聚焦型高能离子微束技术的模拟研究.pdf

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1、博士学位论文聚焦型高能离子微束技术的模拟研究SIMULATIONRESEARCHONTHEFOCUSEDHIGHENERGYIONMICROBEAMTECHNOLOGY窦彦昕哈尔滨工业大学2018年4月国内图书分类号：TM153学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文聚焦型高能离子微束技术的模拟研究博士研究生：窦彦昕导师：李立毅教授申请学位：工学博士学科：电气工程所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年4月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIn

2、dex:TM153U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSIMULATIONRESEARCHONTHEFOCUSEDHIGHENERGYIONMICROBEAMTECHNOLOGYCandidate：DouYanxinSupervisor：Prof.LiLiyiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringAffiliat

3、ion：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：April,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要聚焦型高能离子微束装置是一种将离子束聚焦为微米量级的特种电磁装置。常规的聚焦型高能离子微束装置，离子能量为数个MeV，主要用于元素分析等应用领域，很难满足高能量离子辐照研究的需求，因此人们开始探索离子能量为几十MeV至GeV量级的聚焦型高能离子微束技术，应用于空间科学中

4、的辐射效应、质子重离子治癌中的辐射生物学效应和低剂量效应等前沿科学研究。狭义的聚焦型高能离子微束技术主要为狭缝技术和离子光学设计方法。目前人们已经分别探索得到了高磁刚度低缩小倍数和低磁刚度高缩小倍数的聚焦透镜组结构，但兼顾高磁刚度高缩小倍数的聚焦透镜组结构尚未被发现。一般而言，能量高和射程大的离子，相应的狭缝技术难度越大，质子射程比重离子射程更大，因而难度更高。本文以300MeV质子为算例，结合哈尔滨拟建设的300MeV质子同步加速器束流参数，分析如何解决狭缝系统的杂散粒子问题和实现高磁刚度高缩小倍

5、数的聚焦透镜组设计方法。在狭缝技术研究方面，本文利用Geant4建模分析了300MeV质子与钨靶的相互作用产物特点，同时利用Geant4建模得到了300MeV质子通过直线型狭缝系统产生的杂散粒子的特点，进而提出了增加二极磁铁的弯转型狭缝系统结构。利用Geant4建模验证了弯转型狭缝系统可以将杂散粒子与300MeV质子束分离，降低了300MeV质子与狭缝相互作用产生的杂散粒子的影响。另外，讨论了弯转型狭缝系统结构可以适用于不同质子能量和狭缝材料的情况。在聚焦透镜组系统设计方法研究方面，通过对四极磁铁的

6、聚焦原理进行研究，本文提出了离子磁刚度与四极磁铁长度匹配选择的参考曲线，优化了四极磁铁聚焦能力，从而将基于常规四极磁铁的聚焦透镜组聚焦质子能量由MeV量级提升至GeV量级。根据对现有聚焦透镜组结构参数库进行系统分析，本文提出了适用于同步加速器的300MeV质子微束聚焦透镜组结构，具有高磁刚度高缩小倍数低像差系数的优点，在理论上证明了同步加速器同样适用于建设高能离子微束装置，扩展了用于微束的加速器种类。在聚焦透镜组系统球差优化方法研究方面，本文研究了四极磁铁边缘场对300MeV质子聚焦透镜组系统固有像

7、差的影响，研究了采用八极磁铁对300MeV质子聚焦透镜组系统的球差进行补偿的方法。本文使用Enge模型拟合有限元仿真得到的四极磁铁磁场数据，重构得到含边缘场的四极磁铁场型，提高了离子追迹法计算球差系数的精度，从而给出了PRAM矩阵法软件与WinTRAX离子-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文追迹法软件在矩形模型计算球差系数存在很大差异的原因，二者内置的边缘场模型假设并不一致。本文介绍了四极磁铁和八极磁铁的球差理论和聚焦透镜组系统球差优化方法，定量研究了单个八极磁铁在聚焦透镜组系统不同位置处对球差贡献

8、的情况，提出使用单个八极磁铁优化分离式俄罗斯四组合的300MeV质子聚焦透镜组系统的球差的方法，有效降低了聚焦透镜组系统的球差。总之，本文对聚焦型高能离子微束技术进行模拟研究，解决了基于同步加速器的高能离子微束装置的相关关键技术存在的问题，扩展了用于微束装置的加速器种类，提高了微束技术可实现的离子能量，为建设更高能量的离子辐照研究平台提供了新思路，将促进高能离子微束装置在空间科学、辐射生物学、核医学、核农学等学科的应用。关键词：微束；高能离子；离子光学；狭缝；四极磁铁