近代物理研究所承担的十二五大科学装置项目强流重离子加速器装置(HIAF)将建造新一代高流强、高能量、高束团功率的重离子加速器,电子束探针作为增强器(BRing)束诊设备之一,将为BRing提供非拦截式束流诊断。电子束探针除了能测量束流剖面,还可以测量束流中心位置、束团长度、束流中性化以及束流尾场。相比于传统探测器,电子束探针具有非拦截、可同时测量多个束流参数的优点。本课题的目的是研制一款电子束探针样机,实现对束流剖面的测量,测量误差小于剖面大小的10%。本课题从电子束探针的基本原理出发,采用数值模拟与束流实验相结合的研究思路,全面系统的介绍了如何搭建一套电子束探针系统。主要完成了电子枪的研制和电子束探针系统的搭建,同时,给出了处理实验数据的系统性算法,进而形成了一套完整的电子束探针在线测量系统。束流实验结果表明该系统达到了设计目标。本论文主要研究内容包括:1、编写了一套数值模拟算法。该算法求解的对象是电子束在主束空间电荷场下的运动以及剖面重建,用该算法模拟研究了电子束在coasting束流、三维Gaussian束团、三维Bi-Gaussian束团以及三维Halo束团下的偏转及分布重建,分析了偏转板上升沿时间对三维束团剖面重建的影响;从理论上解释了电子束斑在偏转过程中出现的展宽现象,并给出了解决方案;同时,对重建误差做了分析。2、成功研制了电子枪。分别用CST、SAM、SIMION三款软件优化模拟了电子枪引出结构,基于此,设计加工了电子枪硬件。用狭缝+屏方法测量了电子束发射度,结果比模拟值大0.5～1倍。给出了系统的发射度数据处理流程,通过对原始数据逐轴插值、小波降噪、基于阈值的有效区间(ROI)选择,获得阈值与发射度值的曲线,利用外插值算法可得到零阈值发射度值。测量结果表明电子枪满足电子束探针的要求,达到了设计预期。3、离线测试了电子束探针。用直径为1.5 mm的通电钨针代替主束的方式验证了电子束的偏转,最大偏转角与理论值的相对偏差为3%,重建的钨针轮廓与设计值之间的最大相对偏差为8.5%,最小为0.6%,从侧面验证了电子束探针数值模拟算法的正确性,同时保证了该测量系统对剖面重建的准确性。4、搭建了电子束探针系统并进行了在线测试。搭建了电子束探针在线测量系统,在ECR离子源束线上做了首次在线测试,与单丝测量值相比,相对偏差约为0.5%,达到了电子束探针的设计指标。针对含噪声离散数据点的求导操作,采用了基于先验分布的最小二乘拟合法和模型无关的基于机器学习的核岭回归(KRR)算法。5、给出了热电子发射五维相空间随机数生成算法。针对SIMION软件无法模拟热发射现象,作者通过理论公式推导,给出了满足Maxwell-Boltzmann分布的五维随机数生成算法,将生成的五维随机数导入SIMION,可用于热发射现象模拟。电子束探针是国内第一款基于电子束扫描原理而研制的用于高功率加速器剖面测量的非拦截式束诊设备,自制电子枪在1米远的屏上能得到σ～0.5 mm的束斑,在线测量结果与单丝测量值相比相对偏差约为0.5%。整体来看,电子束探针达到了设计目标。