高能電子成像研究進展

趙全堂，張子民,*，曹樹春，程 銳，申曉康，杜應(yīng)超，趙永濤

(1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.清華大學 工程物理系，北京 100084；3.西安交通大學 理學院，陜西 西安 710049)

高能電子成像(HEER)技術(shù)于2013年底在國內(nèi)首次由中國科學院近代物理研究所和清華大學工程物理系合作展開，首次提出了利用HEER技術(shù)對溫稠密物質(zhì)(WDM)和慣性約束聚變(ICF)進行實時的高時空分辨診斷[1-2]，目標是為在中國科學院近代物理研究所十二五規(guī)劃中的大科學裝置HIAF[3]上開展高能量密度物理實驗及重離子慣性約束聚變中的瞬態(tài)過程提供診斷方法。相對于X光照相、X光湯姆遜散射和質(zhì)子照相等診斷方法，HEER具有顯著優(yōu)勢：電子加速器造價相對較低，成像系統(tǒng)較小，易發(fā)展專門用于成像的裝置；基于光陰極的ps脈寬的電子束技術(shù)已非常成熟，特別適合超快動態(tài)成像，可較好地應(yīng)用在需要較高空間分辨和時間分辨的場合。本文就近年來本課題組在HEER關(guān)鍵技術(shù)及實驗方面的研究進展進行總結(jié)，并給出后續(xù)研究計劃及發(fā)展方向。

1 HEER研究進展

HEER[4]裝置的基本布局如圖1所示，其工作原理為：電子束從光陰極發(fā)射，經(jīng)過加速、輸運和調(diào)控后照射被診斷靶，電子束與靶物質(zhì)相互作用，經(jīng)過碰撞、散射和透射后電子束的橫向分布富含靶物質(zhì)信息，利用具有一定放大倍數(shù)的點對點磁透鏡成像系統(tǒng)，將通過靶物質(zhì)后的電子束的橫向分布信息在熒光屏上成像，通過所成的像獲得被診斷靶的信息。HEER裝置主要包括以下5個部分：高品質(zhì)電子束(LINAC)、束運匹配段、電子束與靶物質(zhì)、點對點磁透鏡成像系統(tǒng)和像平面CCD相機。從2013年到2018年，HEER研究主要針對原理性驗證實驗及束運匹配段、成像透鏡組設(shè)計等相關(guān)方面展開。

1.1 實驗方面進展

2013年冬，在清華大學電子直線加速器上開展了首次HEER測試實驗，束流能量為46.3 MeV、束團電荷量為100 pC、束斑直徑為3 mm、束團長度為2 ps。成像透鏡組由原有束線上的兩個相距2.16 m的三透鏡組組成，成像樣品為TEM網(wǎng)格。首次成像實驗結(jié)果如圖2所示，空間分辨達10 μm量級[5]，實驗獲得的放大倍數(shù)與理論計算值一致。

為進一步開展HEER相關(guān)方面的實驗研究且不影響其他實驗，基于清華大學電子直線加速器及實驗室布局，設(shè)計并搭建了專用HEER束線。束流由消色散偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)Achromat偏轉(zhuǎn)引出后照射放置在物平面的靶，然后由成像透鏡組成像。該束線上包含兩種放大倍數(shù)的成像透鏡組，一組(8塊四極鐵)放大倍數(shù)為1倍，另一組放大倍數(shù)為2.88倍(由前面4塊四極鐵組成)，具體設(shè)計參數(shù)參見文獻[6]。于2016年在該束線上進行了相關(guān)實驗，實驗用束流能量為45 MeV，束團長度為10 ps，電荷量為200 pC。200目TEM網(wǎng)格成像結(jié)果及空間分辨分析如圖3所示，空間分辨達4 μm。在該束線上進行300～600 μm硅臺階靶的厚度分辨實驗，分辨達10 μm。同時利用選擇大散角的透射電子實現(xiàn)暗場成像，具體實驗結(jié)果參見文獻[7]。

圖1 HEER裝置的基本布局Fig.1 HEER platform general layout

a——50目四邊形Ni；b——75目六邊形Cu；c——200目四邊形Au；d——TEM網(wǎng)格樣品實際大小對比圖2 HEER實驗結(jié)果Fig.2 HEER experimental result

a——200目TEM網(wǎng)格成像結(jié)果；b——圖a方框內(nèi)的邊沿區(qū)域和沿x方向密度投影ESF；c——圖b ESF的微分和高斯函數(shù)擬合圖3 200目TEM網(wǎng)格成像結(jié)果及空間分辨分析Fig.3 200 mesh TEM grid HEER experiment result and spatial resolution analysis

1.2 模擬方面進展

利用模特卡羅程序EGS對電子束與靶物質(zhì)相互作用進行模擬研究，用來指導高能電子成像實驗設(shè)計。利用兩個不同放大倍數(shù)的成像透鏡組參數(shù)，模擬研究了束流匹配對成像空間分辨的影響。為消除成像透鏡組部分二階項對空間分辨的影響，要求打靶束流橫向匹配。從模擬結(jié)果可直觀給出束流匹配的重要性及束流匹配對成像的影響[6]。

根據(jù)面密度分辨前期實驗，發(fā)現(xiàn)束流橫向分布不均勻及束流不穩(wěn)定性對成像結(jié)果分析帶來很大困擾。實驗測得的靶位置束流橫向分布如圖4所示。束流密度在橫向和縱向的分布如圖5所示，可看出，束流密度在橫向和縱向分布極不均勻。從模擬方面進行了利用八極鐵產(chǎn)生橫向均勻束的研究。兩塊八極鐵置于束運匹配段，在靶位置產(chǎn)生橫向均勻束，模擬結(jié)果如圖6所示，具體設(shè)計及討論參見文獻[8]。

圖4 實驗測得的靶位置束流橫向分布Fig.4 Beam transverse distribution at target from experiment

圖5 束流密度在橫向和縱向的分布Fig.5 Horizontal and vertical distributions of beam intensity

圖6 模擬獲得的橫向均勻分布束Fig.6 Transverse distribution of uniform beam from simulation

針對提出的3個正交方向的成像方法，將電子束團串進行超快分束(間隔百ps量級)，對橫向偏轉(zhuǎn)腔加雙切割鐵的方案進行了模擬研究，模擬中的布局和相關(guān)參數(shù)如圖7a所示。利用粒子追蹤軟件對束流軌跡進行了計算，驗證該方法的可行性，模擬結(jié)果如圖7b所示，利用3 GHz的橫向偏轉(zhuǎn)腔，可將束團間隔為83.3 ps整數(shù)倍的電子束在垂直方向分束，加入雙切割鐵可使分束結(jié)構(gòu)更加緊湊，具體設(shè)計參數(shù)及模擬結(jié)果參見文獻[9]。

2 HEER后續(xù)研究計劃

為深入開展HEER實驗及應(yīng)用方面的研究，設(shè)計了蘭州HEER實驗平臺(50 MeV，S波段的電子直線加速器)，基本布局如圖8所示。該裝置可提供的束流參數(shù)為：束團電荷量從100 pC到nC量級，重復頻率5～50 Hz可調(diào)，分辨達到μm量級。該裝置有兩個電子槍，熱陰極微波電子槍和光陰極微波電子槍，能量最高達50 MeV。其中，熱陰極微波電子槍滿足高平均流強、大電荷量及穩(wěn)定束的靜態(tài)實驗需求，光陰極微波電子槍滿足動態(tài)實驗的高時間分辨需求。第1階段采用熱陰極微波電子槍注入方式，具體設(shè)計參數(shù)參考文獻[10-11]，目前正在安裝調(diào)試中。在此平臺上計劃開展的實驗研究包括：高能電子對強激光與金屬固體靶相互作用的超快動態(tài)成像實驗，核材料輻照損傷離線診斷實驗，電子與等離子體相互作用實驗等。同時提出將蘭州HEER裝置與中國科學院近代物理研究所的低能量強流高電荷態(tài)重離子研究裝置(LEAF)相結(jié)合，實現(xiàn)對核能材料輻照損傷的在線實時診斷研究。另外，為提升HEER診斷獲取信息的能力，提出將HEER與計算機斷層三維重建技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)樣品三維成像診斷技術(shù)。通過本平臺對HEER的研究，希望將HEER技術(shù)拓寬到其他學科的實驗診斷研究應(yīng)用中，如材料、化學、生物、物理等學科，為它們提供一強有力的診斷工具。

圖7 超快三維分束模擬研究布局圖(a)及模擬結(jié)果(b)Fig.7 Ultra-fast three-dimensional beam split simulation layout (a) and simulation result (b)

圖8 蘭州HEER實驗平臺布局及示意圖Fig.8 Lanzhou HEER experimental platform layout and sketch map

3 結(jié)論

本文對HEER相關(guān)技術(shù)的進展進行了總結(jié)，主要從實驗和模擬研究兩方面的進展進行了概述。目前已從實驗方面驗證了HEER技術(shù)能實現(xiàn)高空間分辨μm量級，能實現(xiàn)明-暗場成像且具有密度、厚度分辨的能力。從模擬方面給出了束流調(diào)控技術(shù)在HEER中的應(yīng)用，包括束流匹配、產(chǎn)生橫向均勻束及束團串超快分束等。同時給出了后續(xù)實驗及研究計劃，希望可促進這一強有力的診斷工具的發(fā)展，并能應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域。