低功率激光监测H−束流剖面

用于H−束流的低功率激光线剖面监测器：设计与实验结果

引言

在离子束加速器上测量束流剖面时，主要使用线扫描仪或二次电子发射（SEM）网格等拦截式方法[1]。这些技术已使用数十年，凭借其简单的设计可提供可靠的轮廓测量。然而，当实体丝穿过粒子束时，由于加热会带来挑战，因此存在一定的断裂风险，并可能导致后续的真空污染，无法完全避免。此外，束流在实体丝上的散射会引起束流损失和发射度增长，从而导致束流质量下降。

由于这些原因，非破坏性剖面监测器正变得越来越普遍，它使用激光束代替实体丝与离子束交叉。激电线的原理类似于丝扫描仪，但不存在真空污染的风险，对离子束的影响也较小，并且可在广泛的束流能量范围内（MeV⋯多GeV）使用。一个复杂的基于激光系统的示例位于田纳西州橡树岭的散裂中子源[2]。在该系统中，一束兆瓦峰值功率的自由空间激光束被分束，为9个相互作用站提供H−束，脱离电子由法拉第杯收集。

本文介绍的装置基于图1所示的基本原理。低功率激光束通过光纤传输，电子由高灵敏度的金刚石探测器探测，从而提高了仪器精度和可靠性。

激光束在相互作用点处被聚焦到束腰尺寸，约为H−束的十分之一。由于光电剥离机制，

$$
H^{-} + \gamma \rightarrow H^{0} + e^{-} \quad (1)
$$

电子可以从H−离子中被剥离。每个离子穿过激光束时被剥离的概率是

$$
P_{PD} = 1 - e^{-\sigma_{PD}(\lambda_L) \cdot F_L \cdot t} \quad (2)
$$

其中 $\sigma_{PD}$ 是激光波长为 $\lambda_L$ 时的截面，$F_L$ 为光子通量，以及粒子穿过激光束的飞行时间 $t$ [4]。过程截面 $\sigma_{PD}$ 受相对论多普勒频移的影响，如[5]所述。相关束流能量下H−束的激光波长在表1中总结了微小变化，以及静止参考系中的激光波长 $\lambda’_L$。

少量释放的电子被弱偶极场偏转（毫弧度）至一个积分探测器，而主H−束流仅经历轻微偏转。通过在垂直方向上扫描H−束流中的激光束，可以从探测器接收到的相应电子数量重建束流剖面。

表1 由于相对论多普勒效应引起的光电离截面变化
$E_{kin}$ [兆电子伏特]
0
50
80
107

表2 激光源特性
参数
波长
峰值功率
脉冲长度
脉冲频率
线宽
M²

2. 仪器设计与实现

2.1. 系统设计

仪器设计侧重于降低复杂性，相较于之前的激光丝仪器，从而创建一种可靠且仍能高精度测量束流特性的设备。该方法的关键要素是一种相对低功率的激光系统，并通过基于光纤的传输方式连接至加速器，下文将对此进行描述。

2.1.1. 激光系统

为了保护激光源中敏感的光学元件，在加速器隧道上方的速调管走廊内建造了一个激光室来安置激光源。该激光器配置为主振荡功率放大器 (MOPA)，采用基于激光二极管的光种子脉冲振荡器，后接由多模激光二极管泵浦的双级光纤放大系统。关键激光参数列于表2。

激光束从传输线路到束流管的75米长距离通过大模场面积 (LMA) 光纤[6]，配备 330 μm长端帽实现，以避免光纤端面因高功率密度而造成损伤。已对峰值功率高达2.2 kW的激光脉冲进行了传输效率表征，结果表明传输效率高于73%（包括光纤耦合损耗），并随着激光功率升高略有下降[7]。

位于加速器隧道内光纤传输之后的光学装置（图8中的激光注入器）在图2中示意图所示。

激光束从传输光纤中射出，随后被准直并扩大至约3.8 mm的 2σ束斑半径。扩束后的激光束通过一个仅单面增透膜的平面光学窗口进行取样，产生微弱的菲涅尔反射，将其导向光电二极管以在线监测激光脉冲形状。

在经过一个f= 600mm的透镜后，激光束进入真空室，在其束腰处与 H−离子束相互作用，然后离开真空室。此后，激光束被积分能量计吸收，用于在线监测激光脉冲能量，以实现绝对校准。

为了通过H−束流对激光束进行垂直扫描，光纤耦合光束传输光学系统安装在远程控制平台上。水平面上的另一个平台用于将激光束腰精确位于束流管中心。在正常运行时，激光束通过观察窗进入真空室；然而，当平台处于最低位置时，激光束被偏转以实现自诊断。通过安装在水平平台上的CCD相机，可以表征激光束腰的横向形状，并确定激光束的束流质量(M²)。

2.1.2. 电子偏转

为了实现一种简单且低成本的电子偏转方案，决定对LINAC4型偏转磁铁进行改造。通过移除T腔侧的磁体线圈，该偏转磁铁便成为一个 C形磁铁，利用剩余线圈通电产生B场（见图1）。在LINAC4诊断测试平台安装的完整装置照片如图3所示。

在磁场中对电子的轨迹进行了模拟，以确保它们不会与真空室壁发生碰撞，并进一步确定电子在金刚石探测器平面上的光斑尺寸。

以下假设场强与线圈电流呈线性关系，因此仿真仅针对50 MeV H−束流场景进行描述。在这种情况下，每个电子的动能为27 keV，可由H−离子的50 MeV动能和质子与电子质量比推导得出。这些低能电子可在积分场为0.9 毫特斯拉·米的情况下被 90°偏转。

创建了磁场分布图以预测B场中电子的轨迹，如图4所示。基于 LINAC4束流在激光相互作用平面（x= 0 mm； z= −83 mm）处 H−分布的束流动力学模拟，计算了剥离电子在磁场矢量场中到探测器平面的电子轨迹。除了洛伦兹力外，还考虑了主H−束流和同步辐射被考虑在内，但对电子的路径没有显著影响。

图4 中的黑色曲线表示当磁体线圈通以 ±3σ 4.7 A电流时，电子轨迹的包络。在激光相互作用点（IP）与偏转磁铁之间的束流管周围设有屏蔽。该屏蔽的设计目的是使磁场线成形，从而确保电子在到达电子监测器之前不会撞击束流管壁。探测器平面 z= −60 mm 被选定，因为这是二极磁铁弱聚焦所产生的焦点。在此平面内，针对一个激光位置的电子束斑尺寸仿真结果为 σₓ = 72 μm 和 σ_z = 230±30 μm。需要指出的是，由于时间限制，未通过霍尔探头扫描来验证偏转磁铁的磁场矢量场，因此该仿真中存在电子路径的系统不确定性。

偶极场对主H−束流的影响是在水平面上产生1.6毫弧度的角度偏转，这在本装置中可以忽略不计，因为束流随后很快被倾倒（见图8）。

2.1.3. 金刚石探测器

已设计一种单晶（sCVD）金刚石探测器，用于探测50兆电子伏特H⁻束流产生的低能电子（E_kin = 27 keV，对应50 MeV H−束流）。其4毫米 ×4毫米有效面积在与激光同步移动时，足以捕获每个激光位置到达的所有电子。

图5 显示了安装在束流管中垂直驱动器上的金刚石探测器。探测器的前电极在其边缘周围均连接至接地电位，以避免距离探测器仅72 mm处通过的主H−束流引起的电磁干扰。该前电极由三层薄膜（250纳米金、120纳米铂和100纳米钛）组成，确保即使在最低电子能量（27 keV）下，前电极也仅损失3.2 keV。探测器表面上的椭圆表示典型电子束斑的 ±3σ尺寸作为参考。

在 图6 中，展示了直至模数转换器（ADC）的信号链。一束能量为 100 μJ的激光脉冲从中心位置照射到H−束流上时，将大约剥离 Ne⁻ = 5 ⋅10⁵ 个电子脱离氢离子。这对应于H−离子与激光束相互作用的概率为 4 ⋅ 10⁻⁵。电子在前电极经历初始损失后，每个电子剩余的动能沉积在金刚石材料中，每 E_Gen= 13 eV产生一个载流子‐空穴对。总的电荷量为

$$
Q_{cum} = \frac{e N_{e^-} \cdot (E_{kin} - E_{loss})}{E_{Gen}} = 1.5 \cdot 10^{-10} \, \text{C} \quad (3)
$$

在施加500伏特偏置电压的情况下读出信号，并通过40分贝增益进行前置放大。一个运行在1吉采样每秒的模数转换器记录信号，用于进一步的数字信号处理。

2.2. 实验装置

所开发的仪器已在LINAC4调试期间运行，测量了动能为50兆电子伏特、80兆电子伏特和107兆电子伏特的束流。所有调试阶段的垂直均方根束流尺寸在1毫米到2毫米之间，H−束流电流根据离子源和加速器性能在15毫安至25毫安之间变化。H−束流的时间结构如图7所示。

诊断平台如图8 所示，在LINAC4的每个部分完成后向下游移动，从而能够捕获新产生的离子束。

在每次调试步骤中都需要进行表征。它包含多个诊断仪器，其中与本研究最相关的是用于三个平面上横向束流监测的二次电子（SEM）网格和线扫描仪。用于纵向轮廓测量的激光注入器标记为（4）。

3. 系统表征

3.1. 相互作用点处的激光束特性

轮廓测量的分辨率与相互作用点处的激光束特性直接相关。因此，已使用图2所示装置对激光束腰进行了原位表征。结果绘制于图9 中，并显示出相较于此前测量工作的性能提升[5]。由于采用了新的激光光源，实现了更低的 M²因子，从而使瑞利长度（x_R∕y_R）增加了20%，且在两个平面上的束腰均变薄了8%（w_x∕y）。仪器的分辨率不仅取决于激光束直径，还取决于其指向稳定性。由于采用了基于光纤的传输线路，在 CCD相机上未观察到明显的不稳定性（见图2），因此仪器分辨率由垂直方向的激光束腰 ±2σ = ±67 μm决定。观测到的像散不会影响测量，因为在本应用中仅垂直平面是相关的。

在期望的工作点（t_pulse = 100 ns； E_pulse = 10 μJ； f_laser = 86 kHz）处，已测量了激光的脉冲间功率波动，因为这些波动可能成为仪器的一个重要误差源（见公式 (2)）。在通过75米光纤传输后，测得脉冲能量稳定性的均方根为3%。为了消除这一引入的误差，金刚石探测器的信号被相互作用点前记录的光电二极管信号进行了归一化处理（见图2）。

3.2. 金刚石原始信号分析

图10 显示了在平均束流电流为14毫安的80兆电子伏特H−离子束上记录的金刚石探测器信号。每个段对应于每个激光脉冲周围的一个 1.5 μs时间窗口，记录时的激光重复频率为86千赫，该频率与一个LINAC4束团频率（352.2兆赫兹）的次谐波。这9个脉冲是由激光脉冲与 100 μs长H−束脉冲相互作用产生的释放的电子信号。

在 图11 中绘制了一个示例段。观察到一个非常清晰的金刚石探测器信号，其脉冲形状和长度与激光脉冲相似，且没有任何非激光剥离电子的背景基底。偶发尖峰（见 0.95 μs在 图11以及 图10中的第5段和第11 段）归因于从主束流中丢失的单个质子/H−/H⁰撞击所致。在某些束流设置下，该效应显著增强，导致监测到激光剥离电子脉冲受到一定程度的干扰。

在每个探测器段的数据分析中，在预定义范围（竖直条）内，对正值进行积分（阴影区域），而由交流耦合读出引起的负值部分被忽略。通过对所有探测器段重复此过程并取平均结果，得到LINAC4脉冲期间的平均光电剥离产额。

3.3. 金刚石线性度

为了推导金刚石探测器在不同电子注量下的线性度，对激光脉冲能量进行了扫描。对于每种激光设置，记录了9个H−束团脉冲期间金刚石探测器上的信号，并按照之前所述方法对数据进行分析。在图12 中，绘制了金刚石探测器读出的积分电荷与相互作用点前光电二极管记录的脉冲积分的关系（见图2）。通过这种方式，激光脉冲的能量波动不会影响测量结果，因为金刚石探测器对应的信号可以逐脉冲进行匹配。

金刚石探测器信号在误差范围内与光电二极管信号呈线性关系。金刚石积分的小幅偏移是由于在50兆电子伏特H−束流能量下测量时存在的高质子本底所致。

在80 MeV束流动能下也完成了类似的测量。尽管由于入射电子的动能增加导致响应斜率有所不同，但探测器响应的线性度同样良好。

3.4. 金刚石探测器处的电子束斑尺寸

在金刚石探测器平面内，对释放的电子束流尺寸进行了实验表征，以验证电子追踪模拟 [7]，并确保激光剥离的电子不会错过探测器的有效表面。

该测量在80兆电子伏特的H−离子束上完成，通过在激光静止于H−离子束中心时垂直扫描金刚石探测器实现。水平位置（z坐标）通过调节偏转磁铁的电流进行扫描，从而在 z平面内移动离子束束斑位置。

到达金刚石探测器的信号经过处理后，积分电荷被绘制在金刚石探测器的 y-z平面上，如图13 所示，其中叠加了探测器有源表面（黑色边框）作为参考。探测器中心区域信号水平保持不变，表明束斑尺寸小于探测器的物理尺寸。通过计算 y 和 z 方向上的导数确定束斑尺寸，结果为 σ_y = 0.45 ± 0.1 mm 和 σ_z = 0.4 ± 0.1 mm。与跟踪模拟相比，束斑尺寸在 z方向上增大了2倍，在 y方向上增大了4倍。我们认为，使电子散焦的杂散磁场是造成这一现象的原因。

对于这种偏差，最重要的是，探测器表面在两个维度上都明显足够大，能够收集到每个束斑到达的全部电子。

使用激光丝仪器对H−束流在50 MeV、80 MeV和107兆电子伏特下的垂直尺寸进行了测量，通过在垂直平面内对激光和金刚石探测器进行二维扫描完成，对应的数据如图14所示。在每个激光位置处，采用金刚石探测器位置范围内测得的最大电荷值来绘制束流剖面。

为了验证仪器的精度，将记录的束流剖面与安装在激光器附近（参见图8，仅仪器之间的漂移段）的SEM网格和线扫描仪进行比较。在图15 中绘制了沿诊断测试平台不同位置处107 MeV束流测得的均方根束流尺寸，其中黑色线条对应于SEM网格和线扫描仪结果之间的插值。激光测量结果与该插值之间的偏差始终低于 ±2%。

在 图16–18中，将激光线在不同束流能量下记录的剖面与SEM网格和线扫描仪的剖面进行了比较，后者已根据插值得到的激光位置进行了按比例缩放。剖面的记录样本对应于LINAC4脉冲长度上的平均值，误差棒对应于多个LINAC4脉冲测量的均方根偏差。对于所有束流能量，不仅均方根尺寸，而且特别是剖面形状都表现出非常好的一致性。

4. 总结

我们介绍了基于低功率激光器和光纤传输至相互作用点的H−束流激光丝束流剖面监测器的设计，确保了稳定可靠的运行。已对激光脱离电子在弱偶极场中的后续偏转进行了模拟和实验验证。为探测低能电子子束流，专门设计了一款超紧凑型金刚石探测器。

新型仪器的性能特征已在LINAC4束流上得到系统验证。在指定工作点，通过光纤的激光传输效率超过76%，在相互作用点处的激光束束流质量因子为M²_y < 1.3，从而实现了约70 μm的仪器分辨率。针对不同束流能量和激光剥离电子束流强度下的金刚石探测器响应进行了分析，发现其具有线性行为和高信噪比。子束流的尺寸到达的电子束流被测量后发现，其尺寸始终小于金刚石探测器的尺寸。

在50、80和107 MeV束流能量下进行了束流剖面测量，并将结果与附近的SEM网格和线扫描仪进行了比较。对于所有束流能量，束流形状方面均表现出极好的一致性，均方根束流尺寸的偏差低于 ±2% [10]。

通过该剖面监视器获得的经验和结果为LINAC4未来的激光丝系统设计提供了参考。最近，其中两个系统已安装在160 MeV区域[11]。每台仪器都能够探测相互作用产物——电子和中性化的H⁰，从而实现冗余剖面和发射度重建[12,13]。与当前装置相比，电子探测方法已改为采用可在固定位置安装的电子倍增器，并且不受潜在质子背景的影响。此外，激光注入器也进行了扩展，以允许激光束在水平和垂直方向上注入真空室。