工作台组件进行有限元热分析并设计了冷却水道。
[博士论文] 曾奇
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,高电荷态离子的衰变研究得到了广泛的关注。这些研究的主要动机之一是星体核合成过程是在高温条件进行的,而在这个过程中原子都处于高电离状态。与中性原子的半衰期相比,高电荷态离子的半衰期会有较大的改变。高电荷态离子的衰变可以用离子储存环或者离子阱等装置来进行研究。
  兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)是世界上少数几个研究奇异离子的装置之一。HIRFL-CSR是一个双冷却储存环系统,由主环CSRm、实验环CSRe和连接它们的次级束流线RIBLL2构成。CSRe既是一个冷却储存环,也是一个高精度磁谱仪。中国科学院近代物理研究所的研究人员在CSRe的等时性质谱仪(Isochronous Mass Spectrometry, IMS)上已经开展了大量的短寿命核素质量的精确测量实验。本论文介绍了基于等时性质谱仪开展的首次全剥离离子的半衰期测量实验。我们选取同核异能素9444mRu作为本次实验目标核,其激发能为2.644MeV、半衰期为71(4)μs。
  实验中,我们用能量为376.42 A·MeV的主束11250Sn35+轰击10mm厚的铍靶发生弹核碎裂反应,产生次级离子束流。次级离子束流经RIBLL2的在线筛选和提纯后,注入到设置在等时性模式下的CSRe中。安装在CSRe中的飞行时间探测器来测量被用来测量储存离子的飞行时间信息。根据此时间信息,我们可以推算出相应原子核的质量。我们首次将脉冲高压电源使用到了IMS实验中,从而有效地削弱了探测器的饱和效应。脉冲高压电源设置的延迟时间为33μs。每次注入中,我们记录总共200μs的数据,以便离线分析。
  本论文介绍了在不同实验条件下计算半衰期的方法。除了一些传统方法,我们还特别讨论了当观测时间窗口低至1倍的平均寿命、衰变事例的统计量极低时,计算半衰期的方法。同时,我们对每种方法的适用范围给出了一个限定。
  数据处理主要包括两个部分的内容。一方面,我们测量了目标离子的质量。通过对数据的详细分析,我们重新测量了94Ru和94mRu的质量,其质量过剩分别为-82531(72)keV和-79905(132)keV,得到94Ru的激发能为E*=2626(150)keV。
  另外一方面,我们得到了全剥离离子9444mRu44+的半衰期。由于离子在衰变前后质量的变化,引起离子在储存环中的循环时间发生微小改变。通过观测离子在储存环中循环时间的变化,我们鉴别了衰变事例并提取了相应的衰变时刻。通过研究模拟数据,我们得到了本次实验的灵敏区间为(20μs,180μs),衰变时刻的定时误差为1μs。灵敏区间内观测到了49个衰变事例。通过修正磁场晃动对循环周期的影响,我们得到了29个未衰变的目标离子9444mRu44+以及剩余了37个衰变事件。根据这66个事例,我们得到全剥离离子9444mRu44+的半衰期为97(16)μs。结合中性原子的半衰期,我们得到了94mRu的内转换系数。同时我们用质量结果检验了同中子数链核的质量的系统性。用半衰期结果计算形变参数B(E2)值,并通过B(E2)值验证了全剥离离子9444mRu44+是一个非常好的球形核。
  本文介绍了用等时性质量谱仪首次研究了百μs量级全剥离离子,并得到了目标离子的半衰期和质量。该结果不仅有助于完善HIRFL-CSR上等时性质量谱仪的各项实验技术,同时还为将来开展μs至ms量级高电荷态离子的半衰期和质量测量实验提供技术积累和实验经验。
[硕士论文] 杨柳莎
物理电子学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:对于传统圆柱状电子注微波器件,当工作频段升高时,由于受尺寸共渡效应,器件的几何尺寸逐渐减小,电子注通道变窄,传输电流减弱,导致加工困难,同时频率的增加,使得损耗增大,输入功率减少。这阻碍了高频率真空电子器件的实现。带状电子注作为一种高亮度、大电流的电子注源,因其特殊的结构特点和技术优势解决了上述难题,逐渐受到越来越多的关注。带状注微波器件具有以下技术优势:展宽电子注,维持固定空间电荷场,增加输入电流,增加功率;运行于截面很小的结构中,故而能工作于毫米波,太赫兹频段;带状电子注器件效率高;平板型慢波结构能够加工,方便安装和调试;体积小,适于模块化,其应用前景十分广阔。简而言之,带状电子注可用于高功率辐射、效率高,所需磁场强度小。为此,本文对器件的核心部件——带状注电子枪进行深入研究。
  论文首先从皮尔斯理论出发,深入研究了带状注电子枪的结构特点和工作原理,并在此基础上利用MATLAB软件根据理论公式编写了电子枪初始尺寸的计算程序。基于带状注电子枪的工作特点,设计了抛物面阴极结构、样条插值拟合的聚焦极结构,以及减小了阳极孔效应的阳极结构。联合使用CST和HFSS电磁仿真软件构建了带状注电子枪的初始模型,完成了结构优化和特性分析。
  本文主要完成了两款单边压缩电子枪和两款双边压缩电子枪的设计,电子注窄边的压缩比分别为10:1和20:1。分析了电子发射角度和温度、阴阳极间距、阴极和聚焦极的相对位置、阴极位置偏移对电子枪的影响。分析结果表明:注流发散度随着电子发射角度的增大而呈线性增大;电子注宽边方向上的注流发散度随着温度的升高而增大,而在窄边方向上,注流发散度随着温度的升高而减小;随着阴阳极间距离增大,电子注在最初的一定传输距离内快速收敛,而后又很快的发散,电子注被压缩的强度增强,此时,最大电流密度增大,电子注电流减小;当阴极发射表面从聚焦极内侧向外移动时,电子注的压缩变弱,最大电流密度减小,电流升高;阴极在窄边方向上的偏移对电子注宽边方向上的注流发散度影响不大,但是对于窄边方向,当偏移量大于0.01mm时,注流发散度增大很明显,电子注发散很严重。
[硕士论文] 张秀丽
集成电路工程 宁波大学 2017(学位年度)
摘要:近年来敞开式质谱离子源凭借快速、原位、实时离子化样品等优势而受到广泛关注,成为质谱分析的热点研究方向。介质阻挡放电离子源(DBDI)是清华大学张新荣教授于2007年首次提出,其利用介质阻挡条件下的交流高压放电,激发氦气等惰性气体产生等离子体直接离子化样品。DBDI凭借免辅助试剂、可常压使用、样品适用范围广、便于小型化等优点成为敞开式离子源中研究热点。DBDI的离子化机理比较复杂,虽然国内外学者对离子化机理进行诸多研究,但仍存在不足之处。如等离子体中的粒子成分较为复杂,不同粒子对目标化合物的离子化过程的影响研究尚未明确;虽然水气对离子化过程有促进作用,但湿度以及不同的(H2O)nH+对离子化的影响研究不明确;虽然加热样品能促进解吸附过程,提高离子化效率,但对电离气体进行加热的研究较少。针对上述存在的问题,本文从以下4个部分展开系统研究。
  首先对介质阻挡放电离子源的常用的三种电极结构的电场特性和等离子体束长度的进行了比较,详细阐述了单电极 DBDI离子源的结构原理,本文后续的实验都是基于在该离子源的基础上开展的;其次采用等离子体发射光谱方法,系统研究氦气、氩气等离子体的发射光谱,并结合实际样品的质谱图,对等离子体的成分以及粒子间的反应机理进行详细的阐述,结果表明 DBDI离子化机理与 DART的瞬态微环境机理相似,但仍存在不同;再次采用在离子化区域添加水汽以及在氦气中通入水汽的方式,系统研究离子化区域湿度以及不同的(H2O)nH+对离子化效果的影响,结果表明氦气与水汽混合有助于提高样品信号强度和信噪比;最后采用对氦气加热的方式,系统研究加热对等离子体的影响以及不同熔沸点样品的影响,结果表明加热能使等离子体束的长度增加,而且样品的熔点和最佳检测温度呈现正相关。
  因此研究 DBDI离子化机理能够为进一步优化这种离子源的性能以及提高离子化效率提供基础,为未来的应用研究提供科学的理论依据,对未来在其他领域的发展具有重要的理论指导意义。
[硕士论文] 张妮
电气工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着辐照加工技术的发展,高压电子加速器因其清洁、环保、高效等优势逐步取代传统钴源并广泛应用于污水处理、医疗卫生、食品保鲜等方面。高压电子加速器有两个供电电源,即高压电源(HV-PS)和灯丝供电电源(F-PS)。F-PS通过为电子枪中的灯丝负载提供电流,使其产生束流强度可调的电子束;电子束在电子管中经由HV-PS提供的强电场加速,形成高速电子流并作用于被辐照物质,从而达到各种不同的目的。为保证高压电子加速器的安全可靠工作,对 F-PS的设计有稳定性强、热性能好、调节范围大等诸多要求。
  相对于传统的变压器调制方式,电力电子变换器更容易满足其设计要求。基于此,本文提出了一种优化的分离式谐振变换器。通过将高频变压器与低压大电流灯丝负载近距离放置,以减小变压器副边大电流线路的导通损耗;同时,采用串联谐振拓扑,以有效利用线路中的寄生电感;通过设置合适的开关频率,保证串联谐振电路在所需负载范围内实现零电压(ZVS)开通,以减小了 F-PS的热损耗,增强其在真空环境里的运行可靠性。
  与此同时,为进一步解决串联谐振变换器在灯丝电流调节时开关频率需大范围变化的问题,本文对上述串联谐振拓扑提出了一种新的控制策略。该策略通过控制变换器在半桥和全桥逆变结构下进行切换运行,有效缩小了变换器的开关频率范围,使得变换器中的磁性元件得以优化设计;通过选择合适的切换频率与切换时刻,进一步实现了全桥与半桥结构之间的无振荡切换,避免了切换前后灯丝电流波动对加速腔真空环境的影响。
  最后,本文搭建上述实验台架并基于此进行了实验验证,实验结果与理论分析一致,验证了所提出的控制策略的可行性。
[硕士论文] 朱枫
电气工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:线型脉冲调制器和控制系统是 THz-FEL直线加速器中两个重要的组成部分,前者影响加速器束团品质,后者影响加速器运行以及工作效率。本文主要在 THz-FEL直线加速器线型脉冲调制器和控制系统初步完成的基础上,对两者存在的问题进行了分析,并对两者进行了改进。
  论文分析了线型脉冲调制器链型脉冲形成网络(PFN)的理论及其放电过程,推导和计算了调制器高压脉冲抖动与加速器束团不稳定性之间的关系。建立了THz-FEL线型脉冲调制器电路仿真模型,仿真分析了链型PFN各节电感对脉冲波形的影响。计算了 THz-FEL对调制器高压脉冲抖动的要求,提出了脉冲调制器的改进方案,对改进前后的速调管阴极高压脉冲抖动进行了测量和分析。
  针对THz-FEL直线加速器控制系统存在的问题,提出了运用LabVIEW统一编译环境,采用客户机/服务器结构以及EPICS与LabVIEW的接口CALab实现各系统之间数据通信的方案。利用 LabVIEW完成了电子枪调制器控制系统程序开发,该程序具有远程控制、数据采集显示和状态报警等功能。利用 CALab搭建了上位机通信系统,完美解决分布式控制系统中多个 LabVIEW程序间的通信问题。在此基础上利用真空的好坏程度实现了微波功率的闭环控制,开发了数据记录程序,为 THz-FEL庞大的系统运行参数提供了一键读取、保存和打印等功能。上位机通信系统的搭建,为后续进一步改进控制系统提供了技术基础。
[硕士论文] 梁亚娟
电气工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:华中科技大学开展了基于直线加速器的自由电子激光太赫兹源的研制。为了得到高品质的束流,直线加速器部分采用S波段微波电子枪和加速管组合的加速方式。电子枪和加速管均采用高梯度加速结构,使装置更加紧凑。高梯度加速场强对真空、装置内洁净度以及腔壁光滑度要求极高,加速器加工和安装无法达到这一运行要求,因此在加速器正常运行前必须进行在线的高微波功率老炼。加速器老炼是指逐渐增大馈入的微波功率,对装置进行烘烤,除去腔内气体、杂质和腔壁表面毛刺,使之能够工作在高真空、高场强、高功率环境下。加速器老炼过程非常耗时,需要24小时值守,而采用自动老炼控制系统实时监控加速器内的打火暗电流、真空度、微波反射功率等运行状态并根据运行条件自动调整馈入腔内的微波功率大小、脉冲宽度和重复频率,极大地减轻人力负担,并且有利于系统异常情况下的快速联锁保护,避免损坏装置。
  本文结合现有的加速器装置,研究了加速装置内电场分布特点、微波信号采集及解调算法、老炼打火检测算法以及自动控制系统软硬件方案。在对高功率系统进行介绍的基础上,利用电磁仿真软件 CST对加速结构进行了仿真计算,分析功率耦合过程、腔内场强分布特点和电场强度。为了获取老炼中的打火特点,利用高精度、高采样率的虚拟示波器对老炼过程中打火时的反射功率进行了连续采集与分析。针对老炼过程中的打火特点,采用反射功率平均值比较法结合暗电流检测法作为打火信号检测方法。为实现S波段微波信号的实时在线采集与处理,首先对微波信号进行了下变频处理,减小了数据采集带宽要求,并且将数据采集与IQ解调相结合,同时采用Non-IQ解调算法对采集数据进行处理。实验表明,Non-IQ解调算法相对常规的IQ解调算法能很好地抑制时序抖动和噪声干扰,可得到平坦的幅值波形。在此基础上,利用PXIe-5122高速数据采集卡进行数据采集,结合LabVIEW的简便编程控制和MATLAB强大的数据处理功能编写数据采集控制软件。此外,在异常情况下,为保护设备需要及时切断微波功率源,因此利用LabVIEW编写上位机控制软件实现了对微波信号发生器的远程控制。最后,根据加速器装置现有的控制系统制定了自动老炼控制系统方案。
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