HI-13串列加速器重离子微孔膜辐照束流线物理设计

摘要

重离子微孔膜是高分子薄膜经加速器产生的重离子束流辐照后再经过化学蚀刻处理制备出的一种优质微孔膜，为核径迹蚀刻微孔膜的一种。它是一种筛孔型过滤介质，其微孔近似圆柱形且孔型圆整、孔径大小均匀，微孔尺寸和密度可以按照需求严格控制。它具有过滤速率大、机械性能优良和化学稳定性良好、热稳定性良好等优点，是一种性能优异的过滤材料，其在医疗和生物制剂、电子工业、食品工业、环境科学、材料科学等领域有广泛的应用前景。
　　HI-13串列加速器是我国最大的静电加速器，可提供的离子齐全，能量高且可连续调节。重离子微孔膜的制备主要依靠于HI-13串列加速器产生的高能重离子束流进行辐照，其微孔均匀度由束流流强分布的均匀度决定，提高微孔均匀度是重离子微孔膜产品质量的关键。
　　本文根据辐照均匀度好于90％的生产要求，设计了两种辐照方案；其一为二维李萨如扫描法，李萨如扫描法是在X和Y方向上对束流施压不同频率的周期作用力，则束流会沿着特定的李萨如图形扫描，通过选择合适的频率及束斑大小，在一个公共扫描周期内让靶上的束流宏观分布变得均匀。当靶静止时，李萨如扫描很容易得到均匀的束流分布;当靶以一定速度移动时，等效于靶静止不动而束流在扫描的同时总是朝某一方向移动，这样会破坏其移动轨迹的均匀性，导致束流的宏观分布的均匀性也变差。本文通过分析束斑大小、强度分布和扫描频率之间关系，计算靶上束流分布，设计束流线光路参数，理论上最终可以得到辐照均匀度好于90%。但此种辐照方式其均匀度为动态分布，对设备的稳定度要求很高，且对均匀度的控制手段较少。
　　其二为八极磁铁校正法，八极磁铁校正法是利用八极磁铁对高阶相差的校正作用把具有高斯分布的束流校正成近似均匀分布的束流，极大地提高了束流的均匀性；此种辐照方式其均匀度为静态分布，微孔密度由膜的传动速度决定。本文通过对八极磁铁原理分析，设计了束流线光路参数，模拟了校正后的束流分布，结果表明辐照均匀度和束流利用率均可达90%。但此种辐照方式对于束流线上光学元件的安装准直公差要求非常严格，通常其平移公差应当控制在0.2mm之内，旋转公差应当控制在0.5mrad之内，且此时会造成束流利用率下降较多；为此，本文提出采用导向磁铁调束，克服安装准直公差对辐照均匀度产生的影响。最后本文对八极磁铁进行了物理设计，由束流光学计算中要求的好场区范围，分析磁极面形状，计算磁极面宽度，结果表明其磁场分布可以达到设计要求。对励磁线圈安匝数进行计算，得出励磁功率大小，设计导线水冷模型，计算水冷参数。
　　本研究为重离子微孔滤膜的工业化生产提供了一种实践可行的方法，具有很好的实用性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及目的

1.2 研究意义

1.3 HI-13串列加速器应用研究现状

1.4 重离子微孔膜概况

1.5 重离子辐照技术研究现状

1.6 本章小结

第二章 重离子辐照技术

2.1 重离子辐照装置

2.2 重离子束流强度与辐照密度关系

2.3 现有辐照技术存在问题

2.4 束流均匀化方案

2.5 本章小结

第三章 李萨如扫描法束流线物理设计

3.1 李萨如扫描法简介

3.2 扫描强度计算方法

3.3 扫描电极选择及参数计算方法

3.4 扫描波形

3.5 束团中心轨迹的简并

3.6 轨迹线间距

3.7 李萨如扫描下的束流强度分布

3.8 李萨如扫描法束流线光路设计

3.9 本章小结

第四章 八极磁铁校正法束流线物理设计

4.1 八极磁铁校正法原理

4.2 八极磁铁校正法束流线光路设计

4.3 均匀度控制

4.4 公差分析

4.5 本章小结

第五章 八极磁铁物理设计

5.1直角坐标系中多极矩分析

5.2 磁极面参数计算

5.3 电磁场数值计算

5.4 好场区分析

5.5 线圈功率计算

5.6 线圈水冷计算

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

研究生期间发表论文

致谢