加速器是使用电磁场将带电粒子加速到高能量的装置。它是研究原子核和基本粒子的重要设备，并可广泛地应用于工农业和医疗卫生事业。回旋加速器具有连续束流、流强高、发射度低等特点，并且占地面积小、结构紧凑，常被用作质子放射治疗系统的粒子源。

图1 中科离子自研SC240医用超导回旋加速器

束流测量系统是加速器在调试、运行过程中的主要检测手段，通常被称为加速器的“眼睛”。束流测量系统的精度也在很大程度上决定了加速器的优化程度。束流本身是看不见、摸不着的，测量束流需要将其转化成我们可以看得见的光信号，或者能够处理的电信号，这些信号可以反馈束流的一些特征。

束流测量很像“盲人摸象”。束流如同一头未知的大象，我们没有办法也不必知道这头大象的所有信息，只需知道它某方面的关键信息。当我们需要测量束流流强时，我们可以派出“盲人”——主径向探针、法拉第筒等工具；当我们要测量束斑形态时，我们可以派出“盲人”——荧光靶、辐射变色薄膜等工具。每种测量方法都可以反馈束流某一方面的特征，我们根据实际需求，设计合适的束流测量设备。

盲人甲——主径向探针

在加速器研发过程中，需要用到多种束流测量设备，其中主径向探针可将束流流强转化为电流强度信号，可以反应束流在加速器中某一位置的束流强度。它的原理非常简单：束流中的带电粒子就像一颗颗高速运动的子弹，我们可以选择适当厚度的靶，使子弹无法穿透靶体，最终全部停留在靶体里，单位时间内靶体内新增的子弹上所携带的电荷数就是束流的强度。

图2 主径向探针工作原理

以质子束流为例，每个质子带一个正电荷，单位时间内靶体内新增的质子数等于单位时间内靶体内新增的电荷数，这便将束流转化为电流信号。一套优良的主径向探针，既要“测得全”，能够接收所需要的尽可能多的束流信号；又要“测得准”，能够准确反馈高精度的流强信息及束流拦截位置。

图3 不同能量质子束流“测得全”所需的最小钨靶厚度

想要测得全，就要让所有测量的粒子都可以停留在靶体内。在中科离子研发的SC240超导回旋质子加速器中，质子束流能量从初始的几十keV一直加速到240 MeV，此时质子速度可达到光速的70%左右。束流能量越高，速度越快，就需要越厚的靶。如图3所示，越高能量的质子束流，“测得全”所需要的钨靶厚度越大。一般来说，靶的厚度要略大于“测得全”所需要的最小厚度，以确保能够尽可能多地拦截束流中的粒子。在SC240超导回旋质子加速器中，钨靶的最小厚度要大于35 mm，实际使用的厚度是40 mm。

另一个影响“测得全”的因素是束流的入射方向。如图 4所示，当束流入射方向不合适时，束流也不能全部停留在靶体内。中科离子设计了合适的曲线轨道，保证束流始终以合适的方向入射。

图4 不合适的束流入射方向

“测得准”包含两方面，位置测得准和束流流强测得准。中科离子研发的主径向探针，通过优化机械结构、改良小车设计，使靶在曲线轨道上高精度平稳运动。在加速器调试中，束流流强越小，所造成的辐射和活化就越少。我们通常将电流信号控制在10 nA（1×10-8A）以下。微弱电流采集本身就比较困难，再加上加速器内部又充斥着高强磁场和高频电场，这对靶的接线和电磁屏蔽提出了很高的要求。中科离子从实际出发，结合理论知识，探索出自己的一套束测方案。在SC240加速器调试过程中，主径向探针的噪声水平小于0.1 nA。

盲人乙——荧光靶

人使用最多的感官是眼睛，通过眼睛直接看到的比电脑上的数据曲线更加直观。想要看到束流，就要用到另一种束流测量设备——荧光靶。

图5 荧光靶测量原理

如同子弹穿靶后的速度会降低，束流穿越荧光靶也会损失一定的能量，其中一部分能量会将荧光靶中的原子激发，处于激发态的原子并不稳定，会从激发态退激到稳定态，并把这部分能量以光的形式释放出来。荧光靶正是利用了束流这一特性，将看不见的束流转变为看得见的亮斑。在荧光靶上，我们可以看到束斑的形状、位置，也可以通过束斑的明暗变化判断束流的强弱变化。

图6 中科离子加速器点亮荧光靶

荧光靶必须搭配CCD相机使用才能实时观察束斑变化。加速器内部磁场高，CCD相机中的电路元件在高磁场下无法正常工作，因此通常将CCD相机置于加速器外部或者内部磁场较低位置，那么加速器内部有些关键高磁场位置就无法通过荧光靶测量束斑。这种情况下，可采用离线手段，使用辐射变色薄膜进行测量。

盲人丙——辐射变色薄膜

如同子弹射穿靶后会在靶上留下弹痕，束流穿越辐射变色薄膜也会破坏辐射变色薄膜中的分子结构，而有些分子结构的改变会带来颜色的改变，将束流的“弹痕”显现出来。

图7 中科离子辐射变色膜测量束斑结果

通过对薄膜变色的分析，可得到束斑信息，结合分光光度计对变色程度分析，可得到束流的强弱信息。

盲人丁——法拉第筒

加速器外部没有内部复杂的电磁场，束流引出加速器后基本按照直线运动，这是测量束流的参数就比较容易。束斑信息可以通过上文提到的荧光靶和辐射变色薄膜测量，流强信息则可以通过法拉第筒测量得到。

图8 法拉第筒原理图

法拉第筒是常见的束流测量设备，其测量原理和主径向探针类似，束流完全沉积到法拉第筒内，其所带电荷转化为电流强度信号。当子弹打到靶上，总会从靶上落下一些碎屑。束流沉积在靶上，也会将靶上的电子击出，称为二次电子发射。法拉第筒本身是电中性的，质子束流需测量的是正电流，如果存在二次电子发射，靶上损失了电子对应的负电荷，就会相应多出正电荷，使测量到的结果偏大。因此法拉第筒通常设计为筒状，同时在筒口增加反向抑制电场，使发射出来的二次电子在电场的作用下回到靶体，保证测量的准确性。

小结

束流虽然看不见、摸不着，但可以通过各种束流测量手段，从不同的侧面获取所需束流参数。在加速器调试、运行过程中，束流测量贯穿始终，只有高精度的束流测量设备，才能准确反馈加速器状态、调试出优良的加速器性能、得到完美的束流品质。中科离子设计研发的各项束流测量设备，性能优良、测试精准，已助力公司多台加速器成功调试。