中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置总体设计

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置是一台用于材料、光谱、生物、医学等领域前沿研究的多功能用户装置,在实验室现有的太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）基础上,拟新增两套2×9-cell超导加速单元和两台波荡器,将电子能量提升至最大50 MeV,输出频率覆盖范围拓展至0.1～125 THz,最大宏脉冲功率大于100 W。同时,采用跑道型束线设计,拟建设一台小型能量回收型直线加速器实验研究平台。本文主要介绍了中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置的总体设计、工作模式以及用户实验站布局。     

1.2 MW加速器电子光学系统静态、动态模拟

PIC(Particle in cell)编码能跟踪数千个宏粒子,已经成为研究束流物理的重要工具.本文介绍了PIC模拟方法;并用静态、动态模拟软件对中国工程物理研究院研制的1.2 MW加速器电子光学系统进行模拟.结果显示:随着加速器束流强度增加,加速管出口处束斑半径先逐渐减小,然后逐渐增大.在束流为250 mA左右时,束斑半径达到最小,此时两模拟结果之间的差异为7%;在500 mA时,束斑半径与小束流时相当,两模拟结果之间的差异达到了29%.     

矿物掺合料改性再生混凝土性能试验研究

为了研究单掺矿物掺合料(粉煤灰、硅灰)对再生混凝土性能的影响,以再生骨料替换率(25%、50%、75%)、粉煤灰掺量(10%、15%、20%)、硅灰掺量(6%、8%、10%)为变量设计了再生混凝土配合比,并取普通混凝土作为对照组,分析了不同掺量下的粉煤灰和硅灰对再生混凝土工作性能和抗压强度的影响规律。研究结果表明,单掺粉煤灰或硅灰都能在一定程度上改善混凝土拌合物的和易性,但当再生骨料替换率为75%时,坍落度不再受矿物掺合料掺量的影响。基于矿物掺合料具有良好的火山灰效应和填充效应,单掺粉煤灰或硅灰均可提高再生混凝土的抗压强度,但当粉煤灰掺量大于20%时,水化产物数量减少反而降低了其抗压强度。     

用于高能微焦点工业CT的旋转式辐射转换靶研究

转换效率高、散热性能优异的辐射转换靶是高能微焦点工业CT的关键部件,本文设计了一种适用于高能(6 MeV)微焦点(直径约100μm)工业CT的先进旋转式辐射转换靶。通过模拟分析辐射转换靶X射线转换效率和热沉积,确定最优转换靶厚度,从而设计、加工出旋转式辐射转化靶,并成功应用于中国工程物理研究院应用电子学研究所高能微焦点工业CT验证装置。对比实验结果显示,在相同工况(电子束能量6 MeV,宏脉冲长度5 ms,宏脉冲流强1.5 mA,焦斑直径100μm)下,固定靶被电子束熔融,而旋转靶则能够承受电子束的轰击,验证了旋转式辐射转换靶的有效性和可靠性。     

电子束引出窗冷却研究

研究1MeV、40mA工业辐照电子加速器引出窗钛膜受力状况,确定钛膜在大气作用下的几何形状,计算电子束在钛膜上各点的入射角度和相应的穿越深度,给出电子束在钛膜上的能量损失分布与钛膜强度、厚度、跨度之间的关系。分析钛膜自身热传导和热辐射的散热能力,表明强迫风冷是提高引出窗输出能力的重要冷却方式。结合数值模拟方法,重点研究强迫风冷的散热能力与出口风速、钛膜曲率半径之间的关系。发现常规风冷结构设计中可能出现回流区,成为窗膜的冷却盲点,需通过结构优化设计消除回流区的影响。     

FEL-THz电子枪控制系统的设计与实现

介绍了 FEL-THz装置中电子枪控制系统的设计与实现过程。利用 Microsoft公司发布的 Visual C++6.0进行了控制系统软件的开发和设计。实验结果显示,该软件操作简捷,具有良好的人机操作界面,程序实时响应速度快,运行稳定,为电子枪高压老炼以及系统测评提供支持。     

中物院太赫兹自由电子激光:设计、运行及升级

中物院太赫兹自由电子激光(CTFEL)装置是我国第一台基于超导加速器的高重复频率、高平均功率太赫兹自由电子激光装置。CTFEL利用光阴极直流高压电子枪和超导加速器产生约8 MeV电子束在波荡器中产生自发太赫兹(THz)辐射,并在光腔中受激放大获得饱和输出。得益于在0.7~4.2 THz频谱范围内连续可调以及平均功率大于10 W的特性,CTFEL为材料动力学、太赫兹成像、太赫兹生物学等领域提供了独特的研究平台。自2018年开放成为用户装置以来,每年提供不少于1000 h的稳定出光。未来CTFEL将在现有基础上升级成为红外太赫兹自由电子激光装置,实现太赫兹频率全覆盖以及最大功率大于100 W的目标,力争成为世界先进的长波长自由电子激光装置。     

束流变压器的基线漂移效应研究

束流变压器（BCT）在频域表现为带通特性,其低频截止特性会引起基线漂移现象,本文使用高通滤波器模型对低频截止特性对单束团和连续束团的影响进行了分析。采用基线操纵和一次谐波算法两种方法进行了基线修复,使BCT测量高重复频率连续束团的相对误差由20%下降至3%以内。     

微波零相位法测量超导加速器ps级电子束纵向长度

本文基于微波零相位法,将中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光(CTFEL)2×4-cell超导加速器的下游腔作为零相位腔,测量了上游腔增能后的电子束纵向长度,并通过束流动力学模拟证明,当两个超导腔正常工作时,上游腔出口处的电子束纵向长度与下游腔出口处的接近。实验结果表明,CTFEL 2×4-cell超导加速器能实现半高宽小于6.8 ps的电子束,满足装置出光要求。     

用于高能微焦点工业CT的旋转式辐射转换靶研究

转换效率高、散热性能优异的辐射转换靶是高能微焦点工业CT的关键部件,本文设计了一种适用于高能（6 MeV）微焦点(直径约100 μm)工业CT的先进旋转式辐射转换靶。通过模拟分析辐射转换靶X射线转换效率和热沉积,确定最优转换靶厚度,从而设计、加工出旋转式辐射转化靶,并成功应用于中国工程物理研究院应用电子学研究所高能微焦点工业CT验证装置。对比实验结果显示,在相同工况（电子束能量6 MeV,宏脉冲长度5 ms,宏脉冲流强15 mA,焦斑直径100 μm）下,固定靶被电子束熔融,而旋转靶则能够承受电子束的轰击,验证了旋转式辐射转换靶的有效性和可靠性。