高能电子束活性区空间能量密度测量系统
特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
25
木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
25
2
2000
N2
1
2000
2011年LA物理师真题+答案.
专业代码: 432011 (LA、X刀、γ刀)物理师试题1.在两个楔形野交角照射中，两个楔形野中心轴之间的夹角为60°。
最适于使用的楔形角是A.15°B.20°C.30°D.45°E.60°2.kV级X线治疗机主要用于A.全身照射治疗B.浅层肿瘤治疗 c.肺癌治疗D.鼻咽癌治疗 E.宫颈癌怡疗3.立体定向放射治疗中，可移动落地式等中心系统的缺点是A.机械精度受加速器精度的影响B.加速器治疗床的旋转范围受影响C.加速器机架旋转范围受影响D.增加了摆位难度E.无法应用加速器的连锁功能4.放疗过程中允许的总剂量误差是A.2%B.3%C.5%D.7%E.10%5.粒子注量是进入辐射场内某点处单位面积球体所有粒子的A.数目总和B总能量之和 C.总动能之和D.沉积能量总和 E.电荷总和6.电子束中心轴深度剂量曲线同兆伏级光子束相比A.表面剂量高、剂量迅速陡降B.表面剂量高、剂量迅速提高C.表面剂量不变、剂量不变D.表面剂量低、剂量迅速陡降E.表面剂量低、剂量迅速提高7.不属于正常照射的是A.工业上的可预见的辐射照射B.病人进行CT扫描诊断照射C.放射工作人员的职业照射D.远距离放射治疗照射E.不可预见的潜在照射8.远距离后装治疗系统的优势之一是A.提高肿瘤的控制率B.减少对医护人员的照射C.剂量分布均匀D.缩短治疗日才问E.可提高肿瘤剂量9.医用直线加速器表示机器输出剂量常用的表示方法是A.Gy/MUB.R/MUC.Gy/minD.Rad/MUE.R/min10.直线加速器作电子线治疗时，电子束不穿过的部件是A.偏转磁场B.均整块C.监测电离室D.准直器E.散射片11.GM计数器电荷倍增数量级是A.1-2数量级B.3-5数量级C.6-8数量级D.9-10数量级E.11-12数量级12.对于强贯穿辐射，国际辐射防护委员会建议环境剂量当量中测算深度为A.10 mmB.15 mmC.20 mmD.30 mmE.50 mm13.在放射治疗过程中，确定治疗体位的阶段是A.诊断检查B.模拟定位C.计划设计D.计划验证E .计划执行14.己知6MV光子线在SSD=lOOcm、射野为10cmxlOcm下最大深度为1.5cm处校准为1cGy/MU，射野大小为10cmxlOcm，组织最大剂量比TMR (lOx1O，5)=0.86，准直器因子Sc(lOx1O)=，模体散射因子Sp(lOx1O)=1，如果肿瘤深度为5cm，采用等中心照射，肿瘤剂量要得到200cGy时大约需要多少跳数A.205B.2l2C.220D.226E.23815.关于伽玛刀的叙述，错误的是A.仍然沿用了20世纪60年代末Leksell伽玛治疗机原型的基本结构和原理B.在治疗机体部中心装有可多达201个钴-60活性放射源C.放射源到焦点的距离约为40cmD.伽马刀照射野大小最终由不同规格的准直器决定E.可以在焦点平面处提供边长为4mm到18mm的矩形照射野16.空间分辨率最低的剂量计是A.胶片剂量计B.热释光剂量计C.疑胶剂量计D.电离室E.半导体剂量计17.不能用于体内测量的辐射剂量计是A.电离室B.半导体C.热释光D.光释光E.塑料闪烁体18.辐射控制区至不包括A.外照射治疗室B.远程后装近距离治疗室C.近距离源操作室D.治疗室外候诊室E.近距离治疗病房19.不属于高能电子束百分深度剂量曲线组成部分的是A.剂量建成区B.高剂量坪区C.X射线污染区D.剂量跌落区E.指数衰减区20.密封放射源检测是否泄露或被污，通常使用的探测器是A.指形电离室B.半导体探测器C.中子探测器D.闪烁计数器E.正比计数器21.ICRU38号报告对妇科近距离治疗报告，推荐的参考体积的剂量(Gy)是A.45B.50C.55D.60E.7022.现代电子直线加速器与远距离60Co治疗机比较，远距离60Co治疗机不能开展的项目是A.等距离照射B.等中心照射C.等中心旋转照射D.全身X射线照射E.全身电子线照射23.高剂量近距离放疗的总治疗时间为A.放射源对患者直接照射的持续时间B.从第一次照射开始，到最后一次照射结束的总时间C.从第一次照射开始，到最后一次照射结束每次照射时间的总和D.从第一次照射开始，到最后一次照射结束的总时间减去间断时间E.总照射时间24.电子束的射程(cm)约为电子束能量(MeV)的A.1/4B.1/3C.1/2D.2/3E.3/425.剂量分布的物理量不包括A.反散射因子(BSF)B.百分深度剂量(PDD)C.组织最大比(TMRD.组织体模比(TPR)E.离轴比(OAR)26.影响电离室极化效应的参数不包括A.射野大小B.射线能量C.入射角度D.测量深度E.空气湿度27.临床X射线治疗机的组成部分不包括A.X射线管B.高压发生器C.控制台D.磁控管E.冷却系统28.辐射防护探测时使用盖格计数器的目的是A.探测中子B.探测电子C.大致确定能量D.准确测定剂量E.快速定位泄漏位置29.关于调强放射治疗的叙述，正确的是A.调强放射治疗与适形放射治疗唯一的区别是使用逆向放疗计划设计B.调强放射治疗只能使用笔形束的剂量计算方法C.调强放射治疗的实施方式只有动态调强和静态调强两种D.调强放射治疗通常是在射野内进行强度调整E.调强放射治疗只适用于凹形靶区30.常用场所辐射监测仪中灵敏度最高的是A.电离室B正比计数器C.GM计数器D.闪烁探测器E.半导体探测器31.当电子直线加速器的能量超过6MV，加速管太长而不能直立安装时，需要使用A.放大线国B.四端环流器C.均整滤过器D.电子散射箔E.偏转磁铁32.放射治疗使用的准直器的精度应A.<lmmB.<2mmC.<3mmD.<4mmE.<5mm33.当使用绝缘体固体模体测量电子束的吸收剂量时，耗尽能量的电子被阻止在介质中，从而改变和影响了电离室在继后的照射中所收集的实际的电离电荷，这种现象称为A.光电效应B.康普顿效应C.电子对效应D.电荷积累效应E.电离室干效应34.下列粒子中，不能直接使物质电离的是A.电子B.质子C.α粒子D.中子E.反冲核35.用Bragg-Gray理论测量高能电离辐射时，气腔一般要小于A.室壁厚度B.次级电子的最大射程C.次级电子的平均射程D.最大剂量深度E.平衡帽厚度36.在治疗颅内病变时，与传统分割的放射治疗相比，使用加速器的SRS技术的特点不包括A.使用立体定位框架固定B.正常脑组织受量低C.摆位精度高D.单次剂量低E.靶区边缘外剂量下降锐利37.确定电子束限光筒与皮肤空气间隙的改变对输出剂量的影响，需要用到A.虚源位置B.眼光筒剂量校正因子C.剂量率D.有效源皮距E.PDD38.积分DVH不能提供哪项信息A.PTY的剂量范围B.某一器官的最大剂量C.某一器官接受特定剂量的体积D.最大剂量点所在位置E.某一器官的最小剂量39.康普顿效应是描述光子A.与基本自由和静止的轨道电子间的相互作用B.与被原子束缚很紧的轨道电子相互作用C.与原子整体的相互作用D.与质子的相互作用E.与原子核的相互作用40.总比释功能通常包括A.绝对比释动能和相对比释动能B.绝对比释动能和碰撞比释动能C.绝对比释动能和辐射比释动能D.绝对比释动能、相对比释动能、碰撞比释功能和辐射比释动能E.碰撞比释动能和辐射比释动能41.近距离治疗不包括A.管内治疗B.腔内治疗C.表面施用器敷贴治疗D.放射性核素药物治疗E.组织间插植治疗42.永久性放射性籽粒植入治疗早期前列腺癌，主要使用的放射性核素是A.碘-125B.铯-137C.钴-60D.金-198E.镭-22643.电子射野影像系统的性能参数一般不包括A.能量响应B.信噪比C.扫描时间D.对比分辨率E.空间分辨率44.一用户电离室在国家标准实验室钴-60γ射线空气辐射场校准得到空气照射量校准因子Nx=1.138R/div（div表示量程的单位刻度)，转换成用国际单位制表示，则Nx为A.1.138×lO-4C/kg divB.1.798×lO-4C/kg divC.2.936×lO-4C/kg divD.4.074×lO-4C/kg divE.5.21×lO-4C/kg div45.剂量分布中的等剂量线不包括的信息是A.机器输出剂量率的变化B.外照射中的平方反比参数C.射野中挡块对输出剂量的影响D.托盘因子的影响E.契形因子的影响46.每次γ刀治疗前需要进行检查的项目是A.计时器的准确性B.18mm头盔准直器的总输出剂量C.每个头盔的相对输出因子D.每个靶点的定位坐标E.应急电源47.在原子的结构中K壳层上轨道电子数最多为A.l个B.2个C.4个D.8个E.16个48.测量介面剂量时使用平行板电离室的方法，正确的是A.极化电压取正电压B.极化电压取负电压C.极化电压极性任意D.正负极化电压测量读数的绝对值之差E.正负极化电压测量读数的绝对值的平均值49.电子束限光筒端面到患者体表距离增加时，射野内剂量学特性是否发生改变A.不会改变B.射野的剂量均匀性不变，半影区增宽C.射野的剂量均匀性变好，半影区增宽D.射野的剂量均匀性变劣，半影区变窄E.射野的剂量均匀性变劣，半影区增宽50.常用的热释光材料是A.氟化锂B.氯化纳C.硫酸铜D.硫酸铁E.硫酸亚铁51.在水模体内，射野大小30cm×30cm，其等剂量曲线特点是A.对于60Coγ射线，任何深度处等剂量由线射线中心轴上的值都是最小的，随着向射野边界靠近而增加B.对于60Coγ射线，任何深度处等剂量曲线射线中心轴上的值都是最小的，随着向射野边界靠近而减少C.对于兆伏级光子线，在浅层深度处，同一深度的离轴剂量通常比中心轴剂量大，这是由于均整块的设计所导致的D.对于兆伏级光子线，在浅层深度处，同一深度的离轴剂量通常比中心轴剂量大，这是由于散射箔的设计所导致的E.对于兆伏级光子线，在浅层深度处，同一深度的离轴剂量通常比中心轴剂量大，这是由于光子线的靶设计所导致的52.ALARA原则体现的是A.辐射实践的正当性原则B.辐射防护的最优化原则C.个人剂量限值原则D.靶区剂量准确原则E.靶区剂量分布均匀原则53.与使用加速器的立体定向放射手术相比，伽玛刀技术A.设备维护更简单B.需要更加严格、繁琐的质量控制和质量保证规范C.实施放射手术的剂量投射方式十分复杂D.可以使用不规则射野实现单一等中心的放射治疗E.具有更大的发展优势54.光子线的表面剂量大小受能量和射野大小影响，下列叙述正确的是A.能量越高，射野越小，表面剂量越高B.能量越高，射野越大，表面剂量越高C.能量越低，射野越小，表面剂量越高D.能量越低，射野越大，表面剂量越E.能量影响相对较小，射野大小对表面剂量影响很大55.在离子收集电流电压曲线中剂量测量采用的区域是A.复合区和正比区B.受限正比区和正比区C.复合区和电离室区D.受限正比区和GM区E.GM区和电离室区56.与并行器官相比，常见串行器官的并发症发生率A.与受照最大剂量关联较强，与受照体积关联较弱B.与受照最大剂量关联较强，与受熙、体积关联较强C.与受照最大剂量关联较弱，与受照体积关联较弱D.与受照最大剂量关联较弱，与受照体积关联较强E.只和受照最大剂量有关57.多叶准直器的验收不包括A.叶片半影B.叶片到位精度C.叶片到位重复性D.叶片凸凹槽效应E.叶片厚度58.电子直线加速器的加速管内电磁场的分布为A.沿轴向分布的电场和磁场B.沿横向分布的电场和磁场C.沿轴向分布的电场和沿横向分布的磁场D.沿横向分布的电场和沿轴向分布的磁场E.沿轴分布方向相反的电场和磁场59.TMR与源皮距SSD的关系是A.当SSD改变时，TMR不变B.当SSD减小时，TMR增大C.当SSD 增大时，TMR减小D.当SSD增大时，TMR增大E.当SSD减小时，TMR减小60.根据IEC标准，电子线的半影定义在哪个深度的平面A.最大剂量深度B.90%剂量深度C.90%剂量深度的50%D.80%剂量深度E.80%剂量深度的50%61.全身电子线照射时，模体内相对于射野中心轴最大剂量点处的剂量均匀度变化要求至少在A.±1%B.±2%C.±3%D.±5%E.±10%62.阻止本领是描述高能电子穿过单位路径长度介质时的A.方向改变B.数量损失C.通量损失D.动量损失E.能量损失63.关于碰撞(电离)阻止本领，正确的是A.光子与原子轨道电子的相互作用B.电子与原子轨道电子的相互作用C.质子与原子轨道电子的相互作用D.中子与原子轨道电子的相互作用E.带电离子与原子轨道电子的相互作用64.对塑料闪烁体剂量计的描述中，不正确的是A.电子密度和原子组成与水几乎等效B.可用于高剂量梯度区域、建成区、交界面区、小野和接近治疗源的剂量测量C.能量依赖性强D.灵敏度高E.有良好的重复性和长时间的稳定性65对辐射剂量计的描述中，不正确的是A.电离室有良好的能量响应B.胶片剂量计的空间分辨率高，不会对射束造成扰动C.热释光剂量计有较好的组织等效性，可用于点剂量测量D.半导体剂量计的灵敏度高，需要外置偏压E.电离室用于射束剂量校准66.圆柱形电离室保护电极的作用不包括A.减小电离室的漏电流B.截断漏电流，并将其导向地面C.确保电离室灵敏体积内电场具有良好的均匀性D.收集电离电荷E.有助于准确地收集电离电荷量67.关于场所剂量仪的叙述，不正确的是A.工作在电流模式下的电离室适合高剂量率测量B.正比计数器比电离室具有更高的灵敏度C.中子测量仪中热中子和lO B核作用引起（n，α)反映D.GM计数器广泛应用于极低辐射水平的测量E.GM计数器对高能光子表现出很强的能量依赖性68.直线加速器掩体一般指A.主屏蔽墙B.治疗室与迷路C.控制室D.次屏蔽墙E.机电房69.8MeV的R80是多少cmA.1.8B.2.6C.3.3D.4.lE.5.270.CT用于治疗计划设计的特点不包括A.直接获得体轮廓B.准确确定体内器官位置C.进行不均匀性校正D.进行图像融合E.直接确定亚临床灶71.对近距离立体变角定位技术的叙述，不正确的是A.是等中心照像技术B.是常用定位技术之一C.临床使用与正交技术相互补充D.透视图像不被临床大夫熟悉 E.正交技术是变角技术的特例72.比释动能为A.不带电粒子在单位质量介质中释放的全部带电粒子的电量之和B.带电粒子在单位质量介质中释放的全部带电粒子的电量之和C.带电粒子在单位质量介质中释放的全部带电粒子初始动能之和D.不带电粒子在单位质量介质中释放的全部带电粒子初始动能之和E.带电粒子在单位质量介质中释放的全部不带电粒子初始动能之和73.有关带电粒子与原子核发生弹性碰撞过程的论述，错误的是A.这种和互作用是带电粒子与原子核库仑场的相互作用B.相互作用后，重带电粒子运动方向改变小C.带电粒子能量很低时，才会有明显的弹性过程D.电子弹性散射后，最后散射角小于90°E.电子能量在lOkeV-1MeV范围，发生弹性碰撞的几率仅为5%74.有关TBI射线能量的选择，以下不正确的是A.原则上所有高能X(γ)线均能作全身照射B.TBI的剂量分布受组织侧向效应的影响C.TBI的剂量分布受组织剂量建成区的影响D.体中线与表浅部位间剂量的比值不随能量变化E.选择侧位照射技术，至少应用6MV 以上的X射线75.光子的静止质量为A.hvB.hv2C.λ/c2D.λ/cE.零76.加速器剂量监测仪线性允许精度是A.1.0%B.1.5%C.2.0%D.2.5%E.3.0%77.关于质量衰减系数的叙述，正确的是A.不随温度和气压的变化而变化，单位是m2/kgB.不随温度和气压的变化而变化，单位是m3/kgC.随温度和气压的变化而变化，单位是m3/kgD.随温度和气压的变化而变化，单位是m2/kgE.随温度和气压的变化而变化，单位是m/kg78.按照ICRU系统腔内照射剂量学描述不包括A.治疗技术的描述B.总参考空气比释动能C.参考区的描述D.参考点剂量E.剂量均匀性79.放射治疗时放射源(或靶焦点)位置的精度应A.<lmmB.<2mmC.<3mmD.<4mmE.<5mm80.在细胞周期的四个时相和静止期中，在显微镜下仅能看到的一个时相是A.有丝分裂前期(G2)B.有丝分裂期(M)C.DNA合成前期(G1)D.DNA合成期(S)E.静止期(G0)81.能作为热中子剂量监测的是A.光释光系统B.放射光致发光玻璃剂量学系统C.热释光剂量计D.胶片剂量计E.电子个人剂量计82.以下对X射线机滤过板使用的描述，正确的是A.所有X射线能量范围应使用相同的滤过板B.140kV以下用铝，140kV以上用铜或铜+铝复合过滤C.使用复合过滤板时应沿射线方向先放原子序数小的，后板原子序数大的D.使用滤过板不会使射线强度下降E.经过滤过板后的X射线的半价层比原来低83.钴-60光子束的HVL是1.2em铅。
高能束加工1
2、特点： •纳米级精确控制 •污染少 •加工应力和变形极小 •易于实现自动化 •适合材料范围广 •设备成本高，效率低。
原子电离产生离子束流
气态原子
高频放电 电弧放电 等离子体 放电 电子轰击
等离子体
负电极引出等 离子体束流
3、离子束加工装置
磨蚀
抛磨
2、超声数控加工技术-----DMG公司 Ultrsonic系列产品
工作原理：通过超声加工主轴产生振动，根据主轴类型的不同， 金刚石刀具的振动频率在每秒17.5000—48,000次。这样就把工件 表面敲成微粒。这种方法比传统加工方法高出5倍。刀具和工件之 间不断的接触和分离，大大降低了加工作用力和热负荷，保护了 刀具和工件。在新研制的HSK 刀柄的基础上集成超声发射系统， 使传统的铣削加工与超声振动加工可以在同一机床上完成。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为 工作物质的气体激光器。放电管通常是 由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2 气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮 气，一般还有少量的氢或氙气）；电极 一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是 镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化 镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高 电压（一般是直流的或低频交流的）， 放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有 激光输出，其波长为10.6微米附近的中 红外波段；一般较好的管子。一米长左 右的放电区可得到连续输出功率40～60 瓦。CO2激光器具有比较大的功率和比 较高的能量转换效率，输出波段正好是 大气窗口，具有输出光束的光学质量高， 相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 这是一种重要的激光器。
三、电子束加工应用
1、高速打孔 直径极小，效率极高 2、加工型孔和特殊复杂型表面 3、电子束焊接 能量密度高，焊接速度快 4、电子束刻蚀
电子束加工技术
电子束加工技术摘要电子束的发现至今已有100多年，早在1879年Sir William Crookes发现在阴极射线管中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现象。
接着到上世纪初的1907年，Marcello Von Pirani进一步发现了电子束作为高能量密度热然的可能性，第一次用电子束做了熔化金属的实验，成功地熔炼了钽。
电子束加工它在精密微细方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。
电子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和电子束光刻化学加工。
关键词：电子束；原理；特点；组成；应用1引言电子束加工利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。
电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法。
电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。
电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。
因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航空、航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。
2电子束加工技术的原理电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高（106~109w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微妙）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化，被真空系统抽走。
电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。
当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。
由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。
第6章-电子束和离子束加工
离子注入—演示
用高能量粒子直接击入工件，令工件表面层改性。
（3）离子束加工的特点
1）离子束流密度及离子能量可以精确控制。离子束加工是所 有特种加工方法中最精密、最精细的加工方法，是当代毫微 米（纳米）加工技术的基础。 2）离子加工在高真空中进行，所以污染少，适于对易氧化金 属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。 3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。宏观 压力很小，加工应力、热变形等极小，加工质量高。 4）利用机械碰撞能量加工，故加工范围广，适合于对各种材 料和低刚度零件的加工。 5）加工过程容易控制，易实现自动化。 6）离子束加工设备费用高、成本高，加工效率低。
电子束加工分类
通过控制电子束能量密度的大小和能量注入时 间，就可以达到不同的加工目的。 电子束打孔、切割等加工：高电子束能能量密度， 使材料融化和气化，就可以进行； 电子束焊接：使材料局部融化就可以进行； 电子束热处理：只使材料局部加热就可以进行； 电子束光刻加工：利用较低能量密度的电子束轰击 高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行。
解加工，最后焊接成整件 。
焊接加工样件
焊接加工样件
卫星姿态发动机气瓶直径约300mm，由不锈钢板冲压成半球。 要求用电子束焊接将两半球焊在一起，同时要求将焊口对侧内 壁毛刺熔融。
（4）表面改性/热处理
加热冷却速度快，获得超细晶粒和很高的表面硬度。 热转化效率高，可达90％，而激光的转换效率只有7％－10％。 可实现合金化
刻蚀
功率密度对加工模式的影响
a) 低密度
b) 中低密度
c) 高密度
表面改性
电子束焊接
电子束打孔、切槽
电子束加工的应用范围
（1）高速打孔
特点
焊接方法与设备之《高能密度焊》讲解
焊接方法与设备之《高能密度焊》讲解高能密度焊，是一种采用高能量密度热源进行焊接的方法，它能够在短时间内进行高温熔池的形成和快速凝固，从而实现高效的焊接效果。
本文将对高能密度焊的原理、应用及设备进行详细讲解，希望能够为读者们提供全面的了解。
一、高能密度焊的原理高能密度焊是利用高能量密度热源，如激光、电子束等，直接照射到焊接材料上，通过瞬间高温使焊接材料熔化并形成熔池，然后迅速凝固，完成焊接过程。
相对于传统的焊接方法，高能密度焊具有以下特点：1. 热输入快速：高能密度焊采用高能量密度热源，能够在短时间内提供大量热能，使焊接材料瞬间达到熔点，形成熔池。
2. 热影响区小：由于高能密度焊的热输入速度快，所以热影响区比传统焊接方法更小，能够减少对工件的热影响，降低变形和残余应力。
3. 焊接速度快：高能密度焊的热输入快、熔池形成和凝固的速度快，因此焊接速度比传统焊接方法更快。
高能密度焊广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备、光纤通信等领域，具有以下特点：1. 航空航天领域：高能密度焊因其快速、高效、稳定的特点，被广泛应用于航空航天领域的零部件制造，如发动机零部件、航空器结构件等。
2. 汽车制造领域：高能密度焊能够有效提高汽车制造的生产效率，减少生产成本，提高产品质量，因此在汽车制造领域有着广泛的应用。
3. 电子设备领域：在电子设备领域，高能密度焊被用于微型零部件的焊接，可以实现高精度、高效率的焊接过程。
4. 光纤通信领域：光纤通信领域对焊接质量和速度有着极高的要求，高能密度焊能够满足这些要求，因此在光纤通信领域有广泛的应用。
高能密度焊的设备主要包括激光焊接机和电子束焊接机两种。
1. 激光焊接机：激光焊接机是利用高能量密度的激光光束进行焊接的设备，其光束能够集中在很小的焊点上，提供高能量密度的热源。
激光焊接机由激光发生器、光学系统、焊接头、控制系统等组成，能够实现高精度、高效率的焊接过程。
激光焊接机可分为固体激光焊接机和气体激光焊接机。
美国连续束电子加速器的能量升级到12GeV的科学与实验设备
美国连续束电子加速器的能量升级到12Ge V 的科学与实验设备石 宗 仁(中国原子能科学研究院 北京 102413)摘 要 驱动美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(Thomas Jeffers on Nati onal Accelerat or Facility,简称JLab )的能量升级到12GeV 的科学是研究胶子激发和色禁闭的起因,研究原子核的构件核子是如何由夸克和胶子构成的,研究原子核的结构及寻找新物理等的一门科学.实验设备是12Ge V 的加速器、各种超导磁谱仪及极化靶等.在能量为12Ge V 的加速器中,将采用深度遍举过程和极化实验.关键词 胶子激发,色禁闭,普适的部分子分布,连续束电子加速器,超导磁谱仪,深度遍举过程,极化The exper i m ent a l equi p mentfor the 12GeV upgrade of CEBAF a t J LabSH I Zong 2Ren(China Institute of A to m ic Energy,B eijing 102413,China )Abstract The upgrade at JLab of the continuous electr on beam accelerator facility to 12GeV was based on the requirements for research on gluonic excitations and the origin of quark confinement,how nucleons are built up fr om quarks and gluons,the structure of nuclei,and new physics .The upgraded experi mental equipment includes the 12GeV accelerator,superconducting magnetic s pectr ometers and polarized targets .Keywords gluonic excitations,color confinement,generalized parton distributi ons,continuous electr on beam accelerator,superconducting magnetic s pectr ometer,deep exclusive p rocesses,polarizati on2006-03-10收到初稿,2006-04-28修回 Email:zrshi@iris .ciae .ac .cn1 引言核物理学是一门研究原子核性质及其结构的基础科学,是核工程的物理基础,是研究物质起源和演化的基础,也是研究星际燃料来源的基础,是理论与实验紧密结合、不断深入和发展、需要长期研究的科学.它在国防、能源、医学、材料分析及其改性、环境科学和空间探索等方面都已发挥了重要的作用.在21世纪,核物理学将面临新的机遇和挑战.美国将核物理学作为国家级的科学,是美国技术大厦的支柱之一,也是培养人材的摇篮.在1979年,美国能源部和美国国家自然科学基金委员会的核科学咨询委员会第一次制定了核科学的长远规划LRP (a Long range p lan for nuclear science ),它评估过去、展望和计划未来.在随后的1983、1989、1996和2002年都做过LRP .在1989年的LRP [1]中,将标准模型(standard model,简称S M )作为核物理学的理论基础,其中强相互作用理论是量子色动力学(quantu m chr omo dyna m ics,QCD )它标志了核物理学新的里程碑.在文献[1]中,也明确地提出了原子核组成的四个层次:原子核类似于有表面振动和集体转动的液滴;原子核由核子组成;原子核由核子、介子和核子激发态等强子组成,也称为介子-重子模型(mes 2on-bary on model);原子核由夸克和胶子组成等.前两个层次构成了低能核物理.前三个层次统称传统核物理(conventi onal nuclear physics).在夸克和胶子的层次上研究强子和原子核的性质称为现代核物理(conte mporary nuclear physics).在2002年的LRP[2]中,明确地提出现代核物理包含5个科学目标:(1)核子的QCD结构及其相互作用;(2)原子核的结构及其稳定性;(3)高能量密度的QCD及热核物质的性质;(4)在核天体中元素的起源及物质的演化;(5)寻求新物理.美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(Thomas Jeffers on Nati onal Accelerat or Facility,简称JLab)是基于第一、第二和第五个科学目标.总之,现代核物理以标准模型为理论基础,在夸克和胶子的层次上研究核物质的性质.当前研究非微扰QCD、色禁闭(col or confin ment)机制以及QCD 真空的结构是重要的科学任务.它的研究内容已经大大地超出了传统的范围.当然,人们最终希望用QCD统一地描述强子和原子核及其在各种极端条件下核物质的性质,它将是21世纪核物理学面临的机遇和挑战.为此,对构成核物理实验的炮弹(入射粒子束)、靶、探测器、电子学线路和数据获取及其处理程序,以及实验方法等都提出了新的要求.首先,人们需要多种类型的加速器,以提供参于电磁、弱和强相互作用的高品质的多种初级和次级粒子束(初级的如电子、质子和重离子,次级的如γ射线、反质子和中微子等),从而探知强子的电磁、弱和强相互作用方面的结构及极端条件下核物质的性质.其中高品质电子加速器具有头等重要的作用.这是由于电磁相互作用在理论上清楚,可微扰计算,大多数反应是单步过程,具有远高于弱相互作用的强度,以及通过调节电子转移四动量的平方(Q2)可改变空间和时间分辨率等优点.借改变Q2,能够观察到在核子内组分夸克模型CQM(constituent quark model)和部分子模型(part on model)之间以及在原子核内4个层次及其间的过渡性质.在1956年,Hofstadter等人[3]通过电子弹性散射,测量了质子内部的电荷和电流分布,说明了质子不是点粒子,而是有结构的,由此Hofstadter获得了诺贝尔奖;在1968年,Friedman等人[4]在斯坦福直线加速器中心(Stanf ord linear accelerat or center, S LAC)通过电子深度非弹散射(deep inelastic scat2 tering,D I S)发现了质子内部有后来称为夸克的微小颗粒存在,为此获得了诺贝尔奖;Prescott等人[5,6]利用极化电子-非极化靶,测量电子极化不对称度,证明了弱相互作用中存在中性流;在1983,年欧洲合作组Aubert等人[7]利用电子在原子核上的D I S,发现了原子核的结构不同于自由核子集体的结构,它称为E MC效应;A sh man等人[8]利用极化电子-极化靶,测量极化不对称度,发现了夸克对质子自旋的贡献约20%,而相对论CQM预言约70%,这是著名的至今仍在研究的热门课题“自旋危机”(s p in cri2 sis).大量事实已证明,电子是研究强子和原子核性质的强有力的探针.在虚光子携带能量等于零的B reit框架中,虚光子的波长λ=h/(2πQ),Q越大,λ越小,空间分辨率也越高.用高能量的电子能获得大的Q值.由于反应截面反比于Q n,一般n=4,所以Q越大,截面越小,为补偿小截面,需要强束流.实验上,由于需要采用对夸克和胶子场算符矩阵元灵敏的遍举和极化测量,所以分别要求电子束流的占空因子(duty fac2 t or)～100%(也称连续束),以及电子自旋具有取向的极化束.总之,需要高能、强流、极化和连续束的电子加速器.现在,J lab具有6Ge V、强流、极化、连续电子束的加速器装置(continuos electr on bea m accelerat or fa2 cility,简称CE BAF).随着QCD的进展,如色禁闭的流管模型被第一原理的格点(lattice)规范QCD计算所证实,新的包含丰富强子结构信息的普适的部分子分布(generalized part on distributi ons,GP D)理论的出现等,驱使人们采用12Ge V或更高能量的CE2 BAF.目前,由于技术上的成熟,将6Ge V提高到12Ge V是现实的,预计2010年即可实现.12Ge V将为人们提供新的运动学的区域,打开许多新的前所未有的研究窗口,以及在已有的运动学区域提供统计不确定度小的实验数据.在12Ge V,将采用深度遍举过程DEP(deep exclusive p r ocesse)和极化实验.本文第2节介绍驱动12Ge V的核科学,第3节是JLab的发展历史,加速器和超导磁谱仪等的现状和未来,在结束语中简单地介绍国际上在核物理方面正在筹建的大型加速器.在附录Ⅰ,简要地介绍了S M和QCD,在附录Ⅱ,介绍了实验上相关的问题:遍举和极化测量,运动学变量和反应类型,观测量和因子化定理等.本文主要参考了JLab在2004年6月的“CE BAF12Ge V改进的科学和实验装置的预概念设计报告”[9],及有关的文献.2 驱动12Ge V 的核科学胶子激发和色禁闭的起因、原子核构件是如何由夸克和胶子构成的、原子核物理和检验对称性及寻找新物理等四个方面的科学动机驱动了12GeV.下面分别叙述它们,但着重说明前两个.2.1 胶子激发和色禁闭的起因通过研究胶子的性质及其在强子中的作用,能得出色禁闭的起因,而寻找和研究含有胶子自由度的混合介子(hybrids )则是重要的手段.在JLab 新建的D 厅里,胶子激发(gluonic excitati ons )合作组(简称Glue X 组)将通过线极化的实光子与核子相互作用产生混合介子,利用密封性的谱仪测量混合介子的各种衰变产物.实验上将得到普通介子、轻夸克的混合介子、胶球(glueball )、介子分子态(mes on -mes on molecules )的质量谱,特别是奇异混合介子的质量谱[9,10].2.1.1 流管-色禁闭的起因早在1970年,Na mbu Y 在芝加哥大学没有发表的报告中,谈到在粒子内部夸克是由弦联系在一起的.在1985年,Isgur 和Pat on [11]提出了胶子的流管(gluonic flux -tube )模型.在1995年,Bali 等人[12]用格点QCD 计算表明,介子中的正反价夸克间形成了由胶子构成的流管.图1表示出量子电动力学QE D 和QCD 的场线和力同介子的正反价夸克间距的关系.图的上部分显示出QED 单位面积的电力线数和力反比于r 2,而势能将反比于r ,r 越大,势能越小.图的下部分显示出QCD 单位面积的色力线数和力与r 无关,势能将随r 线性增加,r 越大,势能越大.QCD 和QE D 的性质截然不同.色禁闭起源于流管的形成,GlueX 实验将检验它是否正确.2.1.2 普通介子的JPC根据CQM ,在夸克和反夸克构成的普通介子中,胶子自由度被冻结了,普通介子用qq _表示.qq _的总角动量J =L +S,宇称量子数P =(-1)L +1,电荷共轭量子数C =(-1)L +S.其中L 是正反夸克的相对轨道角动量;总自旋S =s 1+s 2,s 1和s 2分别是等于1/2的正反夸克的自旋.当L =S =0时,J PC=0-+,对应于九重赝标量介子(p seudoscalar mes on )π、η、η′和K;当L =0,S =1时,J PC =1--,对应于九重矢量介子(vect or mes on )ρ、ω、<和K 3.图1 在QCD 和QED 中的场线和力同正反价夸克间距的关系具有整数自旋J 、宇称P =(-1)J的称为自然宇称的粒子,P =(-1)J +1的称为非自然宇称的粒子.自然性(naturality )量子数τ=P (-1)J,自然宇称和非自然宇称粒子的τ分别为+1和-1.赝标量介子的τ=-1,矢量介子的τ=+1.2.1.3 混合介子的J PCHCQM 不能描述用qq _g 表示的混合介子,它的存在表明,在低能QCD 有价胶子自由度.流管基态的角动量L ′=0,最低的胶子集体激发态是L ′=1,它相当流管的顺时针和逆时针的两种转动态,两者的线性组合构成了J PC G =1-+和1+-的退化态.J PC与J PCG 耦合可得到qq _g 的J PCH ,见表1.从表1能够看出,J PC G 与L =S =0的J PC耦合产生的J PCH =1--和1++,在S =1的J PC中有其副本.J PCG 与S =1的JPC耦合产生的J PCH 有两类:一类是τ=-1,如0-+,2-+,1+-,…,在S =0的J PC 中有其副本;另一类τ=+1,如1-+,0+-,2+-,…,在J PC中没有副本.J PCH 与J PC相同的称为普通的qq _g,不同的称为奇异(exotic )的qq _g .由此得出,奇异的qq _g 能够通过S =1的矢量介子的胶子集体激发产生,但不能通过S =0的赝标量介子产生.在高能,由于光子可看作是由自旋平行的虚的正2反夸克构成的矢量介子,所以它能够产生奇异的qq _g .在表1也列出了L ≠0的J PCH .由于普通的qq _g 与qq _能够产生组态混合,所以实验上很难区分两者.如果在实验上找到了奇异的qq _g,如J PCH =1-+,那么qq _g 就被唯一的确定了.格点QCD 已经预言了轻夸克qq _g 的谱及其衰变方式,表1 J PC 和J PCHSL012JPC00-+1+-2-+11--(0,1,2)++(1,2,3)--J PCH01--,1++(0,1,2)++,(0,1,2)--(1,2,3)--,(1,2,3)++1(0,1,2)-+,(0,1,2)+-(1;0,1,2;1,2,3)+-,(1;0,1,2;1,2,3)-+(0,1,2;1,2,3;2,3,4)-+,(0,1,2;1,2,3;2,3,4)+-式,其中最低的1-+的奇异q q _g 质量为1.9—2.0Ge V.图2表示在2.7Ge V /c2以下的q q _、胶球、q q _g和介子分子态的质量谱.从图可以看出,在1.3—2.7Ge V /c2的区间,除奇异qq _g 具有0+-、1-+、2+-量子数外,其他的都没有,所以实验上找到具有此量子数的介子就是奇异的qq _g.图2 普通介子、胶球、混合介子和分子态的质量谱2.1.4 光致反应除光子等效矢量介子外,由于能够得到高品质、高强度、线极化的光子束,所以用光致反应产生qq _g,特别是奇异的qq _g,是有效和现实的.光致反应γ↑N →X ↑N ′,s =(p γ+p p )2,(1)t =(p γ-p X )2,(2)其中X 是具有确定J P的qq _g;↑表示γ射线是线极化的,及在实验上测量X 的极化;N 和N ′分别是初态核子和末态重子;洛伦兹标量s 和t 分别是在质心系的能量和四动量转移,称为Mandelstam 变量.在图3的t 道反应中,当没有重子数交换时,可以通过交换介子或坡密子(pomer on )等实现.在小t 时,主要是交换π+[13].实验上光子和核子靶分别是线极化和非极化的,测量反冲核子(但不测其极化)并测量X 衰变产物的角分布.通过角分布能够导出X 的极化方向和极化度.当交换坡密子时反应截面σ与随s 无关;当交换介子时,σ随s 增大而减少,σ与t 满足指数衰减关系:σ～e -α│t │.图3 光致产生混合介子的t 道反应2.1.5 线极化光子使用线极化光子的意义在于通过测量X 的极化,如果交换粒子的自然性知道了,就能知道X 的自然性,反之亦然;X 的极化方向与光子的线极化方向是相互关联的,并与X 的自然性有关.线极化光子的波函数为│x 〉=(│-1〉-│+1〉)/2,(3)│y 〉=i (│-1〉+│+1〉)/2,(4)其中│-1〉和│+1〉分别是左和右手圆极化光子的本征态.在光子和X 的三动量方向构成的产生平面里,│x 〉和│y 〉分别是在其内和与其垂直的线极化光子.由于|x 〉和|y 〉分别是左和右圆极化光子的差与和,所以它们对应的幅度分别是〈J X λX |T |J γλγ,J ex λex 〉与〈J X λX |T |J γ-λγ,J ex λex 〉的差与和.J ex 和λex 分别是交换粒子粒子的角动量和螺旋性.螺旋性定义为粒子自旋在其运动方向上的投影,其取值为-s 至s .在相互作用顶点,根据宇称和角动量守恒,〈J X λX |T |J γλγ,J exλex 〉∞τ〈J X -λX |T |J γ-λγ,J ex -λex 〉[14,15],其中τ=τX τex .从测量X 的极化,可判定τ=+1或τ=-1,于是如果X 的τX 知道了,交换粒子的τex 就知道了,反之亦然.当t 道交换π+时,如果τX =-1,X 的线极化方向与光子的线极化方向平行;如果τX =+1,X 的线极化方向与光子的线极化方向垂直[13].非极化和圆极化光子不具备这种性质.2.1.6 分波分析分析实验数据的重要工具是分波分析P WA (partial wave analysis ).螺旋性的反应幅度能够多极展开:T λ3λ4;λ1λ2=16πρJ ≥μ(2J +1)T J λ3λ4;λ1λ2(s )d Jλλ′(θs ),(5)λ=λ1-λ2,λ′=λ3-λ4,m =max (|λ|,|λ′|),其中T Jλ3λ4;λ1λ2是分波的系数;λ1、λ2、λ3和λ4分别是光子、N 、X 和N ′的螺旋性;J 是分波的阶数;d J λλ′(θs )是转动矩阵,d J 00(θs )=P J(θs );在质心坐标系中,λ和λ′分别是碰撞前后总角动量在运动方向上的投影.通过拟合角分布和各种极化观测量,确定分波系数,然后得到共振参数及J PC等.P WA 具有固有的缺点:当增加分波时,强分波串到弱分波,这种现象称为Dannachie 的连续模糊性或称泄漏.为了减少泄漏,建立密封性、质量分辨好、允许高计数率、对各种衰变方式灵敏、效率随角度变化均匀的探测器是必要的.D 厅的探测器正是根据这些要求设计的.2.2原子核构件核子的基本结构核子是原子核的基本构件,它的质量、自旋及相互作用性质直接取决于其内部的夸克和胶子的运动,它可用附录(Ⅰ)的(1)式描述,研究核子结构是QCD 的突出任务.在1994年以后,Muller [16],J i [17]和Radyush 2kin [18]等人提出了新的普适于硬的遍举过程的GP D ,这些过程如:深度虚光子的康普顿散射DVCS (deep ly virtual Co mp t on scattering ),ep →ep γ;深度虚介子产生过程DVMP (deep ly virtual mes on p r oduc 2ti on ),ep →epm;深度虚光子的双轻子产生,ep →ep ll 等.DVCS 和DVMP 的手袋(handbag )见图4,从DVCS 的手袋图看出,电子发射的虚光子γ3从质子击出一个夸克,高速夸克传播距离z 发射实光子γ后返回质子.在DVMP 中,高速夸克发射的胶子转变成正反夸克对qq _,其中q 返回质子,q _与被击中的夸克形成赝标量或矢量介子.GP D 打开了新的研究非微扰QCD 的窗口.它是图4 DVCS 和DVMP 的手袋图形状因子FF (for m fact or )、部分子分布函数P DF(part on distributi on functi ons )、分布幅度的统一.它给出了许多新的预言:夸克轨道角动量同GP D 的关系;矢量介子产生反应对胶子灵敏;冲击参数分布能够给出纵向动量比例x 和冲击参数b ⊥关联的三维图像,称为核子的断层扫描[19];通过DVCS 和BH (Bethe -Heitler )相干项可以得到反应幅度的相位参数,实现强子的全息照相[20];GP D 的二次矩是引力理论中的能量-动量张量形状因子等.由于它包含了丰富的强子结构信息,所以利用12Ge V 测量GP D 是重点之一.在12Ge V ,通过单举、半单举和遍举及极化测量,研究价夸克极化的P DF 、微扰QCD 的组分标度、强子螺旋性守恒、核子自旋结构、横动量相关的分布函数、高级t w ist 效应、普适的G DH (gerasi m ov drell hearn )求和规则、夸克-强子二重性等广泛的课题.2.2.1 GP D在硬反应(hard reacti on )中,夸克场算符[21]为O (x )=1/4π・∫d z -exp (xP +z -)q _(-z /2)Γi W [-z /2,z /2]q (z /2)|z +=0,z =0,(6)Γi =γ+,γ+γ5,σ+jγ5,W [-z /2,z /2]=P exp (-i g ・∫d sz μA μ(sz )),其中P +是强子动量的正分量;xP +是激活夸克动量的正分量,x =(x i +x f )/2,x i 和x f 分别是初、末态激活夸克携带强子正动量的比例;γ+、γ+γ5、σ+j γ5分别是矢量、轴矢量和张量的D irac 算符;q _(-z /2)和q (z /2)分别是在位置-z /2和z /2的共轭夸克和夸克的场算符;W ils on 连线W 保证了算符的规范不变性,积分从-z /2到z /2,A μ是胶子场.当取光锥规范时,Aμ=0,W ils on 连线等于1.算符O (x )是用光锥坐标表示的,光锥坐标定义为,υ±=υ0±υ3,υ=(υ1,υ2);夸克q 与其共轭夸克q _的间距,即虚光子吸收点和光子或介子的发射点的间距z 满足光锥条件:z 2=2z +z --z 2=0(1/Q 2),z +～M x B /Q 2,z -～1/M x B .夸克场算符的强子矩阵元为F i (x,ξ,t )=∫d z-/4πexp (xP +z -)〈p ′,s ′|q _(-z /2)Γi q (z /2)|p,s 〉,(7)其中p,s 和p ′,s ′分别表示初、末态强子的动量和自旋的极化.在弹性散射、D I S 和DEP 中,矩阵元分别对应:z =0,p ′≠p ;z ≠0,p ′=p 和z ≠0,p ′≠p 三种情况.z =0和z ≠0分别称为局部和非局部算符.矩阵元可用矢量、轴矢量和张量的基展开,在t w ist -2的层次上,Γi =γ+,F i (x,ξ,t,Q 2)=1/2P +[H (x,ξ,t )u_γ+u +E (x,ξ,t )u _(i σ+αΔα/2m )u ],(8)Γi =γ+γ5,F i (x,ξ,t,Q 2)=1/2P +[H _(x,ξ,t )u _γ+γ5u +E _(x,ξ,t )u _(γ5Δ+/2m )u ],(9)Γi =σ+j γ5,F i (x,ξ,t,Q 2) =-i /2P+[H T (x,ξ,t )u _σ+jγ5u + H _T (x,ξ,t )u _(ε+j αβΔαP β/m 2)u +E T (x,ξ,t )u _(ε+jαβΔαγβ/2m )u +E _T (x,ξ,t )u _(ε+jαβP αγβ/m )u ],(10)其中2P +=(p ′+p )+,2ξ=(x f -x i )=(p ′-p )+/P +,t =Δ2,Δ=p ′-p .H 、E 和H _、E _分别是自旋平均和螺旋性相关的手征偶(chiral even )的GP D,H T 、H _T 、E T 和E _T 分别是横向自旋相关的手征奇(chiralodd )的GP D,共8个GP D.它们是洛伦兹标量x 、ξ、t和Q 2的函数.在B j orken 极限,ξ=x B /(2-x B ).ξ和x 的范围在-1和1之间.-ξ≥x ≥-1、-ξ≤x ≤ξ和ξ≤x ≤1分别是反夸克区、中心区和夸克区,中心区的GP D 是强子内部存在介子的概率.对于胶子可写成类似的算符和GP D[22].DVCS 对夸克味量子数不灵敏,其反应截面∝Q-4.在DVMP 中,产生的赝标量介子选H _和E _及其对自旋灵敏,矢量介子选择H 和E 及其对自旋不灵敏,DVMP 的反应截面∝Q -6[23].(1)GP D 同P DF 和FF 的关系P DF 是GP D 在ξ=t =0的极限,即H (x,0,0)=f 1(x ),H _(x,0,0)=g 1(x ),H T (x,0,0)=h 1(x ),(11)其中f 1(x )、g 1(x )和h 1(x )分别是在非极化、纵向和横向极化的核子中存在相应极化的夸克具有x 的概率.实验上f 1(x )和g 1(x )已经测量了.由于h 1(x )是手征奇的,实验上很难测量,人们正期待德国GSI 未来极化质子和反质子的对撞实验.定义GP D 的Mellin 矩=∫d xxn -1GP D.它将非局部夸克和胶子的场算符转换成局部算符,便于用格点QC D 计算.核子电磁的FF 可表示成n =1的矩,F 1(t )=∑e q∫d xH q(x,ξt )F 2(t )=∑eq∫d xE q(x,ξ,t )(12)轴矢量和张量FF 同GP D 有类似的关系.在实光子的康普顿散射中,相应的FF 是GP D 的n =0的矩:R V (t )=∑e q ∫d x 1xH q(x,ξ,t ),R T (t )=∑e q∫d x 1xE q (x,ξ,t ),R A (t )=∑eq∫d x 1xH _q(x,ξ,t ),(13)所有的积分限从-1到+1.(2)季向东的求和规则当n =2时得到季向东[17]的求和规则:J q =12Δρq -L q =12∫1-1x d x[H q (x,ξ,0)+E q(x,ξ,0)],(14)其中J q、Δρq 和L q 分别是味q 夸克的总角动量、自旋和轨道角动量.通过测量H q 和E q能够计算出J q ,扣出从D I S 实验得到的Δρq ,可求出L q.最新的测量结果表明,胶子对核子自旋的贡献很小[24],所以L q对解答自旋危机是十分关键的.(3)冲击参数分布冲击参数分布I P D (i m pact para meter distribu 2ti on )是在ξ=0,Δ⊥≠0,Δ∥=0时的GP D 的富利叶变换[21].如自旋平均的I P Dh (x,b ⊥)=∫d 2Δexp (i b ⊥Δ⊥)H (x,ξ=0,Δ⊥)/(2π)2,(15)其中b ⊥是相对横动量中心R ⊥=ρi x i r i ⊥的距离,x k 和r k ⊥分别是第k 个部分子的纵向动量及其横向位置.8个GP D 对应的I P D 具有概率解释.在图5,从左至右,FF 是二维b ⊥的函数,P DF 是一维x 的函数,I P D 则将两者联立起来得到三维分布.测量核子的I P D 将使人们对核子结构有突破性的认识.图5 FF 、P DF 和I P D的关系图6 在非极化和横向X 方向极化质子中非极化夸克的I P D (4)I P D 的极化效应从I P D 得到了两种新的极化效应[25]:第一,在横向X 方向极化的核子中,味q 非极化的密度q X (x,b ⊥)不是轴对称的,并在Y 方向移位.它可写城如下形式:q X (x,b ⊥)=q (x,b ⊥)-5/5b Y [E q (x,b ⊥)]/2M 4π2,E q (x,b ⊥)=∫d 2Δ⊥E q (x,0,-Δ⊥)ex p (-i b ⊥Δ⊥)(16)其中q (x,b ⊥)是在非极化核子中的非极化夸克的I P D.在图6左侧的两个图分别是在非极化和X 方向极化的质子中,纵向动量x =0.5的u 夸克的I P D ,非极化时I P D 是轴对称的,极化时I P D 是非轴对称的,并在Y 方向移位.在图6右侧的两个图分别是d 夸克对应的I P D.d 夸克比u 夸克的变形大,两者的移位方向相反.平均移位和方向正比于该夸克的反常磁矩k q 及其符号,平均移位可表示成:d q Y =∫d x ∫d 2b ⊥q (x,b ⊥)b Y =1/(2M )∫d xE q (x,0,0)=k q /2M,(17)其中M 是核子的质量,d qY ～0.2f m.第二,在非极化的核子中,味q 的夸克横向极化的密度分布q i (x,b ⊥)=-s i e ij9/9b j [2H _q (x,b _)+E T (x,b ⊥)]/2M 4π2,(18)其中s 是夸克自旋的分量,i,j =X 或Y .q i (x,b ⊥)具有类似的变形.在文献[26]中,明确地给出了I P D 与横动量相关的时间反演不守恒的P DF 的关系:f ⊥1T ∴-E ′,h ⊥1∴-(E ′T +2H _″T ),h ⊥1T ∴2H _″T ,其中f ′=(5/5b 2)f,f ″=(5/5b 2)2f .I P D 极化效应说明了SS A起源于夸克密度分布变形和位移,它是强子自旋物理的焦点之一,并有待实验上的验证.(5)GP D 的测量方法实验上将采用两类遍举极化实验测量GP D.第一类利用高Q 2的弹性散射和共振跃迁、高-t 值的康普顿散射和高-t 值及低Q 2的电产生介子等反应得到相应的FF,它们同GP D 的关系见(12)和(13)式.反应概图分别表示在图7中的(a ),(b ),(c )和(d ).在图7(a )中,核子内的一个价夸克吸收入射的虚(实)光子后,立刻返回核子,并迅速地将其能动量传递给其他的价夸克,最后核子获得了能动量;在图7(b )中,高能动量的夸克返回核子,使核子处在激发态;在图7(c )和7(d )中,高能动量的夸克飞行距离z 后放射一个实光子或介子并返回核子.第一类测量将约束GP D 在高-t值和小b ⊥的行为.第二类是利用高Q 2和小-t 值的DVCS 和DV MP 等直接地测量GP D (见图4).图7 形状因子反应的概图2.2.2 大Q2物理大Q2物理的内容很多,主要是研究从非微扰向微扰的过渡.以μpG p E/G p M同Q2关系为例说明J lab的重要成果及大Q2的必要.在e↑p→ep′↑弹性极化迁移反应中,在单光子交换下,质子电磁形状因子的比G p E/G p M正比于反冲质子p′的横向和纵极化度P T和P L,G p E/G p M=-P T/P L・(E+E′)tan(θ/2)(2M)-1,(19)其中E和E′是入射和出射电子的能量,θ是入射和出射电子间的夹角.在图8中,绿点表示μpG p E/G p M,它随着Q2增大线性地减少,说明在质子内电荷和电流的分布不同[27,28],其中μp是质子的磁矩.过去通过非极化的Rosenbluth分离方法得到的μpG p E/G p M在1. 0附近,说明电荷和电流的分布相同.极化和非极化两种实验方法得出两种截然不同的结论,在实验和理论上产生了极大的反响.在实验上,JLab再次用Rosenbluth方法测量说明过去的结果是正确的.在理论上,Guichon等人[29]提出了除单光子交换外还有双光子交换,双光子交换部分对非极化的结果贡献大,对极化的贡献小.目前,实验上正在测量单-双光子交换在电子散射中的比例.现在需要知道Q2等于多少μpG p E/G p M才能达到微扰QCD的预言值?在12Ge V,Q2可达14Ge V2. 2.2.3 大x物理从图12对DVCS的运动学复盖范围能够看出,强流12Ge V为研究大x物理提供了新的机遇.根据大量非极化质子的实验数据,在x=0.5—1.0的区域,海夸克(sea quark)的贡献可以忽略,是一个纯的价夸克区.在该区,目的是研究价夸克和胶子的动力学,从而检验S U(6)对称的价夸克模型、S U(6)破缺、微扰QCD的强子螺旋性守恒等理论.另外,为高能强子-强子碰撞和寻找新粒子及新物理提供数据.过去在x>0.3的区域,由于价夸克的分布概率也很小,所以实验数据很少,即便有,数据的不确定度也很图8 GpE/GpM同Q2的关系大,不能鉴别理论模型.图9显示出中子纵向极化不对称A n1同x的关系,绿点是6Ge V的数据,红点是A 厅计划测量的数据[30].图9 A n1同x的关系2.3 原子核物理原子核物理分为研究原子核本身性质和将原子核作为研究QCD的实验室等两个方面.前者研究强子在核介质中的改性,核子-介子自由度在什么标度是可靠的,核子-介子自由度如何过渡到夸克-胶子自由度,核子-核子相互作用中的长程(>2f m)张量力和短程排斥力的QCD基础等;后者研究色透明性,夸克强子化的时空特性,高密度夸克分布的性质等.图10表示出在原子核内两个核子重迭的概率很高,在重叠区域核子密度达到～5—10倍于正常值,它为研究高密度和夸克部分去禁闭及中子星的性质提供了难得的条件.实验上通过测量x >1的P DF 能够认识高密度的性质.图10 在原子核内两个核子重迭2.4 检验对称性和寻找新的标准模型JLab 将通过Pri m akoff 效应测量轻的赝标量介子π0,η,η′→γγ的衰变宽度和跃迁形状因子,研究手征自发破缺和手征反常[31].世界上,通过极高能的反应寻找新粒子及新相互作用力,和在低能比较S M 预言的参数与测量值的偏离等两种方法检验S M 和寻求新物理.JLab 将通过低能宇称不守恒的电弱相干散射测量质子的弱荷,以及电弱混合角sin 2θW与S M 预言相比较.3 美国托马斯杰斐逊国家加速器装置(简称JLab )的状况 JLab 属于美国能源部,由美国东南大学研究协会管理.它是NS AC 在1979年的LRP 中优先推荐建造的占空因子为100%、能量为4Ge V 的电子加速器,于1987年在V iginia Ne wport Ne ws 建造,它是工作在液氦温度的超导铌射频共振腔加速电子的直线加速器,该加速器于1994年夏运行,在1996年电子能量提高到6Ge V.在2010年电子能量将达到12Ge V ,以后能量提高到24Ge V 也是可能的.目前,JLab 的CE 2BAF 是世界上最大的超导射频直线加速器,它的束流品质超过了其他连续电子束加速器.除初级电子束外,通过纵向极化电子在重金属上的韧致辐射和在薄片晶体上的相干韧致辐射,分别产生圆极化和线极化的实光子.韧致辐射后的电子在磁偶极场的作用下偏转到电子焦面探测器,电子信号与光子反应产物信号符合,从电子能量能够确定对应光子的能量,这种光子称为标记光子.在20世纪90年代初,世界上出现了连续束电子加速器,如德国Mainz 大学的0.85Ge V 的MAM I (Mainz M icr otr on ),美国M I T 大学的1.1Ge V 的Bates 、德国Bonn 大学的3.5Ge V 的E LS A (Electr on Stretcher Accelerat or )及荷兰N I KHEF (Nati onal I nsti 2tute f or Nuclear Physics and H igh -Energy Physics )的0.9Ge V 的AmPS (Am sterda m Pulse Stretcher ).除MA 2M I 是电子感应方式实现连续束外,其余都是贮存拉长环(st orage /stretcher )方式.目前,N I KHEF 已关闭,Bates 于2005年结束了核物理计划,MAM I 的能量将提高到1.5Ge V ,ELS A 还在运行.3.1 加速器6Ge V 和未来12Ge V CE BAF 的结构和实验厅的布局见图11.经预直线加速器,能量为45Me V 的电子注入到80m 长的超导直线加速段,能量达到0.56Ge V ,经弧形轨道arc 进入另一个80m 的超导直线加速段,能量达1.12Ge V.在2个直线加速段回转5次,电子能量达到5.6Ge V.在A 、B 、C 3个实验厅能同时工作,并各自可以工作在不同的电子能量,能量分别是1.1、2.2、3.3、4.4和5.6Ge V.其束流品质为:平均束流强度I =200μA,发散度ε～2×10-9m ・rad,能散度σE /E =2×10-5.用极化的激光照射拉伸或非拉伸的Ga A s 光阴极,通过光电效应产生纵向极化度P e=70%—85%的电子.光子的能量及其分辨率分别为E γ<6GeV 和ΔE γ/E γ=10-3.电子的纵向极化度利用莫特(Mott )、Moller 和康普顿散射极化仪测量.图11 JLab 加速器的结构和实验厅的布局美国核科学家在建造4Ge V 时,就认识到其能量是低的,因而在直线加速段的隧道内留有一定的空间.刚开始运行时,即1994年,就酝酿提高能量的物理和需要的设备.在2001年2月,形成了之《驱动。
激光推进器原理
激光推进器原理
激光推进器是在激光器的基础上，通过改变激光器的输出波长，在被激光加速的粒子（如电子）之间产生强大的推动力，从而达到增加推力的效果。
激光推进器分为单脉冲型、双脉冲型和多脉冲型等三种类型。
目前最先进的单脉冲型激光推进器是在单脉冲激光技术基础上发展起来的，它是利用单脉冲能量产生巨大推动力，从而达到增加推力的效果。
这种技术具有推力大、体积小、寿命长等优点。
激光推进器的工作原理是：利用激光从外部向飞船注入大量能量，使飞船加速到接近光速。
然后利用飞船上强大的反作用力推动飞船前进。
激光推进器是由高能激光器和高能电子束两部分组成的。
高能激光器是一种强激光，其发射功率可达10~1000瓦，可以连续稳定地输出单色性好、能量高的光束，且在使用寿命内几乎不发生衰变，因此可以长期稳定地为飞船提供高速推进动力。
电子束束流是一种高能电子束，它在高能量密度下将其能量以粒子流的形式喷向空间。
由于粒子流具有很强的动能，因而在高速运动中能够产生很大的推力。
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第3 8卷第10期 焊 接学报 89 38 No. 102 0 1 7 年 1 0 月 TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION October 2017
高能电子束活性区空间能量密度测量系统沈春龙1 ,彭勇2，周琦2，王克鸿2
(1.泰州学院船舶与机电工程学院，泰州225300; 2.泰州南京理工大学研究院，泰州225300)
摘要：在分析电子束流高能特点基础上研究束流信号检测和测量方法，提出小角度电子束磁控偏转扫描采集方 案，在高温难熔钨板上设计直径25 "p的小孔传感器，建立信号检测装置和控制流程，共享60 MHz时钟保证扫描 与采集同步，将透过小孔的电子强度转换成电压信号，经高频A/D采样和量化后高速传输到内存，对电子束单层截 面信号可视化重构后依能量等级进行划分和能量密度分布计算，通过不同高度的多层数据重构活性区体模型，分 割空间能量等值面形成序列能量曲面，标定能量峰值90%的空间区域为活性区焦斑.文中的软硬件系统能够有效 应用于电子束品质评价.关键词：电子束偏转扫描；高频数据采集；能量密度分布；活性区焦斑；三维体重构 中图分类号：TG439.3 文献标识码：A doi：10.12073/j. hjxb.20151221001
0序 言真空电子束焊接是在真空条件下，利用电场加 速磁场聚焦的高速电子束流轰击焊件接缝使待焊金 属熔化形成焊缝的一种高能束焊接方法，具有高效 能、深宽比大、变形小、热影响区小、工艺复现性好等 特点，适合于精密焊接，能解决大型、厚板、薄壁结构 和活泼、高熔点材料的焊接问题.在电子束磁场聚 焦处的活性区域，焊接热源能量密度可达106 ~109 w/cm2，由于电子的高速性、同性排斥、阴极发射特
性及加速参数等因素，不能保证区域电子束聚焦效 果良好，影响焊缝成形及穿透深度.为了评价电子 束活性区聚焦品质，提出活性区束流信号检测原理 和方法，建立相应检测装置并设计磁控偏转信号，采 集电子束截面信号进行可视化重构，划分不同能量 区域并计算能量密度分布.
1测量方案及装置!1小角度电子束磁控偏转扫描传感采集方案电子束束流参数是表征电子束品质的重要参 数，中国工程物理研究院对强流直线系列感应加速 器电子束信号检测方法及参数测量技术进行了持久 的研究，取得了许多应用性成果[1].针对电子束高
收稿日期！ 2015-12-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51375243);江苏省自然科
学基金资助项目（BK20140784);江苏省高校自然科学基 金资助项目（14KJB460028)
点， 理 束流分 成小电子束单元，在束流传输通道上通过微孔阵列传 感器直接同时采集微小单元束流强度，但微孔阵列 加工困难，并且同时并行采集与阵列点数相同数目 的信号难以实现.焊接电子束活性区束斑截面尺度 通常在0.5 ~2 mm之间，在钨板中心加工孔径为 25 "P的小孔，采集透过小孔的电子强度，运用磁场 信号使电子束偏转扫描，防止高能量电子束烧蚀钨 板小孔，需使电子束高速扫过小孔，由于机械惯性钨 板高频往复摆动不易实现，运用磁控电子束偏转扫 描代替小孔钨板摆动进行电子束信号采集.电子束流偏转距离相对于偏转中心到钨板扫描 平面的高度属于小角度偏转，图1所示为电子束单 方向单边扫描情形，在活性区域设偏转中心到扫描 平面高度为/，其范围通常在200 ~400 mm之间，计 算时/取300 mm，在采样点数为512时，最大偏转 距离乃约为12 mm，此时最大偏转角度约为2. 3°，在 电子束扫描过钨板小孔时，取束斑直径2 mm，此时 扫描角度约为0. 4°，属于小角度范畴，在此偏转范围内电子束流在传 道上 量 分布 形 基保持不变.由于小孔尺寸远小于束流截面尺度，同 时使束流快速偏转扫描，可认为小孔沿扫描路径逆 方向摆动，在电子束束流高速偏转状态下采集透过 小孔单元的电子强度信号，可等效为理想状态下一 次性采集束流截面能量信号，重构穿透小孔的电子 强度信号供后续进一步处理与分析.!2电子束能量密度信号采集装置电子束能量密度信号检测装置内置于焊机的真第10期沈春龙，等：高能电子束活性区空间能量密度测量系统17图1电子束小角度偏转扫描示意图 Fig. 1 Schematic diagram of small angle scanning for electron beam
空室中，主要由 、法拉第筒、传感器、磁生器、精 升降、信电 成，如图％所示.电子束能量过 下:通过 使电子束束流快速地扫描带小孔的钨板传感器， 过小孔的电子在法拉第筒内形成电流 ，经过 电阻后产生压降，由电流 小，电值 得过小，实试验中使用1RQ无感精密电阻，在拉第 内通过同相放大电路和差分放大电 大到伏级，可以显著地提 比和 的响应速度，小孔 电子 成可 与可量化的电压.
图2电子束能量密度检测装置及控制信号流程图 Fig. 2 Ele+tr0n 匕）.1- ener%y 4)5$ 4)1)+*0门 an4 fl02 +hart 0t +0ntr0l 71%门.118焊接学报第38卷
2磁偏转控制信号在工程应用中， 电子束小角度（"5°)偏转距离、零 扫描、加速电压 扫描绕组励 磁电流、 数 的关系为2. 64 30 槡& ,、I% /槡
(1)
gH
式中(1为 扫描绕组匝数;％为 扫描绕组励电流;3为 扫描 极间距;&为电子束加速电压;4为 扫描 极极靴有 ；〇为电子束 距离;/为零 扫描 .在加速电压和 下，电子束 距离〇与偏扫绕组的 电流％成正比关系.下位机的‘发生器生成扫描 &经过05: 和放大后&!电源产生双极性 电流％，电源内 ：用电流 流驱动电路， 电路交越失真 ，提 电流 的精度[2].一方面， 过小孔的电流强度时，在电子束流传 上施加 场，其由％及y方向的电压 ，在％方向上施加 式电压&使电子束步进移动，在y方向施加交流电压&使电 子束扫描，经过 电源产生 电流％及％驱动相应的绕组.在（，y: 的 上施加一定相关系的同 场 ，可以获得不同形状的电子束扫描 ，为了 体束流截面能量 ：磁场对应的同 （图2中&和&轴"，在扫描节拍中， （： 电压&不变，y方电压&线性变化，完成行扫描，随着&在 一个扫描 内完成 化，电子束流扫描轨迹面如图2所示.电子束 上位机电子束焊机参数计 相关数 RS-232口 到 生器， 大到 电源产生 电流 产生场，使电子束在受控状态下 [3].
3电子束流瞬态数据采集
， (y 和 作，同时数据从 存 到 分配的 内存，以PCI总线工作 133 MHd为数据传输带宽，
同步及高速要求[^5].
4电子束 面能量密度分布可视化重构
对 的单层截面束流数据进行滤波后，按行列方式重构成束流截面能量 分布数据，基OpenGL将重构数据进行可视化三维显示，并以云图
显示能量 分布.运用积分计 面能量总值并建立能量总值百分比与能量值 的映射关系，图3为加速电压150 kV、束流10 mA、聚焦电流 360 mA、 214 mm处工况下的能量 分布计算结果.计算过 下(首先 分 计同能量值与 量百分比的对应关系，运用等值 对截面能量分布不同能量值进行区域划分.计 量区域的 性， 域 量7、值点数、起始点 、终止点 、（坐标最小值、（坐标最大值、y坐标最小值、y ? 最大值、等值中心、面 +、 状 [6].
0.911.813.7063.3352.9652.9542.2241.8531.4821.112
0.7410.3710.000
0.91
1.81图3单层电子束能量密度分割 Fig. 3 Energy density segmentation diagramof single layer electron beam
过小孔的电子束 传感器 电阻得电子束流电压，通过大电路和 波电理后， 速 传输到高速缓存.由 ：速 电子束 性，要求相应数 模块应 3 性： A/D ，大量数 ：存 和 同步.包含同 、高速缓存、外接时钟源 式.在设 焊机和 口 参数 ， 同 扫描 与
同 域的 量 值和 域面 计 域 量 ，为了进一步分析不同能量 的分布形，通过式(2)计 域 直径太，通过式（3)计 同区域束斑的圆形度-，第10期沈春龙，等：高能电子束活性区空间能量密度测量系统19计算结果如表1所示，可 量 ，束斑的圆形 ，结 量 分布 束流在传输通道上的 .
计 ，进行有效半径计 数 理后生成示意图，选择不同 面 点后在右侧显示相应参数和重 层截面能量图像.
表1不同能量密度等效束斑直径及圆度计算 Table 1 Calculation of equivalent diameter and roundnessof beam spot under different energy density
能量密度8! m)
等效圆直径mm
形 -
100.830.53%$0.710.5%300.570.67
400.450.67
500.370.75
600.310.73
700.50.76800.10.8900.170.87
5多层电子束流的截面重构空间焦斑 计算
通过 精 升降 并计算电子束性 同 面上的束流能量 分布，为了数据的统一处理，在z轴 ，得系列 数据并进行单层能量 计算，层数据组织如图4所示，该过 在活性区所有面能量 结束并完成能量区域剖分 量密度
图4多层电子束空间位置标识示意图 Fig. 4 Spatial location identification of multi-layer electron beam
空间焦斑相对 面束斑而言 在束流传输空间上的 量 域，此 域能量 最高，电子束施焊人员关注的信息，由真空电子束 可见，施焊人员 光学窗口 电子束打在上的火花效果来大致估算焦斑 ，聚焦过程为繁琐.为了获得活性区空间焦斑信息，进一步 理多层电子束截面 数 得电子束活性区焦斑信息处理的流 图5所示.
(f)纵向能量分割 （g)束流体曲面能量分割 （h)空间参数测量
图5电子束活性区焦斑数据处理流程 Fig. 5 Flow chart of data processing of focal spot in active zone
图5a〜图5d为活性区单层数据采集和能量密 型重构（volume visualization)，如图5e所示，对体模度参数计算过程，然对 数据从纵向进行体模 型进行纵向的能量区域划分 量 参数计算，