束流剖面测量作为加速器束流诊断系统的一个重要组成部分,对加速器物理的空间电荷效应、束流横向冷却等研究具有重要意义。同时在加速器正常运行中,束流剖面的准确测量对加速器不同位置的束流横向匹配、束流尺寸控制、机器参数优化等也至关重要。束流剖面测量按对束流的阻挡程度又可以分为拦截式与非拦截式两种测量手段,相对于传统拦截式的剖面诊断工具,非拦截式测量方式可以从容应对强流剖面测量,还可以实现剖面实时监测。其中,剩余气体电离(Ionization Profile Monitor)与气体诱导荧光(Beam Induced Fluorescence)探测器作为国际上常用的非拦截式剖面诊断设备,非常适合于质子及重离子类型同步加速器和强流传输线的剖面测量应用。国内关于IPM与BIF探测器的研究起步较晚,两种探测器在国内加速器设施的剖面诊断中均未实现应用。为了配合兰州重离子加速器(HIRFL)束流诊断系统的改造升级,应对即将到来的中国加速器驱动嬗变研究装置(CIADS)与强流重离子加速器设施(HIAF)的强流剖面测量需求,本课题关于两种非拦截式IPM与BIF束流剖面探测器的研制是极其迫切与必要的。非拦截式IPM与BIF束流剖面探测器都是基于束流带电粒子与剩余气体的电离与激发理论。IPM探测器利用束流粒子与真空管道内剩余气体分子的电离作用,以电离产物的离子-电子对作为测量信号,在探测器内置静电场框架产生的均匀静电场引导与加速下,信号粒子到达微通道板进行倍增放大,放大后的电子由静电场继续引导至磷光屏-相机构成的光学系统,或者阳极-电子学系统进行获取。气体诱导荧光BIF探测器是利用束流粒子使稀有气体分子电离或激发,气体分子在随后的退激发回到基态过程中辐射的可见光波段光子作为测量信号,微弱荧光信号通过图像增强组件进行一系列光子转换及增强过程,最后透过观察窗被外置相机进行光学获取。两种非拦截式剖面探测器基于共同的束流粒子与剩余气体相互作用机制,测量信号载体又略有不同各具特色,两者共同在强流剖面测量应用中发挥着重要价值。论文介绍了国际上IPM与BIF探测器的研究背景、发展历程和应用现状,分析了两种探测器的基本原理、工作流程以及影响因素,如静电场非均匀性,空间电荷效应,杂散电子干扰等。论文的重点是对IPM与BIF探测器的设计制造、束流实验和改良优化等内容进行详细介绍。经过大量理论调研与工程实践,IPM与BIF探测器均成功完成了模拟设计和离线测试,并在HIRFL不同区域进行了束流实验。BIF探测器是应加速器驱动次临界嬗变系统(ADS)直线注入器Ⅱ的强流剖面测量需求而研制,探测器研制完成后在TR2超重实验终端进行了剖面测量实验,实验研究了不同工作气压下探测器的剖面测量结果,并加装滤光片进行了氦气退激光谱研究。实验中通过与单丝剖面扫描结果对比验证了BIF探测器具有较好的准确性与可靠性,且空间分辨率达到115 μm,可以满足ADS以及未来CIADS强流剖面测量的应用需求。IPM探测器是应HIRFL-CSR的实时非拦截式剖面测量需求而研制,探测器建成之后在SSC-Linac进行了束流实验,其测量结果与单丝扫描剖面测量吻合极好,实验中还通过更改不同的电压设置,研究了静电场均匀性对IPM探测器的测量影响。目前IPM探测器经过静电场分压方式改良后已经安装应用于CSRm,并成功实现对束流剖面的实时监测,其空间分辨率高达55 μm,可以满足CSRm电子冷却后极冷、极小发射度束流的剖面测量需求。论文的最后还提出了一种全新紧凑型结构的IPM探测器设计,该设计利用一套IPM探测器能够实现束流横向水平与垂直两个方向的剖面测量功能,从而很大节省剖面测量的空间与经费,对于未来CIADS超导直线这类空间紧缺型加速器的剖面诊断具有重大实用价值。