CSRm 束流準(zhǔn)直器模型腔設(shè)計(jì)

李 朋，原有進(jìn)，楊建成，蒙 峻，毛瑞士，柴 振，康新才，李 敏，2，鄭文亨，2，姜培勇，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

近年來(lái)，放射性束流物理、等離子體物理、高能天體物理等物理學(xué)的研究急需重離子加速器提供高能強(qiáng)流重離子束流［1］。如在等離子體物理實(shí)驗(yàn)中，為了在Au材料上實(shí)現(xiàn)1 MJ／g的能量沉積率以探測(cè)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在束斑尺寸為1mm 的條件下，需提供1.5×1012（粒子數(shù)／脈沖）的鈾離子束，且束流能量需達(dá)到1GeV／u以上。如此之高的重離子累積數(shù)和能量將對(duì)加速器的設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谥仉x子加速器中累積的離子數(shù)受限于束流本身的空間電荷限，與A／q2（A 為質(zhì)量數(shù)，q 為電荷態(tài)）呈正比，加速器只能采用中間電荷態(tài)的離子（如U28＋）進(jìn)而得到較高電荷態(tài)（如U73＋）高6.8 倍的累積率才能滿足物理實(shí)驗(yàn)的需求。因此，中間電荷態(tài)的重離子束的累積、加速和引出將成為高能強(qiáng)流重離子加速器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

但在高能強(qiáng)流重離子加速器中，中間電荷態(tài)束流的穩(wěn)定運(yùn)行面臨多方面困難，該電荷態(tài)的離子與真空中殘余氣體的反應(yīng)截面較大，容易誘發(fā)各種損失機(jī)制，如束流俘獲或剝離相應(yīng)數(shù)量的電子，引起部分束流電荷態(tài)的變化［2］。電荷態(tài)變更的離子經(jīng)過(guò)加速器中二極磁鐵偏轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向改變，與真空管道壁碰撞進(jìn)而從腔體表面解吸出一定數(shù)量的分子和離子，解吸出的粒子增加了真空中殘余氣體的密度，改變了系統(tǒng)真空度，進(jìn)而再次提高離子的損失率，形成惡性循環(huán)，最終引起離子束流壽命下降［3-4］、累積和加速不成功，甚至直接導(dǎo)致加速器停機(jī)、實(shí)驗(yàn)終止，離子損失過(guò)程參考文獻(xiàn)［5］。

在高能強(qiáng)流重離子加速器中，為了既能運(yùn)行中間電荷態(tài)的離子以提高束流累積數(shù)，又必須避免系統(tǒng)真空度的惡化造成的束流損失，通常采用的方法是：首先分析束流損失機(jī)制，準(zhǔn)確計(jì)算離子損失位置，而后利用低解吸率材料制作的準(zhǔn)直器阻擋損失的離子，并建立動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，快速高效地將解吸出的粒子抽除，保持系統(tǒng)的真空度，減小損失率，且在加速器設(shè)計(jì)初始時(shí)就需優(yōu)化多種Lattice結(jié)構(gòu)以提高準(zhǔn)直器刮除損失離子的效率，避免離子損失位置處無(wú)法安裝準(zhǔn)直器的情況［2］。

加速器中安裝準(zhǔn)直器的前提是確定該設(shè)備的鍍膜材料，選擇一種低解吸率材料才能有效降低由于束流損失引起的真空度的變化。通過(guò)束流實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同處理工藝、鍍膜厚度的多種材料的解吸率。因此在加速器上開展準(zhǔn)直器不同鍍膜材料的解吸率測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)榉乐故鲹p失、維持真空系統(tǒng)的穩(wěn)定提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。本文以測(cè)量的材料解吸率為基礎(chǔ)，詳細(xì)計(jì)算束流損失條件下真空系統(tǒng)的變化，確定準(zhǔn)直器的安裝位置和數(shù)量，為高能強(qiáng)流重離子加速器的高效運(yùn)行提供重要的理論依據(jù)和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1 CSRm 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為能模擬同步加速器中由于電荷交換引起的束流損失及動(dòng)態(tài)真空效應(yīng)，開發(fā)了新的模擬計(jì)算軟件ColBeam，以冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)（CSRm）在2011 年累積的離子束238U32＋為目標(biāo)粒子計(jì)算了該電荷態(tài)的離子在CSRm 中的損失分布［5-6］。通常用于阻止損失離子與真空管壁碰撞的束流準(zhǔn)直器安裝在束流損失概率大的位置，以此為標(biāo)準(zhǔn)確定了準(zhǔn)直器模型腔的安裝位置為CSRm 第3 象限的兩塊二極磁鐵之間的區(qū)域，安裝位置如圖1 所示，總長(zhǎng)度為1 120mm。

圖1 準(zhǔn)直器模型腔安裝位置Fig.1 Installation position for prototype collimator

目前在這段區(qū)域中安裝了1臺(tái)束流位置探測(cè)器，兩臺(tái)鈦升華泵和1臺(tái)濺射離子泵。濺射離子泵的抽速通常為200～400L／s，能有效抽除非蒸汽型氣體（如甲烷和氬氣）。鈦升華泵擁有高達(dá)5 000cm2吸氣表面，形成對(duì)于氫氣的抽速接近5 000L／s［7］。準(zhǔn)直系統(tǒng)概念性測(cè)試腔和法蘭由不銹鋼304L和316LN 制造。將來(lái)安裝準(zhǔn)直器時(shí)，將保留鈦升華泵和濺射離子泵，且安裝真空計(jì)用于測(cè)量系統(tǒng)真空度的變化趨勢(shì)。同時(shí)在該腔體上安裝四極質(zhì)譜儀用于分析損失束流碰撞真空管壁解吸出的分子和離子的組成成分。伺服電機(jī)控制的橫向準(zhǔn)直器將安裝在模型腔橫向平面的兩端，束流位置探測(cè)器與腔體臨近安裝，準(zhǔn)直器模型腔的真空腔如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)直器模型腔的真空腔Fig.2 Vacuum chamber for prototype collimator

安裝在真空測(cè)試腔中的準(zhǔn)直器將由兩個(gè)橫向可移動(dòng)的銅制擋塊構(gòu)成，其中一塊將鍍20nm的金和一定厚度的防止擴(kuò)散層鎳材料，另一塊將不鍍?nèi)魏尾牧嫌糜趯?duì)比。根據(jù)CSRm近幾年來(lái)離子束的累積流強(qiáng)和能量，利用軟件LISE計(jì)算了擋塊的縱向阻擋深度，同時(shí)銅制擋塊的橫向尺寸由安裝位置的束流包絡(luò)決定，因此兩個(gè)銅制擋塊的尺寸為50 mm×50 mm×100mm，重量為2.23kg。在擋塊的背部和尾部安裝有溫度傳感器和電流傳感器，用于測(cè)量損失束流的強(qiáng)度和引起的溫度變化，準(zhǔn)直器擋塊的機(jī)械設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)直器擋塊的機(jī)械設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Mechanical design diagram of collimator block

為能有效避免準(zhǔn)直器的擋塊與CSRm 中存儲(chǔ)束流的碰撞，準(zhǔn)直器將由伺服電機(jī)控制使得擋塊能夠在橫向平面移動(dòng)，橫向的移動(dòng)范圍為-100～100 mm，該機(jī)械結(jié)構(gòu)的前后均安裝限位開關(guān)用于準(zhǔn)直器橫向移動(dòng)的限制和防護(hù)。步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)采用基于超高速以太網(wǎng)EtherCAT 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)［8］，整套系統(tǒng)需1臺(tái)實(shí)時(shí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、1 個(gè)符合Ether-CAT 技術(shù)的耦合端口EK1100、1 個(gè)伺服電機(jī)控制器、兩臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和一些配套設(shè)備。此外，新的CSRm 真空采集程序已編寫完成，能同時(shí)采集束流的流強(qiáng)和系統(tǒng)的真空度，用于分析束流損失條件下流強(qiáng)的變化。

2 測(cè)試計(jì)劃

準(zhǔn)直器模型腔的測(cè)試將分為3個(gè)步驟。

1）準(zhǔn)直器模型腔加工完成后，利用超聲波、離子水技術(shù)對(duì)其進(jìn)行清洗，然后進(jìn)行烘烤，完成離線真空系統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)和參數(shù)標(biāo)定。安裝準(zhǔn)直器，利用伺服電機(jī)控制擋塊移動(dòng)，完成該模型腔控制系統(tǒng)的離線測(cè)試。

2）將準(zhǔn)直器模型腔安裝在CSRm 的PISA束流終端，從CSRm 引出束流到終端并進(jìn)入該腔體，與銅制擋塊碰撞，利用真空計(jì)測(cè)量并記錄該腔體內(nèi)真空度的變化，利用式（1）計(jì)算兩種材料（銅和金）的解吸率。

其中：Δp 為腔體內(nèi)壓強(qiáng)的變化；V 為腔體的體積；N 為入射離子束的數(shù)目；T 為腔體的溫度；kb為波爾茲曼常數(shù)。利用解吸率確定不同束流能量和流強(qiáng)下?lián)p失束流引起的真空系統(tǒng)的變化率。

3）將準(zhǔn)直器模型腔安裝在CSRm 第3象限后，通過(guò)電機(jī)控制銅制擋塊在橫向空間移動(dòng)，同時(shí)測(cè)量損失束流強(qiáng)度和真空系統(tǒng)的變化，與同步加速器中其他位置真空系統(tǒng)的穩(wěn)定度進(jìn)行對(duì)比。

3 總結(jié)

為了能夠?qū)⑹骼鄯e到更高流強(qiáng)以滿足物理實(shí)驗(yàn)的需求和為新的高能強(qiáng)流重離子加速器累積設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了束流準(zhǔn)直器模型腔用于測(cè)試束流損失率的變化和真空解吸率隨束流能量、強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。目前，CSRm 束流損失的模擬計(jì)算、準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)直器和腔體的機(jī)械設(shè)計(jì)已完成，該腔體隨后將交付相關(guān)企業(yè)進(jìn)行加工。新的準(zhǔn)直器模型腔計(jì)劃將于2015進(jìn)行離線測(cè)試以完成帶束測(cè)試的準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)于2015年底完成CSRm 的安裝和束流測(cè)試。

感謝德國(guó)重離子研究中心（GSI）的Lars Bozyk博士提供的有關(guān)束流損失計(jì)算、準(zhǔn)直效率模擬方面的幫助，Peter Spiller博士提供的參與準(zhǔn)直器模型腔測(cè)試的機(jī)會(huì)。

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