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)技術于2013年底在國內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技術對溫稠密物質(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過程提供診斷方法。相對于X光照相、X光湯姆遜散射和質子照相等診斷方法，HEER具有顯著優勢：電子加速器造價相對較低，成像系統較小，易發展專門用于成像的裝置；基于光陰極的ps脈寬的電子束技術已非常成熟，特別適合超快動態成像，可較好地應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關鍵技術及實驗方面的研究進展進行總結，并給出后續研究計劃及發展方向。

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：電子束從光陰極發射，經過加速、輸運和調控后照射被診斷靶，電子束與靶物質相互作用，經過碰撞、散射和透射后電子束的橫向分布富含靶物質信息，利用具有一定放大倍數的點對點磁透鏡成像系統，將通過靶物質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：高品質電子束(LINAC)、束運匹配段、電子束與靶物質、點對點磁透鏡成像系統和像平面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、成像透鏡組設計等相關方面展開。

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網格。首次成像實驗結果如圖2所示，空間分辨達10 μm量級[5]，實驗獲得的放大倍數與理論計算值一致。

為進一步開展HEER相關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，設計并搭建了專用HEER束線。束流由消色散偏轉系統Achromat偏轉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的成像透鏡組，一組(8塊四極鐵)放大倍數為1倍，另一組放大倍數為2.88倍(由前面4塊四極鐵組成)，具體設計參數參見文獻[6]。于2016年在該束線上進行了相關實驗，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網格成像結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暗場成像，具體實驗結果參見文獻[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網格樣品實際大小對比圖2 HEER實驗結果Fig.2 HEER experimental result

a——200目TEM網格成像結果；b——圖a方框內的邊沿區域和沿x方向密度投影ESF；c——圖b ESF的微分和高斯函數擬合圖3 200目TEM網格成像結果及空間分辨分析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對電子束與靶物質相互作用進行模擬研究，用來指導高能電子成像實驗設計。利用兩個不同放大倍數的成像透鏡組參數，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]。

根據面密度分辨前期實驗，發現束流橫向分布不均勻及束流不穩定性對成像結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，在靶位置產生橫向均勻束，模擬結果如圖6所示，具體設計及討論參見文獻[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參數如圖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，模擬結果如圖7b所示，利用3 GHz的橫向偏轉腔，可將束團間隔為83.3 ps整數倍的電子束在垂直方向分束，加入雙切割鐵可使分束結構更加緊湊，具體設計參數及模擬結果參見文獻[9]。

2 HEER后續研究計劃

為深入開展HEER實驗及應用方面的研究，設計了蘭州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為：束團電荷量從100 pC到nC量級，重復頻率5～50 Hz可調，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、大電荷量及穩定束的靜態實驗需求，光陰極微波電子槍滿足動態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，具體設計參數參考文獻[10-11]，目前正在安裝調試中。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重離子研究裝置(LEAF)相結合，實現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結合，實現樣品三維成像診斷技術。通過本平臺對HEER的研究，希望將HEER技術拓寬到其他學科的實驗診斷研究應用中，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 結論

本文對HEER相關技術的進展進行了總結，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技術能實現高空間分辨μm量級，能實現明-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控技術在HEER中的應用，包括束流匹配、產生橫向均勻束及束團串超快分束等。同時給出了后續實驗及研究計劃，希望可促進這一強有力的診斷工具的發展，并能應用到其他相關領域。