初级束流收集器是ISOL靶室系统的重要部件。它位于靶的后方，主要作用是对回旋加速器注入进靶室的剩余束流进行收集，并在靶被打穿的极端情况下，对束流进行收集以确保系统其他部件不受损害。收集器采用高熔点的材料作为接受束流轰击的部分，利用高导热性的铜基将热量传递给水冷系统。中心区域采用锥面以增大束流的分布面积。本工作对收集器的主要部分进行了热分析计算。计算假定注入束流为100MeV的质子束，总功率20kW，束流分布满足σ=5mm的正态分布。计算中考虑了质子在钨靶不同深度能量沉积的布拉格效应。通过铜基和冷却水之间的流体动力学模拟，在冷却水流速<5m/s，冷却水管分布在距离束流中心约100mm时，水管壁的温度约110˚C。收集器中心接受束流轰击的部分采用φ30mm的钨芯时中心区域的温度分布示，其中心最高温度2215˚C(2485K)，远低于钨的熔点3680˚C。此时，铜基部分最高温度为677˚C(950K)，同样低于铜的熔点1054˚C。从温度分布计算结果来看，束流收集器的结构方案是可行的。

束流位置信息是控制束流轨道的必要参数，它对环的闭轨校正等物理过程具有重要作用。中科院高能所为研究强流束的束流损失问题，在"973计划"支持下建立了973-RFQ束流测量线整个束流测量线共有6个BPM。为了控制束流轨道，实时监测束流位置状态，需要对此6个BPM制作一套束流位置读出系统，将束流位置信息实时显示。制作完成的系统将移植到中国散裂中子源(CSNS)的束流位置测量系统中。

公司的对数比处理模块，输出束流水平、垂直方向的位置信号X、Y各6路，和信号的对数和(SUM)共3路，因此制作的束流位置读出系统需要读出此15路信号。X、Y和SUM信号都是脉宽为50~1200μs，重复频率为1~125Hz，幅值动态范围为±2V的脉冲信号。

1.系统布局

该系统用来采集X、Y、SUM信号到软件数据库中。CSNS工程的控制系统是基于EPICS(ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSys-tem，实验物理和工业控制系统)的，所以973-RFQ的BPM信号采集系统也采用EPICS作为软件平台，便于移植。EPICS是用来开发基于网络的分布式控制系统的一组软件工具，它的基本组成部分为OPI(操作员接口)层---采用UNIX、Linux等操作系统的工作站，运行各种EPICS工具;IOC(输入输出控制器)层---一般采用VME/VXI系统，包括机箱、处理器和各种I/O插件;网络通讯模块层(通道访问CA)---为IOCs和OPIs提供基于TCP/IP协议的CA访问通信，它提供CAClient和任意数目的CAServ-er之间的透明通信。

OPI采用了BEPCII工程的bepc21工作站，在Solaris操作系统下已安装EPICS3.13.8开发环境，已有MEDM/EDM/StripTool(显示界面绘制工具)、ChannelArchiver(历史数据存档工具)等丰富的OPI工具。IOC层选用了VME系统，由VME64x机箱，Motorola公司的MVME5100机箱控制器，Hytec公司的A/D卡、载板、信号转接板组成。实验中采用PC机来远程访问EPICS服务器和终端调试IOC。

2.硬件性能

选定各硬件产品的性能指标如下:MVME5100---主频450MHz;内存512MB;运行VxWorks5.4操作系统。A/D卡---型号为Hytec公司的ADC8411U;采样频率1Hz~100kHz可选，实验中选定100kHz;通道数16;分辨率16位;量程±5V;采样时间2μs，转换时间8μs;IP(In-dustrialPackage)结构，需配合VME总线的载板使用。载板---型号为Hytec公司的VCB8002;VME64x标准;支持IP接口，可以同时搭载4块IP板;需配合信号后转接板使用。信号后转接板---型号为Hytec公司的VTB8307;VME64x标准;有4个SCSI50路接口。信号连接线---DB15转SCSI，一端是6个DB15口，一端是1个SCSI口。0.3IOC数据库开发IOC层是EPICS控制系统中最重要的部分，其结构如图2所示。其中，IOC数据库是IOC层的核心，它的基本单位是记录(Record)，每个数据通道对应一个记录，这样一个个的记录就构成了模块化的IOC动态数据库。在EPICS环境下，一个I/O设备的IOC实例开发包括两部分内容:主机上IOC数据库开发及交叉编译和IOC数据库下载到目标机运行。而IOC数据库开发又包括Record(用户应用程序)、RecordSupport、DeviceSupport以及DeviceDriver的开发。

本系统的A/D卡和载板的RecordSup-port、DeviceSupport以及DeviceDriver都由生产厂家提供。实验中结合实际采集需求，在应用环境下对它们进行了删减、编译、调试，发现了A/D卡用户手册中2个缺少的内容和A/D卡驱动程序中2个bug，进行了修正及完善。整个IOC数据库开发过程包括以下内容:

(1)运行A/D卡和载板驱动于应用环境下通过建立应用目录，修改Makefiles文件内容，使用gmake命令编译，并下载应用到目标机，使A/D卡和载板的驱动程序能在实际应用环境下运行。调试中发现问题如下:AD卡对MVME5100来说有一个内存偏移量，在设置载板的下载参数时应将此参数设置上，否则MVME5100将读不到A/D卡。A/D卡手册上没有写明此内容，给的驱动程序中也没有定义此参数。后经过跟厂商交流解决此问题，MVME5100读到A/D卡。

(2)选定A/D卡工作模式并编写应用程序选定的A/D卡有2种工作模式:寄存器模式，触发模式。根据BPM位置信息是脉冲信号特点，选定触发工作模式，其工作过程为:当A/D卡被触发时，信号被A/D卡采集，经过ADC变换被储存到A/D卡的FIFO内存中(每个通道有自己独立的一个FIFO内存，一次最多可存储256个位的样本);当FIFO已满时，就会产生一个中断;之后FIFO保持不变直到它的值被完全读取，才能进行下一次的触发。根据A/D卡驱动内容编写A/D卡数据读出的应用程序，用15个waveform记录实现对15个BPM位置信号的读出，其记录扫描方式选为中断扫描。将应用程序下载到目标机运行，发现问题如下:只能读取A/D卡1个通道采集到的数据，不能实现多通道读取。通过跟厂商交流找出原因是由于A/D卡的固件程序中存在bug，返回厂商进行修改。修改后发现问题:读不到A/D卡所有通道的数据;VME超级终端一直显示FIFO已满。通过阅读A/D卡驱动程序找出原因是由于驱动程序中存在bug，没有在中断函数中使能waveform记录开始读取数据的标志变量。通过修改驱动程序将此问题解决。

(3)制定A/D卡触发方案由于采集的信号为窄脉冲信号，实验中选定同步触发方案进行A/D卡采集，这样每次都能将脉宽段信号采集到数组前端，便于舍去后面的无效点。

输入同步触发信号给A/D卡后，发现问题如下:实验中的A/D卡采用的是双重使能触发，先通过软件启动硬件，然后通过硬件输入外触发信号启动采样。厂商给的A/D卡用户手册中没有写明此内容，导致没有进行软件使能，输入外触发信号后，A/D卡不工作。通过阅读驱动代码，并与厂商进行交流后，编写了ARM使能程序，并在EPICS终端输入ARM使能命令，解决此问题。

3.测试结果

实验中用信号源模拟出一个脉宽为500μs、周期为40ms的窄脉冲信号进行测试，并模拟出它的同步信号触发A/D卡进行采样。测试得到的数据如图3所示。该信号采集系统实现了对窄脉冲信号的100kHz同步触发采样(500μs脉宽内50个采样点)。对脉宽内数据求方差值，得到读出系统分辨率远远好于BPM全系统分辨的要求，符合设计要求。

实验中对A/D卡采集到的束流位置信号进行了数值平均滤波，滤除噪声影响，具体算法:将脉宽段内数据去掉一个最大和一个最小值，对剩余数据求平均。信号采集系统采集到的X、Y信号是电平信号，单位为V;而束流位置x、y是距离，单位为mm;要将X、Y通过一个转换系数转换成x、y。对于973-RFQ的束流而言，束流在真空管道中的一定范围内，此系数是一个常数。实验中采用100mV=1mm进行转换。这两部分内容通过添加在A/D卡的驱动程序中来实现。

该束流位置读出系统采用了EPICS客户端软件EDM(扩展显示管理器)来制作用户界面。共制作了2种不同的显示界面来展示束流位置信息，一种是沿时间轴将每个束团的位置信号绘制成波形动态显示;另一种是在XY平面绘制束团的动态位置。用该束流位置读出系统对973-RFQ调试阶段的频率为1Hz、脉宽为50μs的束流位置信号进行测量。由现场动态运行结果看出，973-RFQ中束流位置基本状态，波动很小。

束流收集器需能可靠地吸收电子束轰击到其表面产生的能量，且能承受长时间工作所产生的热应力和疲劳应力，因此，采用熔点高、导热率好、热膨胀系数小的铜制作束流收集器的内筒，外筒采用不锈钢制作，内外筒之间为冷却水通道，其结构简图如图1所示。束流收集器内表面采用倒圆锥结构，使电子束在传输过程中逐渐被内表面吸收，以扩大束流收集器受到轰击的面积，减小单位面积上的能量密度。考虑到电子束传输和扩散等因素，初步将收集器设计为入口直径为160mm、长度为1.2m的倒圆锥。内筒厚度为10mm，以阻止电子束穿透，并有足够的机械强度。收集器末端采用3个成120°的支撑柱对内筒进行支撑，在有足够支撑强度的同时减小对冷却水的阻力，出水口位于收集器的顶端，便于排除冷却水中的气泡，防止收集器局部过热。

为防止电子束能量过于集中而损坏束流收集器，电子束在进入束流收集器前需用四级磁铁对其扩束。电子束达到收集器内表面时的束斑直径为120mm，并且在传输过程中逐渐被内表面吸收。通过束流光学模拟软件，优化四级磁铁参数，并计算收集器上各位置沉积的电子数，得到收集器内表面沿轴线的能量密度(P)分布曲线，如图2所示。电子束横向分布采用正态分布，电子集中在束团中心，因此能量密度分布在收集器末端较大。计算中忽略了电子束轰击到收集器内表面产生二次电子和X射线而损失的能量，并直接将电子束能量考虑为热量施加在收集器内表面，不考虑电子束在材料中的穿透深度。通过优化，将能量密度控制在100W/cm以内，但在圆锥尖端出现峰值，达到130W/cm，这主要是圆锥尖端面积较小所致，由于能量并不高，该峰值在可接受范围内。

束流收集器水冷设计需防止收集器温度过高导致冷却水沸腾，沸腾产生的气泡将使冷却水与筒壁分离，在收集器壁形成热点，从而使收集器温度得不到有效控制。初步估算采用室温(300K)的冷却水在水流量为3.0k/s时，带走由电子束轰击产生的40kW热量，温升仅为3.2K。

使用流体力学模拟软件Fluent对收集器水冷结构进行模拟，水流量为3.0kg/s，入口压强为0.1MPa。冷却水通道入口宽度为10mm，出口宽度为5mm，越靠近通道出口半径越大，通道的截面积也越大，因此在冷却水流动过程中，流速将逐渐减缓。冷却水通道内水流速度分布如图3所示，入口处的水流速度为4.6m/s，在向出口流动过程中流速逐渐下降至1.2m/s。在水流过收集器内筒末端时，被阻碍并分向四周形成水流速度较小的回流区，如图3b、c所示，但该处未直接受到电子束轰击，热量来自于前端的热传导不会产生过热。

经过计算得到束流收集器内筒靠近冷却水表面的温度分布和两表面沿轴线的温度分布，如图4所示，收集器温度从0.2m开始上升，在0.6m时达到平顶并一直延续到1.1m，与收集器上能量密度分布曲线相符合;在1.1m至末端区间，温度迅速下降，与能量密度分布曲线趋势相反。电子束能量主要沉积在收集器的0.6~1.1m范围内，末端虽然能量密度较高，但由于面积较小，能量沉积也较小，因此温度较低。收集器两表面之间的温差随温度升高而增大，在收集器温度最高处(355K)温差最大，为10K。靠近冷却水表面，最高温度达到345K，远低于冷却水的沸腾温度，束流收集器不会出现热点，能稳定可靠运行。

对FEL-THz束流收集器进行了初步设计，收集器内筒采用入口直径160mm、长1.2m的倒圆锥结构对电子束进行吸收。采用室温(300K)冷却水对其进行冷却，冷却水流量为3.0k/s，压强为0.1MPa，可将收集器内壁温度冷却至355K，远低于冷却水的沸腾温度，束流收集器不会出现热点，能稳定可靠运行，满足高平均功率FEL-THz装置的使用要求。

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)由主环(CSRm)和实验环(CSRe)组成,每个环有一套电子冷却装置。电子冷却是通过以相同平均速度运动的离子束与强流电子束的库仑碰撞将离子束的横向振荡与纵向振荡能量转移到电子束,从而降低储存环中离子束横向发射度和纵向动量散度、提高束流品质目的的方法。CSRm电子冷却装置能够提供能量低于35keV、最大流强3A的准直性及单色性很好的电子束流,用于冷却能量低于64MeV/u的重离子束。

CSRm电子冷却装置的冷却作用使重离子束的横向尺寸显著缩小,为束流重复注入提供空间,从而实现重离子束流的累积。累积增益取决于电子冷却过程的冷却时间τ:其中,Qi和Ai为离子的电荷态和质量数,βi和γi为相对论因子,θi和θe为冷却段内离子束和电子束相对于储存环真空管道中心轴的张角,ηec为冷却段长度和储存环周长的比值,je为电子束密度。装置冷却段内离子束与电子束的相对位置决定了两者之间的夹角,进而影响束流的冷却时间。据此,在CS-Rm的电子冷却装置上建立了用于同时测量电子束和离子束位置的测量系统,测量各种校正线圈对电子束和离子束位置的影响,优化装置运行中束流的相对位置,提高对重离子束的冷却效率。

在电子冷却装置冷却段两端各装有一套圆筒形束流位置探针,每套探针由4个彼此绝缘、电学特性相同的圆筒形极板组成。极板由半径100mm、长度8mm和壁厚1mm的圆筒形不锈钢材料沿对角面对称切割而成,并按照相对于束流的上下左右关系对称安装在真空管道内。因为极板为圆筒形且沿对角面对称切开,所以有较大的感应面积,感应灵敏度高,线性度好。当束团通过时,极板可等效为一电流源,探针极板上产生感应电荷,进而产生极板对地的电压,该电压受带电粒子与极板之间距离的影响:包括前置放大器、数据采集卡以及电子束调制、离子束测量触发、计算机(数据处理软件)系统。前置放大器选用PET公司P/NAM-4A-000110-11030N型宽带放大器,对探针极板感应的弱信号进行线性放大,之后送入60MS/s实时采样率、12位垂直分辨率的PXI-51058通道高精度数字化仪进行数据采集,通过软件对数据进行傅里叶变换、频谱信号强度分析获得束流位置信息。

由于容式位置探针只能感应束团信息,故不能测量直流电子束在极板上的感应信号;而且冷却过程中直螺线管冷却段内电子束与离子束同时存在,电子束和离子束流强相差3个量级,使得电子束和离子束团感应在极板上的信号叠加,时域信号分析不能得出电子束与离子束团信息。为此,位置测量时需要对电子束进行频率调制,通过傅里叶变换将探针极板上感应的时域信号转换为频域信号,频谱中不同的频率信号表示电子束、离子束团的不同感应信号。调制方法是在电子枪端对电子束发射控制极电源进行频率调制,调制频率要求区别于离子束团的回旋频率,以便于后期分析频谱信号。根据离子束团在CSRm回旋频率范围为0.2-1.6MHz的条件,系统选择由外部信号源提供的频率为3MHz的正弦信号作为调制信号。频谱分析时3MHz频率信号为电子束感应信号,相应能量的离子回旋频率信号为离子束团感应信号。针对各极板上束流频率信号强度,按照公式(3)和(4)获得束流位置信息。为了防止电子枪端35kV高压对调制信号的电磁干扰,外部调制信号转换为光信号经光纤传送至调制模块。

离子束测量触发系统的触发信号使用储存环加速腔产生的回旋频率信号或者加速器事例触发系统提供的事例触发脉冲,触发脉冲经光纤传送至高精度数据采集卡触发数据采集,以保证离子束团位置测量同步。

由于位置探针已安装于电子冷却段真空管道内,系统不能进行实验室离线测试,为了检查测量系统的准确性,需要进行电子束校正线圈偏移能力的在线测试。校正线圈是沿电子束运动方向安装在电子束真空管道四周的22组线圈,参数不同的线圈对电子束有不同的偏移能力。其中4组线圈(CX1,CX2,CY1,CY2)在电子枪区域对电子束进行偏移;6组线圈(CX3,CX4,CX5,CY3,CY4,CY5)在电子枪端弯曲螺线管区域对电子束进行偏移;2组线圈(CX6,CY6)在直螺线管冷却段区域对电子束进行偏移;CX表示电子束水平方向的线圈,CY表示电子束垂直方向的线圈。

测量系统测量线圈在不同电流下电子束的位置,进而统计、拟合获得相应线圈的实验偏移能力。通过比较线圈理论偏移能力和实验偏移能力的差别,判断测量系统位置测量的准确性。图4给出了电子束水平(a)和垂直方向(b)的线圈CX6和CY6在不同电流下电子束位置测量和偏移能力线性拟合结果。表1给出了部分校正线圈理论偏移能力、实验偏移能力和它们的偏差量。结果表明,线圈理论偏移能力和实验偏移能力差别小于0.5mm/A,即测量系统有较好的位置测量准确性。

离子束在7-25-175MeV/u的加速过程中一个注入、累积、加速周期流强结构图。首先离子在7.0MeV/u经过持续9.5s的注入冷却累积至110μA;接着进行高频捕获(a点)、第一次加速,离子束能量提高到25MeV/u,流强达到180μA;然后进行第二次高频捕获(b点)、加速,12.5s时刻加速结束(c点),这时离子束能量提高到175MeV/u,流强达到400μA;最后束流储存2s后慢引出。每个周期中离子束在高频捕获、加速过程中,离子束团回旋频率改变,探针极板上感应信号频谱发生改变,位置信息可获得。电子束感应信号在3MHz调制频率有类似频谱信号,电子束位置信息也可获得。X表示水平方向,Y表示垂直方向。

可知,在电子冷却装置4m长的冷却段内电子束与离子束存在夹角,水平方向电子束与离子束夹角为0.825mrad,垂直方向电子束与离子束夹角为1.025mrad,垂直方向离子束比电子束低大约11mm(如图6所示)。由于电子束在冷却段内的直径为59mm,电子束能够包裹离子束,这时电子束对离子束仍有高的冷却效率。当然,通过电子冷却装置内的校正线圈以及储存环内的校正磁铁可分别对电子束和离子束进行位置调节,最终使得离子束与电子束相互平行且束流中心位置重合。