本文是由清华大学粒子与辐射成像教育部重点实验室（Key Laboratory of Particle & Radiation Imaging）等多部门联合团队（主要作者包括Wenliang Li、Kun Liu等，通讯作者为Qingzi Xing）在2025年发表于《Journal of Instrumentation》（JINST）的一篇原创研究论文。论文标题为《Generation of a Transversely Uniform High-Current Proton Beam with Variable Central Energy》，重点报道了一种基于现有高电流质子直线加速器（linac）实现横向均匀分布、能量可调（1-13 MeV）的高能质子束的方法及其实验验证。
质子辐照在半导体器件性能调控（如反向阻断集成门极换向晶闸管RB-IGCT的载流子寿命调制）、空间辐射效应模拟等领域具有重要应用价值。然而，传统方法（如静电加速器、回旋加速器）产生的质子束存在能量分散（energy spread）较大或横向均匀性不足的问题。本研究依托清华大学紧凑脉冲强子源（CPHS）的质子直线加速器设施，目标是通过创新性束流调控技术，实现质子束在横向非均匀性低于10%、能量分散可控（如1-3 MeV范围≤0.2 MeV）的条件下辐照样品，以满足功率半导体器件优化的需求。
研究分为四个核心步骤：
1. 束流需求分析与加速器改造
- 束流参数定义：基于IGCT和肖特基二极管的辐照需求（表1），明确了质子能量（1-13 MeV可调）、能量分散阈值（如3 MeV时≤0.5 MeV）和横向均匀性（∅92/149 mm内非均匀性≤10%）等关键指标。
- 加速器系统适配：针对CPHS原有的3 MeV射频四极子（RFQ）和13 MeV漂移管直线加速器（DTL）结构，提出两阶段能量调控方案：
- 能量≤3 MeV时，直接利用RFQ输出的3 MeV束流通过铝制能量降能器（energy degrader）实现能量调节，避免DTL阶段的能量分散增大（图3b）。FLUKA模拟显示，该方法可将1-3 MeV范围的能量分散控制在0.2 MeV以内（图4）。
- 能量>3 MeV时，启用DTL加速至13 MeV，并通过降能器调节至中间能量。
2. 横向均匀性优化设计
- 束流光学重构：通过非线性磁铁（八极磁铁octupole）与束流扩展（beam expansion）联合方法调控高能束流传输线（HEBT）的束流包络（图7）。TraceWin模拟显示：
- 调整四极磁铁（QD1、QD2）位置后，3 MeV束流在HEBT中的传输效率从86%提升至100%（图8）。
- 采用八极磁铁（OCT1、OCT2）将高斯分布束流转换为横向均匀分布，优化后模拟的非均匀性在∅149 mm和∅92 mm范围内分别为3.6%和1.7%（图10）。
- 创新性网格策略：为解决圆形区域模拟的几何失配问题，开发了扩展直径网格法（策略2），在15×15网格下将面积计算误差控制在3%以内（图12）。
3. 实验验证
- 3 MeV束流辐照实验：使用Gafchromic辐射变色薄膜（HD-V2型）测量横向分布，实测∅149 mm和∅92 mm范围内的非均匀性为9.8%和6.2%（图17），略高于模拟值（因硬边模型理想化假设）。
- 13 MeV束流辐照实验：通过方形束流管道形成80×80 mm²均匀辐照区域，实测非均匀性为9.3%（图18），满足需求。
4. 能量调控验证
FLUKA模拟结合实验证实：
- 通过DTL腔内永磁体（钐钴磁铁）的横向聚焦作用，RFQ输出的3 MeV束流可在DTL无射频功率下高效传输（图6）。
- 铝降能器的厚度精确调控可实现1-13 MeV连续能量输出，且3 MeV以下能量分散显著低于从13 MeV降能的方案（图4）。
本研究通过非线性磁铁与束流扩展方法的创新结合，首次在CPHS加速器上实现了1-13 MeV范围内横向均匀性（<10%）、低能散的质子束流稳定输出。其科学价值在于：
1. 方法学创新：提出“RFQ直接降能+DTL旁路”的双模式能量调控策略，解决了传统降能器导致能散增大的问题。
2. 工程应用价值：为功率半导体器件的质子辐照工艺提供了可靠的束流条件，例如可优化固态断路器（SSCB）的RB-IGCT性能（如文献7所述）。
3. 技术普适性：该方案可推广至其他高电流质子加速器设施，降低专用辐照终端的建设成本。
论文详细记录了磁铁梯度优化参数（表2、表3）、束流传输效率（3 MeV下65.4%，13 MeV下55.2%）和射频系统衰减设置（DTL功率<3.5 kW），为后续实验提供可复现的技术细节。同时，作者指出当前RFQ入口至DTL出口的传输效率（53%）受低能束流传输（LEBT）匹配限制，未来可通过束流参数优化进一步提升性能。