HI-13串列加速器重離子輻照束流線的物理設(shè)計(jì)

朱 飛 彭朝華 胡躍明 焦學(xué)勝 陳東風(fēng) 曹亞麗

1（中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所 北京 102413）

2（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082）

HI-13串列加速器重離子輻照束流線的物理設(shè)計(jì)

朱 飛1彭朝華1胡躍明1焦學(xué)勝1陳東風(fēng)1曹亞麗2

1（中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所 北京 102413）

2（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082）

重離子微孔膜是一種新型的過(guò)濾材料，其在醫(yī)療和生物制劑、電子工業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用中國(guó)原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器提供的32S輻照聚酯薄膜研制微孔膜，其微孔均勻度由束流流強(qiáng)的均勻度決定，要求得到微孔均勻度好于90%。本文采用八極磁鐵校正法對(duì)高斯分布束流進(jìn)行校正，校正后的束流可近似得到均勻分布。設(shè)計(jì)計(jì)算了輻照束流線光路參數(shù)，并分析了光學(xué)元件安裝準(zhǔn)直公差對(duì)束流均勻度的影響。結(jié)果表明，安裝準(zhǔn)直公差會(huì)對(duì)束流中心軌跡偏移造成很大影響，破壞輻照均勻度，運(yùn)用導(dǎo)向磁鐵調(diào)束可以滿足均勻度要求。本研究為重離子微孔濾膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種實(shí)踐可行的方法，具有很好的實(shí)用性。

微孔膜，八極磁鐵，束流均勻度

重離子微孔膜是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，利用加速器加速的單能重離子束輻照聚酯(PC/PET)膜材，沿離子的軌跡造成輻射損傷，損傷區(qū)域經(jīng)化學(xué)蝕刻后，生成穿透的微孔，孔的數(shù)量和孔形分別由照射劑量和蝕刻條件控制[1]。在生產(chǎn)工藝中，束流輻照均勻度是產(chǎn)品成品率和質(zhì)量的關(guān)鍵。

現(xiàn)有輻照裝置采用的是散焦輻照技術(shù)[2]和掃描輻照技術(shù)[3]。散焦輻照技術(shù)采用的是雙單元磁四極透鏡在Y方向上對(duì)束流進(jìn)行連續(xù)兩次散焦，將束流大面積展開(kāi)，但展開(kāi)后的束流仍為高斯分布，輻照均勻度達(dá)不到較高要求。掃描輻照技術(shù)采用的是二維電磁掃描法將束流展開(kāi)，由于靶膜有傳動(dòng)速度，此種方式對(duì)輻照均勻度的穩(wěn)定性難以控制，且容易出現(xiàn)明暗相間的斑馬條紋。針對(duì)以上兩種輻照方式的不足，新的輻照技術(shù)采用八極磁鐵校正法，利用八極磁鐵對(duì)高階相差的校正作用把具有高斯分布的束流校正成近似均勻分布的束流，極大提高了束流的均勻性。輻照采用能量為140 MeV的32S12+離子，要求輻照寬度為500 mm，束流均勻度好于90%。

1 八極磁鐵校正法原理

八極磁鐵原理圖如圖1所示。N、S為八極磁鐵的八塊磁極，其圍繞中心原點(diǎn)交替對(duì)稱放置，圖中實(shí)心箭頭指向?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度方向，空心箭頭指向?yàn)槭芰Ψ较?。通過(guò)受力分析可以看出，八極磁鐵對(duì)束流的校正作用是通過(guò)磁場(chǎng)力將束流中心部分向兩邊推，束流兩端則受到向中心擠的磁場(chǎng)力；通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度，可將成高斯分布束流近似地校準(zhǔn)成均勻分布，從而達(dá)到束流均勻化的目的。

圖1 八極磁鐵原理圖Fig.1 Schematic diagram of octupole magnet.

2 八極磁鐵校正法束流線光路設(shè)計(jì)

在輻照過(guò)程中，聚酯膜材是沿X向以一定速率傳動(dòng)，其輻照均勻度由Y向束流強(qiáng)度分布決定，則只需一塊八極磁鐵對(duì)Y向上束流分布進(jìn)行校正。光路的起點(diǎn)為串列加速器束流線上分析磁鐵的物點(diǎn)，束流依次經(jīng)過(guò)1組雙單元磁四極透鏡、開(kāi)關(guān)磁鐵、一組雙單元磁四極透鏡、磁四極透鏡，最后用八極磁鐵校正打在靶上。其中磁四極透鏡，八極磁鐵位于串列碉堡區(qū)外的實(shí)驗(yàn)大廳中，束流初始發(fā)射度為1.5 mm×2 mrad。采用了八極磁鐵的重離子輻照束流線布局如圖2所示。

其中KP1為分析磁鐵像點(diǎn)，KP2為束流成腰點(diǎn)，KP3為束流束斑最小點(diǎn)，KP4為八極磁鐵中心點(diǎn)。

應(yīng)用八極磁鐵對(duì)Y向束流進(jìn)行校正時(shí)，在八極磁鐵中心處希望束流Y向包絡(luò)較大且X向包絡(luò)盡量小。為此，在八極磁鐵前部安裝一塊磁四極透鏡Q3，其原理見(jiàn)圖3。

圖2 采用八極磁鐵重離子輻照束流線布局Fig.2 Layout of heavy ion irradiation beam line with octupole magnet.

圖3 四極磁鐵原理圖Fig.3 Schematic diagram ofquadrupole magnet.

圖中實(shí)心箭頭指向?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度方向，空心箭頭指向?yàn)槭芰Ψ较?。通過(guò)受力分析可以看出，四極透鏡Q3是對(duì)束流Y向散焦X向聚焦，使得八極磁鐵可以較好地對(duì)束流進(jìn)行校正。應(yīng)用TRANSPORT束流光學(xué)計(jì)算軟件得出光路束流包絡(luò)如圖4所示。

通過(guò)調(diào)節(jié)四極透鏡Q3、八極磁鐵場(chǎng)強(qiáng)及束流從八極磁鐵到靶膜終端的漂移段距離，可得到滿足設(shè)計(jì)要求的束斑大小。光路參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 光路束流包絡(luò)圖Fig.4 Beam envelope.

表1 光路參數(shù)Table1 Main parameters of beam line.

圖5給出了有無(wú)八極磁鐵時(shí)靶上的束流分布。由圖5，八極磁鐵對(duì)束流的校正作用明顯，高斯分布束流近似變?yōu)榫鶆蚍植迹瑯O大地提高了束流均勻度。在圖5(b)中束流分布兩端凸起處，可用光闌加在輻照窗前擋去，光闌開(kāi)口寬度為500 mm(圖6)。

圖5 靶上束流分布(a)無(wú)八極磁鐵(b)有八極磁鐵Fig.5 Beam distribution on target (a) without octupole magnet (b) with octupole magnet.

光闌加入會(huì)損失掉一部分束流，使得束流的分布寬度變窄。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度將束流分布寬度略大于設(shè)計(jì)寬度，才能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 有光闌時(shí)束流分布圖Fig.6 Beam distribution with diaphragm.

3 公差分析

由八極磁鐵原理結(jié)構(gòu)圖中可以看出，八極磁鐵的八塊磁極是圍繞中心原點(diǎn)對(duì)稱分布的，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也為對(duì)稱分布。八極磁鐵中心原點(diǎn)處即為束流軌跡中心。因此，在使用八極磁鐵對(duì)束流進(jìn)行校正時(shí)，束流中心軌跡必須與八極磁鐵中心原點(diǎn)嚴(yán)格重合，才能保證磁場(chǎng)力對(duì)束流對(duì)稱校正。當(dāng)出現(xiàn)軌跡偏差，校正后的束流分布將產(chǎn)生畸變，此時(shí)很難保證束流均勻度(圖7)。

圖7 束流分布畸變圖Fig.7 Distortion of beam distribution.

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將在開(kāi)關(guān)磁鐵后端束流線上加裝一組雙單元磁四極透鏡Q2，一個(gè)磁四極透鏡Q3和一個(gè)八極磁鐵，任何一個(gè)光學(xué)元件都存在安裝公差，這將導(dǎo)致束流中心軌跡的偏移。公差包括5個(gè)方面：即水平平面的平移、豎直平面的平移、水平平面的傾斜、豎直平面的傾斜和圍繞縱軸的旋轉(zhuǎn)。就公差種類來(lái)說(shuō)，除了圍繞縱軸的旋轉(zhuǎn)公差之外，其他公差在一級(jí)近似下都只影響束流的中心軌跡，而不影響束流的包絡(luò)和成腰位置。而旋轉(zhuǎn)公差則造成束包絡(luò)的變化，同時(shí)還造成中心軌跡的偏移[4]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，靶膜是沿X方向移動(dòng)，四極透鏡和八極磁鐵的縱向旋轉(zhuǎn)公差主要影響對(duì)束流的聚散焦和校正能力，對(duì)束流均勻度影響較小。在八極磁鐵中心處，當(dāng)束流中心軌跡出現(xiàn)豎直平面平移(y)傾斜(y')公差時(shí)，會(huì)對(duì)束流均勻度產(chǎn)生很大影響，通過(guò)調(diào)節(jié)四極透鏡Q3及八極磁鐵場(chǎng)強(qiáng)可以對(duì)束流均勻度進(jìn)行修正。但此種調(diào)束方式其范圍有限，在磁鐵場(chǎng)強(qiáng)調(diào)至極限情況下，且束流均勻度需滿足好于90%的設(shè)計(jì)要求，即不均勻度要控制在±5%之內(nèi)時(shí)，運(yùn)用Turtle束流光學(xué)計(jì)算軟件模擬可以得出束流中心軌跡在八極磁鐵中心處允許偏離極限值。采用數(shù)據(jù)與其均值的絕對(duì)偏差的平均值來(lái)定義靶上束流分布的不均勻度：

圖8為模擬公差散點(diǎn)分布圖。邊界公差點(diǎn)所引起的不均勻度為±5%，只要公差點(diǎn)落在此封閉區(qū)域內(nèi)，其所引起的不均勻度可通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度使得束流分布滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 公差分布圖Fig.8 Tolerance distribution.

由圖8，封閉區(qū)域?yàn)橐唤破叫兴倪呅?，?dāng)y、y'異號(hào)時(shí)，公差范圍較廣；當(dāng)y、y'同號(hào)時(shí)，公差范圍較窄；當(dāng)y、y'同號(hào)滿足要求時(shí)，y、y'異號(hào)也必將滿足要求。其中y、y'同號(hào)是指平移傾斜公差為同向，y、y'異號(hào)是指平移傾斜公差為反向?，F(xiàn)取y、y'同號(hào)時(shí)進(jìn)行公差分析。束流中心在八極磁鐵處的偏移是由三個(gè)光學(xué)元件的安裝公差造成，每個(gè)光學(xué)元件的影響因子不一。運(yùn)用Turtle束流光學(xué)計(jì)算軟件來(lái)探測(cè)光學(xué)元件安裝公差對(duì)束流中心軌跡偏移影響，經(jīng)分析雙單元四極透鏡Q2公差Y、Y'在八極磁鐵中心處對(duì)束流中心軌跡偏差貢獻(xiàn)約為10倍和4倍關(guān)系；四極透鏡Q3公差Y、Y'在八極磁鐵中心處對(duì)束流中心軌跡偏差貢獻(xiàn)約為2倍和1.25倍關(guān)系；八極磁鐵公差Y、Y'對(duì)束流中心軌跡偏差貢獻(xiàn)均為1倍關(guān)系。對(duì)影響因子進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，則換算至每個(gè)光學(xué)元件上其公差應(yīng)當(dāng)控制在Y=y/13和Y'=y'/6.25之內(nèi)。取平行四邊形第一象限散點(diǎn)做線性擬合，其大致滿足直線方程y=-2.5(x-4)，現(xiàn)取直線上各點(diǎn)作為計(jì)算值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 公差計(jì)算Table2 Tolerance calculation.

計(jì)算結(jié)果表明，取不同極點(diǎn)進(jìn)行公差分配，對(duì)光學(xué)元件安裝公差要求不一。若希望Y向偏移安裝余量較大，則Y向傾斜安裝余量必然較小，反之亦然。由計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)安裝精度要求較高且考慮到如機(jī)械振動(dòng)，磁極電流波動(dòng)，磁極加工公差等因素都會(huì)對(duì)束流均勻度產(chǎn)生影響，故整體安裝余量較小。此外束流中心軌跡偏移會(huì)導(dǎo)致束流利用率降低較多，因此可在雙單元四極透鏡Q2和四極透鏡Q3之間安裝Y向?qū)虼盆F，用于調(diào)節(jié)束流在八極磁鐵處的位置和角度偏差。

導(dǎo)向磁鐵由兩個(gè)小的二極磁鐵構(gòu)成，兩個(gè)二極磁鐵的磁場(chǎng)方向和大小均可任意調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的方向和大小，對(duì)偏離的束流中心軌跡進(jìn)行修正。兩個(gè)二極磁鐵有效長(zhǎng)度均為100 mm，磁鐵間距離為100 mm，磁間隙為40 mm，最大場(chǎng)強(qiáng)為2 kG時(shí)，調(diào)節(jié)范圍約為y=±5.5 mm，y'=±20 mrad，場(chǎng)強(qiáng)越大調(diào)節(jié)范圍越廣。

4 結(jié)語(yǔ)

利用八極磁鐵校正法將本是高斯分布的束流校正成近似均勻分布束流，通過(guò)分析論證，八極磁鐵對(duì)束流校正作用明顯，校正后的束流可以達(dá)到對(duì)輻照生產(chǎn)重離子微孔膜的產(chǎn)品要求，且極大地提高了束流均勻度及束流利用率，有效地降低了生產(chǎn)成本。但八極磁鐵校正法對(duì)束流中心軌跡偏移公差較為嚴(yán)格，運(yùn)用導(dǎo)向磁鐵調(diào)束可以滿足設(shè)計(jì)要求。

1 郭洪英, 黃正德. 離子微孔膜的研究及應(yīng)用[J]. 核技術(shù), 2002, 25(7): 559-564

GUO Hongying, HUANG Zhengde. A study on ion microporus membrane and its application[J]. Nuclear Techniques, 2002, 25(7): 559-564

2 秦久昌, 張桂蓮, 崔心煒, 等. HI-13串列加速器核孔膜輻照專用束流線的研制[J].原子能科學(xué)技術(shù), 2000, 34(6): 550-552

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3 張燦哲, 侯德義, 張桂蓮, 等. HI-13串列加速器重離子掃描輻照裝置[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 1997, 31(5): 390-394

ZHANG Canzhe, HOU Deyi, ZHANG Guilian, et al. An irradiation system with heavy ion scanning at HI-13 tandem accelerator[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1997, 31(5): 390-394

4 關(guān)遐令. 串列加速器光學(xué)元件線性準(zhǔn)直公差特性分析[R]. 北京: 中國(guó)原子能科學(xué)研究院, 1985

GUAN Xialing. Analysis of tandem accelerator optics linear alignment tolerance characteristics[R]. Beijing: China Institute of Atomic Energy, 1985

CLCTL52

Physics design of heavy-ion irradiation beam line on HI-13 tandem accelerator

ZHU Fei1PENG Zhaohua1HU Yueming1JIAO Xuesheng1CHEN Dongfeng1CAO Yali2
1(Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection of China, Beijing 100082, China)

Background: Heavy-ion microporous membrane is a new kind of filter material, which has prosperous application in the fields of medical and biological agents, electronic, food, environmental science, materials science, etc. Purpose: Polyester membranes were irradiated with32S produced by HI-13 tandem accelerator to develop a microporous membrane at CIAE, and the irradiation uniformity is determined by the beam distribution, also the microporous uniformity is required higher than 90%. Methods: An octupole magnet was used to correct the beam distribution from Gauss to uniform. Meanwhile, main parameters of beam line were given, and the alignment tolerances for optical elements were also analyzed. Results: Alignment tolerance of the optical elements could cause great influence on the beam center deviation in the process of correction, which would destroy the irradiation uniformity. Steering magnet was applied to meet with the design requirements. Conclusion: This study provides a practical and feasible way for industrial production of heavy-ion microporous membrane.

Microporous membrane, Octupole magnet, Beam uniformity

TL52

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.020204

朱飛，男，1988年出生，2010年畢業(yè)于南華大學(xué)，現(xiàn)為南華大學(xué)碩士研究生，研究領(lǐng)域：粒子加速器束流光學(xué)

曹亞麗，E-mail: cyljjf@gmail.com

2013-11-11，

2013-12-03