萬 鈞，冷用斌,,*，俞路陽，陳 杰，高 波，陳方舟，陳 健，曹珊珊

(1.中國科學院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院 上海高等研究院，上海 201204)

絲掃描截面測量系統(tǒng)[1-2]是國內(nèi)外各大加速器裝置普遍采用的技術(shù)，用于半阻攔束流截面測量。作為一種常用于直線加速器束流截面測量的方法，其在國外自由電子激光(FEL)裝置，如第2代直線加速器相關(guān)光源(LCLS-Ⅱ)[3]、瑞士自由電子激光(SwissFEL)[4]、歐洲X射線自由電子激光(EXFEL)[5]、韓國浦項X射線自由電子激光(PAL-XFEL)[6]等加速器裝置上應(yīng)用并取得了很好的效果。該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用于電子束團的截面測量，目前主要是中國科學院高能物理研究所的北京正負電子對撞機(BEPC)[7]的改進項目BEPC-Ⅱ，該裝置將電子加速至1.89 GeV，束流重復(fù)頻率為50 Hz。中國科學院高能物理研究所的中國散裂中子源(CSNS)[8]和中國科學院近代物理研究所的加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS)[9]是將絲掃描系統(tǒng)應(yīng)用于質(zhì)子或H-離子的束團截面測量。雖然各加速器裝置應(yīng)用絲掃描束流橫向截面測量系統(tǒng)的工作原理大致相同，但由于加速器的粒子種類、粒子能量、束團重復(fù)頻率等參數(shù)不同，各裝置使用的絲掃描系統(tǒng)設(shè)計存在很大不同。目前國內(nèi)對于FEL的束流橫向截面的測量大多依靠熒光靶等傳統(tǒng)手段，這些傳統(tǒng)手段的局限性明顯，對于束流有阻擋作用。同時成像系統(tǒng)難以排除相干渡越輻射的干擾，測量精度將受到影響[10]。絲掃描系統(tǒng)應(yīng)用于FEL裝置，可實現(xiàn)在幾乎不阻擋束流的情況下對FEL裝置進行束流橫向截面尺寸的測量，相比于使用截面靶的測量方法其不影響束流運行，并在下游產(chǎn)生更少的次級粒子，可減少超導(dǎo)高頻腔的失超風險。目前在建的上海高重復(fù)頻率硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)[11]因其超高的束流重頻，不能采用全阻攔式束團截面測量技術(shù)，計劃采用絲掃描技術(shù)來實現(xiàn)束流橫向截面的在線測量。為此將研制一套用于FEL裝置的絲掃描系統(tǒng)原型機用于關(guān)鍵技術(shù)驗證，該原型機將安裝于上海軟X射線自由電子激光(SXFEL)[12]開展束流實驗測試，同時可為SXFEL的束流橫向截面測量提供半阻攔式測量方法的補充。

1 工作原理

絲掃描束流橫向截面測量系統(tǒng)的探頭是一種單絲靶，其工作原理如圖1所示。用依靠機械運動機構(gòu)帶動裝有若干掃描絲(材料一般為鎢、碳等)[13-14]的探頭。掃描絲彼此分開，保證不會有兩根絲同時和束流接觸，可分別測量不同方向的尺寸。運動機構(gòu)帶動探頭在束流管道截面方向直線運動，實現(xiàn)探頭和束流的相互接觸和分離。在運動機構(gòu)安裝位置的下游，裝有束損探測器，探測束流和掃描絲相互作用產(chǎn)生的次級粒子，主要包括高能電子、γ射線、掃描絲產(chǎn)生的次級電流。

圖1 絲掃描測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of wire scanner system principle

當其中1根掃描絲與束流碰撞，同步測量探頭移動的距離和束損探測器的束損信號強度。多次脈沖后，將測得的探頭位置序列{Xi}和束損信號強度序列{Ii}進行高斯擬合，則：

(1)

其中，σ為掃描絲對應(yīng)方向的束流橫向截面尺寸。

該原理主要基于如下前提：1) 與束流尺寸相比掃描絲足夠細，對測量結(jié)果幾乎無影響；2) 下游的次級產(chǎn)物流正比于穿過鎢絲電子束流的強度；3) 束流截面尺寸在絲掃描系統(tǒng)測量過程中不變。

影響淮海經(jīng)濟區(qū)景區(qū)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度的因素可以總結(jié)為3個原因:景區(qū)知名度,季節(jié),假期．景區(qū)的知名度越高,關(guān)注度越高,如泰山和沂蒙山,泰山的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度就遠遠高于沂蒙山．季節(jié)變化會給人們帶來感知體驗的不同,4月和10月的關(guān)注度每年都出現(xiàn)峰值,是由于我國“五一”和“十一”假期較長且氣候較宜人,全國出游的人數(shù)較多,一年四季中春秋出游的人數(shù)普遍較高．人們旅游時間大多集中在假期,所以在假期到來之前,景區(qū)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度便會明顯升高．

2 系統(tǒng)設(shè)計及研制

2.1 總體設(shè)計

絲掃描系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包含絲靶探頭、機械運動機構(gòu)、束損探測器、控制及信號采集子系統(tǒng)4部分，其中控制及信號采集子系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集模塊和運動控制模塊。另外，由于束流橫向位置的抖動會顯著影響掃描絲與束流的相對位置，降低測量精度，因此在絲掃描系統(tǒng)上游安裝1套腔式束流位置測量(CBPM)系統(tǒng)[15-20]，用于鎢絲與束流間相對位置抖動和電荷量的數(shù)據(jù)分析補償。

圖2 絲掃描系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of wire scanner system

2.2 絲靶探頭

2) 運動控制模塊

圖3 20 μm鎢絲與SXFEL裝置束流持續(xù)碰撞時溫度隨時間的變化Fig.3 Temperature versus time with 20 μm tungsten wire when continuous colliding with beam in SXFEL

圖4為絲靶機械結(jié)構(gòu)示意圖，絲靶探頭是由1個鋁支架和固定在支架上的1根鎢絲組成的，鎢絲兩端固定，利用中間的5個支點將1根鎢絲分成3段。3段鎢絲彼此相交成45°，分別負責測量束流的水平、垂直和斜45° 3個方向的束團橫向截面尺寸。裝配后的探頭被放置在絲靶探頭真空結(jié)構(gòu)內(nèi)，由直線電機驅(qū)動，實現(xiàn)探頭在真空盒內(nèi)的運動，完成3個方向的鎢絲掃過束團截面。

圖4 絲靶機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Mechanical structure diagram of wire target

2.3 機械運動機構(gòu)

絲掃描系統(tǒng)原型機的機械設(shè)計主要由帶法蘭和波紋管的真空室、直線電機、磁尺傳感器、45°安裝座和獨立可調(diào)支撐座組成。圖5a為機械運動機構(gòu)的剖面圖，用于與束流相互作用的絲靶由直線電機驅(qū)動自下而上在真空腔內(nèi)移動，依次掃描束流x方向、斜45°方向、y方向橫向截面尺寸，波紋管連接真空腔和法蘭保證絲靶運動時不破壞真空。圖5b為側(cè)視圖，直線電機旁安裝的磁尺傳感器(SPM)選用的型號為MR50(分辨率10 μm)，用于反饋絲靶位置(圖5c)。

圖5 絲掃描系統(tǒng)機械運動機構(gòu)的設(shè)計圖Fig.5 Design drawing of mechanical mechanism of wire scanner system

2.4 束損探測器

GNS3[9]是一款可以運行在WINDOWS、LINUX及蘋果系統(tǒng)中的圖形化網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,目前最新版本為GNS3-2.0.3.相比思科公司推出的仿真軟件Cisco Packet Tracer而言，GNS3由多款軟件整合而成并且是開源的，可以實現(xiàn)的功能更多.不僅支持多種型號的思科交換機、路由器以及防火墻等設(shè)備的模擬仿真，而且還可以與現(xiàn)實中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行深度對接，具有免費、真實可信、用戶操作性強等特點，適用于模擬各類型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.

同時，以同步課堂為中心，在城市師生和農(nóng)村師生之間建立聯(lián)系，通過網(wǎng)絡(luò)或其他形式進行交流，包括課前準備、課中探討和課后反思，增強同步課堂的效果，進一步實現(xiàn)隱性經(jīng)驗知識的傳播，促進傳遞和習得，實現(xiàn)城鄉(xiāng)師生、生生的雙向交互。促進城鄉(xiāng)學伴互相幫助，開闊視野，提高農(nóng)村整體文化素養(yǎng)，在相互學習中實現(xiàn)城鄉(xiāng)學生的共同成長。

絲掃描系統(tǒng)原型機對束流進行掃描，電機每行進1步數(shù)據(jù)采集模塊采樣100組原始信號，掃描結(jié)束后進行數(shù)據(jù)處理得到100組絲掃描測量結(jié)果，計算得到的每個方向束流截面尺寸分布如圖11所示。其中水平(x方向)、斜45°、豎直(y方向)3個方向測量結(jié)果的標準差分別為10.4、12.6、51.9 μm。

圖6 用于絲掃描系統(tǒng)原型機的束損探測器結(jié)構(gòu)Fig.6 Diagram of beam loss monitor for wire scanner prototype

絲掃描系統(tǒng)原型機的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，需采集4路模擬信號，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計前利用示波器發(fā)現(xiàn)束損探測器產(chǎn)生的束損信號脈沖持續(xù)時間不超過1 μs，而CBPM信號的采集需要較高的采樣率否則會顯著影響分辨率，綜上選擇SXFEL裝置高頻頻率的倍頻1 004.8 MHz作為數(shù)據(jù)采集模塊的采樣率。該數(shù)據(jù)采集模塊研制基于Teledyne SP Devices公司的ADQ14AC-4C型數(shù)據(jù)采集平臺[27]，搭載的ADC芯片標稱位數(shù)為14 bit，有效位約9 bit，模擬3 dB帶寬為1.2 GHz，滿足絲掃描系統(tǒng)原型機數(shù)據(jù)采集需求。上位機安裝基于EPICS控制系統(tǒng)的軟件IOC并通過PCIE接口連接數(shù)據(jù)采集板卡，實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的傳輸、存儲與處理。

2.5 數(shù)據(jù)采集和控制

1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于切倫科夫原理的光纖束損測量技術(shù)[26]目前已經(jīng)成熟，根據(jù)絲掃描束流截面產(chǎn)生束損信號的特點選擇純石英光纖，這種光纖的數(shù)值孔徑、芯徑、光傳輸效率指標符合探測要求，產(chǎn)品成熟；后接光電倍增管的增益、響應(yīng)時間、光譜范圍指標也完全滿足切倫科夫光的特點。絲掃描系統(tǒng)配套的束損探測器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該束損探測器核心部分包含4根光纖和光電倍增管，光纖布置在束流管道周圍，并在其末端接光電倍增管。將該裝置安裝于隧道內(nèi)各處，可用于保護波蕩器磁鐵，避免輻射損傷，監(jiān)測束流分配效率及束損劑量，定位束損點，也可用于調(diào)束診斷。結(jié)合絲掃描系統(tǒng)，可選取其中一路光電倍增管輸出信號用于束流截面測量，無需為絲掃描系統(tǒng)設(shè)計專用的束損探測器。

操作考核：選擇我院擇期腹部手術(shù)肥胖患者80例作為頸內(nèi)靜脈穿刺置管術(shù)的對象，隨機分到兩組中，每組40例?；颊叩腁SA分級I～II級，年齡35～65歲，身體質(zhì)量指數(shù)＞28 kg/m2，無凝血功能障礙，無穿刺部位感染，無頸部活動異常。所有患者入室后進行心電圖，血壓，脈搏氧飽和度監(jiān)測?；颊叱Ｒ?guī)全麻誘導(dǎo)插管后，頭低位20°，選取右側(cè)頸內(nèi)靜脈進行穿刺。實驗組采用超聲引導(dǎo)下中心靜脈穿刺方法，對照組采用傳統(tǒng)盲探中心靜脈穿刺方法。

圖7 絲掃描系統(tǒng)原型機數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of data acquisition module of wire scanner prototype

絲靶探頭是整個測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)及核心部分，其與機械運動機構(gòu)相連接，依靠探頭上的物質(zhì)與束流相互作用后，在束流運動方向的下游產(chǎn)生次級粒子，主要是二次電子、γ光子。絲掃描系統(tǒng)原型機的探頭使用金屬鎢作為掃描絲的材料，是因為鎢的原子序數(shù)相比碳、鋁等其他常用材料大，會導(dǎo)致入射電子有更高的能損獲得更多的次級粒子[21-22]，進而使得束損探測器信號的信噪比更高。根據(jù)文獻[23]的實驗結(jié)論，束流截面尺寸與掃描絲直徑之比大于5時，測量精度較高。由于SXFEL裝置運行時束流截面尺寸大于100 μm，因此作為絲掃描系統(tǒng)原型機探頭的鎢絲直徑可選擇20 μm。由于在絲掃描系統(tǒng)原型機運行過程中，鎢絲與束流接觸溫度將急劇上升，因此實驗前需考慮鎢絲與束流作用受熱的安全性問題。首先SXFEL裝置電子束流的能量不高于1.6 GeV，單束團電荷量不高于1 nC，通過理論[24]計算可得1.6 GeV的電子穿過20 μm的鎢絲時將有約1.02%的能損轉(zhuǎn)化為熱量，基于有限元分析軟件ANSYS的模型[25]仿真計算可得絲靶與束流持續(xù)碰撞時溫度隨時間的變化，如圖3所示。鎢絲的最高溫度遠低于約3 500 ℃的熔點，說明該絲靶探頭不會在測量SXFEL裝置束流截面尺寸時因高溫損壞。

首先，安排專門的施工人員針對孔內(nèi)水頭情況進行全面細致的觀測，保證孔內(nèi)的水頭高度能夠符合相應(yīng)的工程施工標準，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)的水頭相較于孔外水頭較低，則需要及時將泥漿池中的泥漿抽取到孔內(nèi)，減少鋼護筒在外力作用下出現(xiàn)變形情況。其次，在施工現(xiàn)場做好黏土的準備工作，及時向孔內(nèi)充填黏土，待回填至護筒底以上5m高度后，停止回填黏土。

運動控制系統(tǒng)主要完成對直線電機的供電、位置反饋控制、位置讀數(shù)上傳、運動控制等主要功能。該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，其核心部分為伺服器基于PID反饋算法控制電機，并負責讀編碼器位置、接收同步信號、與上位機通信等。直線電機支持多種運動模式，最典型的幾種列于表1，電機的模擬位置由輸入電壓決定。在絲掃描系統(tǒng)原型機測試過程中將通過使用這幾種運行模式，可找出最合適FEL裝置運行需求的模式。

圖8 絲掃描系統(tǒng)原型機的運動控制模塊結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of motion control module for wire scanner prototype

表1 直線電機典型運動模式Table 1 Typical motion mode of linear motor

3 束流實驗及性能評估

基于絲掃描束流橫向截面測量系統(tǒng)原型機的設(shè)計和研制，在SXFEL裝置中選取主加速器末端的漂移段完成系統(tǒng)的搭建，并在此基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)的調(diào)試和相關(guān)性能評估測試。

3.1 直接測量結(jié)果

SXFEL裝置運行在束流電荷量500 pC、電子能量840 MeV的條件下進行絲掃描系統(tǒng)原型機的測試。直線電機以定點模式運行，上位機發(fā)送命令使得電機以0.1 mm的步長在真空腔內(nèi)移動。電機的實際到達位置由磁尺傳感器測量得到并傳送至上位機。當電機移動1步，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集1組如圖9所示的束損信號?；谇袀惪品蜉椛涞墓饫w束損信號有多個峰是由于光脈沖在光纖兩端反射傳播造成的，實驗中取幅度最大值表征鎢絲阻擋束流時產(chǎn)生的束損強度。

圖9 絲掃描系統(tǒng)運行過程中采集到的束損信號Fig.9 Beam loss signal collected during operation of wire scanner system

電機完成一次掃描可得到如圖10所示的采樣結(jié)果，對所得的電機位置序列和束損強度序列基于最小二乘法進行高斯擬合，可得到3個方向束流橫向截面尺寸的測量值。

圖10 絲掃描系統(tǒng)原型機完成一次掃描的數(shù)據(jù)采樣結(jié)果Fig.10 Data sampling result of one scan completed by prototype wire scanner

為保證鋼纖維混凝土施工質(zhì)量，必須結(jié)合工程實際進行鋼纖維混凝土配合比設(shè)計和幾何參數(shù)的確定，鋼纖維增強效果與長度、等效直徑和長徑比等參數(shù)有關(guān)，隨長徑比的增大鋼纖維增強作用隨之增加，長度太短起不到增強作用，太長則會增加施工難度，長徑比過大將影響拌和物質(zhì)量，過小則容易在拌和過程中折彎。鋼纖維材料必須與基材相適應(yīng)，抗拉強度保持在至少500MPa，鋼纖維混凝土設(shè)計過程中重點考慮鋼纖維的等效直徑和長徑比，如表1所示，本工程鋼纖維等效直徑控制在0.55mm以上。

由于SXFEL裝置的束流橫向抖動幅度峰值為百μm量級，束流的抖動可能對絲掃描的測量造成干擾。因此在直接測量的基礎(chǔ)上，使用CBPM裝置測得的束流位置對鎢絲和束流相對位置進行校正。

圖11 未采用CBPM系統(tǒng)校正后絲掃描系統(tǒng)原型機測量結(jié)果Fig.11 Measurement result of wire scanner prototype without being corrected by CBPM

圖12 CBPM系統(tǒng)測量的束流在3個方向上的橫向偏移位置標準差Fig.12 Standard deviation of transverse deviation position of beam measured by CBPM system in three directions

3.2 CBPM校正后測量結(jié)果

由圖11可知，束流豎直方向截面尺寸測量結(jié)果波動較大，估計是由于水平方向鎢絲與束流接觸期間束流的y方向位置波動較劇烈造成的。圖12為CBPM系統(tǒng)測量的束流在3個方向上的橫向偏移位置標準差，結(jié)合圖11、12可看出，絲掃描系統(tǒng)原型機掃描測量束流水平方向和斜45°方向橫向截面尺寸時，束流橫向位置波動較小，而測量束流豎直方向截面尺寸期間束流不太穩(wěn)定波動劇烈，從而對絲掃描測量該方向束流截面尺寸的精度產(chǎn)生較大影響。

圖13為采用CBPM系統(tǒng)進行束流位置校正后絲掃描系統(tǒng)測量結(jié)果，其中100次測量結(jié)果的平均值為：x方向，203.3 μm；斜45°方向，250.9 μm；y方向，252.9 μm。校正后絲掃描系統(tǒng)測量不確定度降低，且當束流抖動幅度大時，采用CBPM系統(tǒng)校正的效果較好。

圖13 采用CBPM系統(tǒng)進行束流位置校正后絲掃描系統(tǒng)原型機測量結(jié)果Fig.13 Measurement result of wire scanner prototype with beam position corrected by CBPM system

另外，束流電荷量的波動也會影響束損信號的幅度，當束流與鎢絲相對位置一定時，束流電荷量和束損信號強度呈正比。利用對CBPM系統(tǒng)參考腔信號的處理可得到每個束團的電荷量相對大小(圖14)，其波動幅度約5%，由此可對束損信號進行校正，進一步優(yōu)化絲掃描系統(tǒng)原型機的測量結(jié)果。

The pore throat characteristics of narrow-channel tight sandstone gas reservoirs in the

圖14 采用CBPM系統(tǒng)參考腔信號得到束團電荷量相對大小Fig.14 Relative charge of beam obtained by using CBPM system reference cavity signal

圖15為采用CBPM系統(tǒng)進行束流位置和束團電荷量校正后絲掃描系統(tǒng)測量結(jié)果，其測量精度得到小幅改善，其中測量結(jié)果平均值為：x方向，201.7 μm；斜45°方向，248.4 μm；y方向，253.5 μm。

圖15 采用CBPM系統(tǒng)進行束流位置和束團電荷量校正后絲掃描系統(tǒng)測量結(jié)果Fig.15 Measurement result of prototype with beam position and beam charge corrected by CBPM system

3.3 YAG截面靶測量結(jié)果

為對比絲掃描系統(tǒng)的測量結(jié)果，使用絲掃描系統(tǒng)原型機上游距離約2 m的YAG截面靶[28]阻擋束流，通過CCD相機將靶片發(fā)射的熒光成像，實現(xiàn)測量束流橫向截面尺寸。圖16為YAG截面靶測量結(jié)果，其中CCD相機的1個像素邊長為29 μm，因此截面靶測量的束流橫向截面尺寸為：x方向216.9 μm；斜45°方向，266.5 μm；y方向，346.0 μm。

圖16 YAG截面靶測量結(jié)果Fig.16 Measurement result of YAG profile target

3.4 性能評估

絲掃描與截面靶的測量結(jié)果對比列于表2，x方向和斜45°方向絲掃描系統(tǒng)原型機的測量結(jié)果略偏小，原因是YAG靶的成像會受到靶片厚度、角度及成像系統(tǒng)所帶來的點擴散函數(shù)的影響，這會使得實際測量的尺寸比原始尺寸大。而截面靶y方向截面尺寸測量結(jié)果比絲掃描測量結(jié)果大得多，原因是該CCD相機曝光時間為3 s，曝光時間內(nèi)多個束團將轟擊截面靶成像，而該方向束流橫向波動較劇烈，因此圖像展寬較嚴重。采用CBPM系統(tǒng)校正后，該絲掃描測量系統(tǒng)的測量值標準差不大于30 μm，在束流抖動幅度較小的方向測量值標準差可小于10 μm。

表2 絲掃描與截面靶的測量結(jié)果對比Table 2 Comparison of measurement result between wire scan and beam profile

4 結(jié)論

本文結(jié)合SHINE裝置對束流橫向截面尺寸測量的需求，完成了絲掃描系統(tǒng)原型機的設(shè)計與研制，在SXFEL裝置上完成了系統(tǒng)安裝，搭建了束流實驗測試平臺，展開了束流實驗評估。實驗結(jié)果表明，在束團電荷量500 pC、電子能量0.84 GeV的條件下，該原型機可實現(xiàn)半阻攔式截面尺寸測量，測量結(jié)果與SXFEL裝置在線的截面靶測量系統(tǒng)結(jié)果一致，測量不確定度好于30 μm。通過絲掃描系統(tǒng)原型機的研制，達到了如下目標：探索絲掃描探頭加工及測試工藝；研制運動控制模塊；應(yīng)用程序開發(fā)；通過束流實驗評估絲掃描設(shè)備隧道內(nèi)工作可靠性、穩(wěn)定性，評估其空間分辨率；總結(jié)樣機研制過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，為用于SHINE工程的絲掃描系統(tǒng)最終方案提供依據(jù)，為SHINE工程建設(shè)奠定了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。