基于快速CMOS图像传感器的新型束流损失探测器

Beam loss monitors (BLM) can detect the distribution of losses and find the reason for beam loss. By this way, accelerator BLMs can help to optimize the accelerator parameters and improve the beam lifetime. There are often hundreds of beam loss monitors around a large accelerator. The current several kinds of BLMs which are common in use all have different shortages and limitations. This research plans to develop a new BLM system based on rapid CMOS image sensors. The radiation generated by beam loss can cause the brightness changes of CMOS pictures. There is a linear relationship between the intensity of radiation and the brightness of CMOS pictures. Therefore, we can use a CMOS as a BLM. The newly developed BLM will provide a novel, fast, efficient and cheap method to detect beam loss. The new system can probably make up for the shortage of existing accelerator BLMs. The system can be applicaed in many large accelerator project such as the ADS, CSNS, HEPS and CEPC in China.

加速器束流损失探测器可以探测产生束流损失的地点分布，进而研究发生束流损失的原因并发现加速器存在的问题，为优化加速器参数和提高束流寿命提供重要依据。我国正在建设的CADS和CSNS等项目都需要大量的束流损失探测器，而目前国际上常用的几种束流损失探测器各有各的缺点和局限性。对新型高效的束流损失探测器的需求是切实而迫切的。本研究计划研制一种新型的基于快速CMOS图像传感器的束流损失探测器。实验表明，束流损失引起的辐射场的强度同CMOS图像传感器输出的每帧图像的总亮度存在着很好的线性关系。且快速CMOS图像传感器用作束流损失探测器在动态范围、灵敏度、速度、成本等方面都具有优势。本项研究在国际上属于全新的尝试，研制出的新型束流损失探测器可以实现一种全新的，快速高效且低成本的束流损失探测手段，在我国正在建设的CADS、CSNS项目，以及正规划建设的HEPS、CEPC等大项目上均可得到应用。

加速器一旦发生束流损失会减小束流寿命，损害加速器元器件，制约加速器功率提高，直接影响到加速器是否能正常运行。采用束流损失探测器可以探测加速器产生束流损失的地点分布，进而研究束流损失的原因，保障加速器正常运行。目前国际上常用的几种束流损失探测器各有各的缺陷，对新型的快速高效的束流损失探测器的需求是切实而紧迫的。. 本研究基于CMOS芯片对伽马射线等的辐射探测特性，研制出了基于LUXIMA快速CMOS芯片的束流损失探测系统。包括计算加速器辐射场，研制芯片控制电路，设计加工探测器支架和屏蔽罩，编写FPGA芯片控制程序和上位机控制软件等。新探测器系统在钴60伽马放射源进行了标定实验。实验表明，当快速CMOS芯片工作帧率不超过10000帧/秒时，其输出的每帧图像的总亮度，与受到的伽马辐射剂量显著相关。又在小型低能电子直线加速器上人为制造了不同流强下的束流损失，使用新CMOS探测器进行了束流损失探测在线测试。结果表明，在帧率100、1000和10000/秒的工作模式下，快速CMOS探测器能够很好的对不同流强的束流损失做出响应，其输出的每帧图像的总亮度，随着束流损失粒子数的增加而明显增加。新探测器可以有效的进行束流损失探测，并且新CMOS探测器具有体积小、空间分辨率高、灵敏度高、成本低等优点。. 本研究在现有的束流损失探测方法之外，探索了一种新的高效的束流损失探测手段。后续将进一步在高能粒子加速器上进行在线实验，测试新CMOS探测器对高能量粒子束流损失的响应特性以及新探测器的耐辐照性能。