北京试验束装置上大功率法拉第杯设计制造

摘要

法拉第杯是一个传统的束流强度测量装置，在加速器束流强度的归一化测量、探测器的标定等方面起到了不可替代的作用。由于法拉第杯是一个绝对测量装置，没有其它设备可以对其标定，反而通常是利用法拉第杯来标定其它实验用探测器，所以法拉第杯的设计和效率的计算变得至关重要，其计算精度直接影响探测器的探测效率的精度，并影响物理实验结果的可信度。 本论文是在中国科学院高能物理研究所实验物理中心试验束组完成的，其项目来源于高能所羊八井中日合作实验探测器的标定实验，此实验中晶体标定部分需要确切对应晶体发光强度和1.89GeV电子束流强度之间的关系，而BEPC也正缺少一个这样对束流进行绝对测量的装置，而且将来反应截面的归一化测量也需要这样的一个装置，因此法拉第杯的设计和加工项目由高能所试验束组承担。应用于测量如此高能量电子束强度的法拉第杯在国内还没有，此项目中法拉第杯的结构设计主要参考运行于SLAC实验室与：KEK实验室的法拉第杯，但是其工作的束流状态与BEPCII所提供的束流情况有很大不同。在本文中应用先进的蒙特卡罗模拟程序FLUKA进行法拉第杯的结构设计和各部分参数的确定，根据模拟结果对SLAC和KEK的法拉第杯的结构进行了改进，模拟内容包括法拉第杯各部分构件的尺寸、法拉第杯运行时周围的辐射剂量场分布、各部分构件工作时的若膨胀及升温情况，最后确定法拉第杯测量效率，然后对法拉第杯的电容进行计算，对法拉第杯测量等效电路进行分析，并且设计出基于6517A静电表的法拉第杯后继测量电路，现在法拉第杯已经加工完成，并安装于高能所十号厅E2线的末端。 本论文包括以下几个部分：高能所及试验束的介绍、法拉第杯的项目来源及设计目标、蒙特卡罗方法介绍、用于法拉第杯设计的FLUKA模拟程序介绍、法拉第杯的模拟设计结果、法拉第杯相关参数的计算、法拉第杯后继测量电路的设计、设计总结与展望。

目录

文摘

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引言

第一章高能所及BEPC试验束介绍

1.1高能所介绍

1.2 BEPC介绍

1.3从BEPC到BEPCII

1.4高能所试验束介绍

1.4.1 E1电子束流线

1.4.2 E2束流线

1.4.3 E3试验束流线

第二章法拉第杯的研制及应用

2.1羊八井国际宇宙线观测站

2.2羊八井中日合作项目简介

2.3法拉第杯设计目的

2.4法拉第杯设计简介

第三章蒙特卡罗方法及FLUKA模拟程序简介

3.1蒙特卡罗方法概述

3.1.1蒙特卡罗方法的收敛性

3.1.2误差

3.1.3蒙特卡罗方法的特点

3.2蒙特卡罗方法在通量计算中的应用

3.2.1通量定义

3.2.2通量的能谱和角分布

3.2.3计算体通量的模拟方法

3.2.4计算面通量的方法

3.2.5计算点通量的模拟方法

3.2.6与通量有关的物理量的计算

3.3蒙特卡罗方法应用软件简介

3.3.1蒙特卡罗方法应用软件

3.3.2蒙特卡罗方法应用软件特点

3.3.3 MORSE程序

3.3.4 MCNP程序

3.3.5 EGS4程序

3.3.6 SANDYL程序

3.3.7TIGER程序系列

3.4 FLUKA模拟程序介绍

3.4.1 FLUKA是什么?

3.4.2 FLUKA可记录的粒子种类见下图

第四章法拉第杯设计模拟结果

4.1不锈钢窗厚度和法拉第杯前端长度模拟

4.1.1模拟结构示意图

4.1.2模拟结果及其分析讨论：

4.2法拉第杯杯芯碳层厚度的模拟结果

4.2.1模拟结构示意图

4.2.2碳层厚度对背向散射的影响分析

4.2.3逃逸电子数和碳层厚度的关系分析

4.3铜核模拟结果

4.3.1模拟结构示意图

4.3.2模拟结果及其分析讨论

4.4法拉第杯内部真空度模拟设计结果

4.4.1模拟的结果图如下所示

4.4.2模拟结果及分析讨论

4.5法拉第杯结构模拟设计结构

4.6法拉第杯周围辐射场分布的模拟

4.6.1模拟结构

4.6.2模拟结果及分析讨论

4.7热膨胀的模拟和计算

4.8法拉第杯电容值的计算

第五章法拉第杯后继测量方案设计

5.1 6517A主要特点及优点

5.2 6517A前后面板示意图

5.3 6517A在法拉第杯测量束流强度中的应用

5.3.1直接测量法拉第杯芯沉积电量

5.3.2测量法拉第杯放电电流(RC＞T)

5.3.3测量法拉第杯放电电流(RC＜T)

第六章总结与展望

参考文献

感谢