加速器是使用電磁場將帶電粒子加速到高能量的裝置。它是研究原子核和基本粒子的重要設備，并可廣泛地應用于工農業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)。回旋加速器具有連續(xù)束流、流強高、發(fā)射度低等特點，并且占地面積小、結構緊湊，常被用作質子放射治療系統(tǒng)的粒子源。

圖1 中科離子自研SC240醫(yī)用超導回旋加速器

束流測量系統(tǒng)是加速器在調試、運行過程中的主要檢測手段，通常被稱為加速器的“眼睛”。束流測量系統(tǒng)的精度也在很大程度上決定了加速器的優(yōu)化程度。束流本身是看不見、摸不著的，測量束流需要將其轉化成我們可以看得見的光信號，或者能夠處理的電信號，這些信號可以反饋束流的一些特征。

束流測量很像“盲人摸象”。束流如同一頭未知的大象，我們沒有辦法也不必知道這頭大象的所有信息，只需知道它某方面的關鍵信息。當我們需要測量束流流強時，我們可以派出“盲人”——主徑向探針、法拉第筒等工具；當我們要測量束斑形態(tài)時，我們可以派出“盲人”——熒光靶、輻射變色薄膜等工具。每種測量方法都可以反饋束流某一方面的特征，我們根據實際需求，設計合適的束流測量設備。

盲人甲——主徑向探針

在加速器研發(fā)過程中，需要用到多種束流測量設備，其中主徑向探針可將束流流強轉化為電流強度信號，可以反應束流在加速器中某一位置的束流強度。它的原理非常簡單：束流中的帶電粒子就像一顆顆高速運動的子彈，我們可以選擇適當厚度的靶，使子彈無法穿透靶體，最終全部停留在靶體里，單位時間內靶體內新增的子彈上所攜帶的電荷數就是束流的強度。

圖2 主徑向探針工作原理

以質子束流為例，每個質子帶一個正電荷，單位時間內靶體內新增的質子數等于單位時間內靶體內新增的電荷數，這便將束流轉化為電流信號。一套優(yōu)良的主徑向探針，既要“測得全”，能夠接收所需要的盡可能多的束流信號；又要“測得準”，能夠準確反饋高精度的流強信息及束流攔截位置。

圖3 不同能量質子束流“測得全”所需的最小鎢靶厚度

想要測得全，就要讓所有測量的粒子都可以停留在靶體內。在中科離子研發(fā)的SC240超導回旋質子加速器中，質子束流能量從初始的幾十keV一直加速到240 MeV，此時質子速度可達到光速的70%左右。束流能量越高，速度越快，就需要越厚的靶。如圖3所示，越高能量的質子束流，“測得全”所需要的鎢靶厚度越大。一般來說，靶的厚度要略大于“測得全”所需要的最小厚度，以確保能夠盡可能多地攔截束流中的粒子。在SC240超導回旋質子加速器中，鎢靶的最小厚度要大于35 mm，實際使用的厚度是40 mm。

另一個影響“測得全”的因素是束流的入射方向。如圖 4所示，當束流入射方向不合適時，束流也不能全部停留在靶體內。中科離子設計了合適的曲線軌道，保證束流始終以合適的方向入射。

圖4 不合適的束流入射方向

“測得準”包含兩方面，位置測得準和束流流強測得準。中科離子研發(fā)的主徑向探針，通過優(yōu)化機械結構、改良小車設計，使靶在曲線軌道上高精度平穩(wěn)運動。在加速器調試中，束流流強越小，所造成的輻射和活化就越少。我們通常將電流信號控制在10 nA（1×10-8A）以下。微弱電流采集本身就比較困難，再加上加速器內部又充斥著高強磁場和高頻電場，這對靶的接線和電磁屏蔽提出了很高的要求。中科離子從實際出發(fā)，結合理論知識，探索出自己的一套束測方案。在SC240加速器調試過程中，主徑向探針的噪聲水平小于0.1 nA。

盲人乙——熒光靶

人使用最多的感官是眼睛，通過眼睛直接看到的比電腦上的數據曲線更加直觀。想要看到束流，就要用到另一種束流測量設備——熒光靶。

圖5 熒光靶測量原理

如同子彈穿靶后的速度會降低，束流穿越熒光靶也會損失一定的能量，其中一部分能量會將熒光靶中的原子激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的原子并不穩(wěn)定，會從激發(fā)態(tài)退激到穩(wěn)定態(tài)，并把這部分能量以光的形式釋放出來。熒光靶正是利用了束流這一特性，將看不見的束流轉變?yōu)榭吹靡姷牧涟摺Ｔ跓晒獍猩希覀兛梢钥吹绞叩男螤睢⑽恢茫部梢酝ㄟ^束斑的明暗變化判斷束流的強弱變化。

圖6 中科離子加速器點亮熒光靶

熒光靶必須搭配CCD相機使用才能實時觀察束斑變化。加速器內部磁場高，CCD相機中的電路元件在高磁場下無法正常工作，因此通常將CCD相機置于加速器外部或者內部磁場較低位置，那么加速器內部有些關鍵高磁場位置就無法通過熒光靶測量束斑。這種情況下，可采用離線手段，使用輻射變色薄膜進行測量。

盲人丙——輻射變色薄膜

如同子彈射穿靶后會在靶上留下彈痕，束流穿越輻射變色薄膜也會破壞輻射變色薄膜中的分子結構，而有些分子結構的改變會帶來顏色的改變，將束流的“彈痕”顯現出來。

圖7 中科離子輻射變色膜測量束斑結果

通過對薄膜變色的分析，可得到束斑信息，結合分光光度計對變色程度分析，可得到束流的強弱信息。

盲人丁——法拉第筒

加速器外部沒有內部復雜的電磁場，束流引出加速器后基本按照直線運動，這是測量束流的參數就比較容易。束斑信息可以通過上文提到的熒光靶和輻射變色薄膜測量，流強信息則可以通過法拉第筒測量得到。

圖8 法拉第筒原理圖

法拉第筒是常見的束流測量設備，其測量原理和主徑向探針類似，束流完全沉積到法拉第筒內，其所帶電荷轉化為電流強度信號。當子彈打到靶上，總會從靶上落下一些碎屑。束流沉積在靶上，也會將靶上的電子擊出，稱為二次電子發(fā)射。法拉第筒本身是電中性的，質子束流需測量的是正電流，如果存在二次電子發(fā)射，靶上損失了電子對應的負電荷，就會相應多出正電荷，使測量到的結果偏大。因此法拉第筒通常設計為筒狀，同時在筒口增加反向抑制電場，使發(fā)射出來的二次電子在電場的作用下回到靶體，保證測量的準確性。

小結

束流雖然看不見、摸不著，但可以通過各種束流測量手段，從不同的側面獲取所需束流參數。在加速器調試、運行過程中，束流測量貫穿始終，只有高精度的束流測量設備，才能準確反饋加速器狀態(tài)、調試出優(yōu)良的加速器性能、得到完美的束流品質。中科離子設計研發(fā)的各項束流測量設備，性能優(yōu)良、測試精準，已助力公司多臺加速器成功調試。