BISOL 相鄰兩電荷態(tài)相同質(zhì)量重離子束相位能量調(diào)節(jié)的物理設計

朱 飛 彭朝華 鄭 健 李愛玲 周立鵬 胡躍明

（中國原子能科學研究院 核物理研究所 北京 102413）

BISOL 相鄰兩電荷態(tài)相同質(zhì)量重離子束相位能量調(diào)節(jié)的物理設計

朱 飛 彭朝華 鄭 健 李愛玲 周立鵬 胡躍明

（中國原子能科學研究院 核物理研究所 北京 102413）

放射性核束物理是國際核物理研究的前沿，滴線區(qū)新物理、鐵以上重元素的天體合成過程、超重穩(wěn)定島核素合成等關鍵科學問題的突破將對整個自然科學產(chǎn)生重大影響，這些研究都需要高強度的極端豐中子核束。將中國先進研究堆及強流氘離子加速器打靶產(chǎn)生的放射性核束傳輸至物理終端，采用兩電荷態(tài)束流同時加速可以有效提高束流強度；通過分析離子束分離注入同步加速原理，采用靜電高壓調(diào)節(jié)離子束相位差，速率調(diào)節(jié)器同步離子束能量，分別計算得到不同種類核束引出電壓參數(shù)和速率同步參數(shù)；同時分析計算了電壓調(diào)節(jié)與離子束相位差變化關系，得到電壓調(diào)節(jié)參數(shù)。計算結果表明，當調(diào)節(jié)電壓幅值取±8 kV時，可滿足不同種類離子相位調(diào)節(jié)需求。

相位調(diào)節(jié)，能量調(diào)節(jié)，放射性核束，高壓

北京在線同位素分離豐中子放射性束流裝置(Beijing Isotope-Separation-On-Line Neutron-Rich Beam Facility, BISOL)是依托利用中國原子能科學研究院現(xiàn)有的中國先進研究堆(China Advanced Research Reactor, CARR)在反應堆南側地塊建造一臺在線同位素分離型豐中子束流裝置，其主要研究領域為針對重大科學前沿的不穩(wěn)定區(qū)原子核物理與針對國家重大需求的核能材料科學。國際上現(xiàn)有的ISOL型裝置主要有美國橡樹嶺國家實驗室的HRIBF (The Holifield Radioactive Ion Beam Facility)[1]、法國國家重離子研究所的 SPIRAL(Système de Production d'Ions Radioactifs Accélérésen Ligne)[2]、加拿大核物理國家實驗室的ISAC (Isotope Separator and Accelerator)[3]、歐洲核子中心的彭林阱ISOL[4]等，可將放射性核束加速至數(shù)十 MeV·u?1。國際上現(xiàn)有的彈核碎片法(Projectile Fragmentation, PF)裝置主要有美國密歇根州立大學的超導回旋[5]、德國亥姆霍茲重離子研究中心的FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)[6]、俄羅斯杜布納核子中心的DRIBS (Dubna Radioactive Ion Beam Accelerator Complex)[7]、日本理化研究所的RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory)[8]等，其所用加速器能量在90?200 MeV。BISOL工程采用CARR堆和強流氘離子加速器雙源驅(qū)動，應用ISOL和 PF相結合的方法產(chǎn)生遠離穩(wěn)定線的極端豐中子放射性束流，充分利用CARR堆中子通量高的特點，產(chǎn)生的放射性核束流強要比國際同類裝置高1?2個量級。這不僅為豐中子區(qū)域的核物理研究提供了前所未有的機遇，將使核結構研究的領域從核素圖的穩(wěn)定線附近向遠離穩(wěn)定線的方向大大擴展；同時隨著放射性核束在核能、材料物理、生物醫(yī)學和生命科學等領域的應用，將會給這些學科的研究帶來新的發(fā)展。

BISOL后加速的目標是將CARR堆和強流氘離子加速器打靶產(chǎn)生的放射性核束最終加速到150MeV·u?1。在低能傳輸段中，放射性核束被冷卻、電荷增殖，然后注入后加速器中。由于放射性束流的產(chǎn)額很低，因此需要盡可能多地將束流加速并傳輸?shù)轿锢斫K端。采用兩電荷態(tài)或者多電荷態(tài)束流同時加速，是一個充分利用放射性束流，提高束流強度的最佳選擇。

1 兩電荷態(tài)離子注入原理

直線諧振加速器其加速原理是讓粒子束流依次通過多個具有高頻交變電場的加速間隙，根據(jù)束流通過間隙的相位不同，獲得的增能也不同。為了控制束流的運動軌跡、狀態(tài)和品質(zhì)，直線諧振加速器設計時會讓束流在特定的相位通過加速間隙，獲得特定的增能，然后飛行合適的時間，再次在特定的相位通過下一個加速間隙。當束流中包含了不同質(zhì)荷比(A/Q)的離子時，滿足設計條件的離子能夠正常獲得加速，而不滿足條件的離子由于加速間的飛行時間與設計值的差異，有可能在加速過程中丟失；所以直線諧振加速器通常在同一時間內(nèi)只加速同一質(zhì)荷比束流，但如果能夠保證相同質(zhì)量質(zhì)荷比不同的離子初始注入速度一致，則可使得離子滿足同步加速的條件。

直線諧振加速器的低能加速段通常采用 RFQ(Radio Frequency Quadrupole)腔型，通過分離注入方式，使兩電荷態(tài)離子分別注入RFQ加速器中的不同加速周期內(nèi)，一個加速周期內(nèi)只包含一種電荷態(tài)離子，兩電荷態(tài)離子間相位差為360°，如圖1所示。BISOL的RFQ加速器注入能量設計值為3 keV·u?1，RFQ的工作頻率為81.25 MHz。

圖1 分離注入原理Fig.1 Principle of scatter injection.

2 離子束相位能量調(diào)節(jié)的物理設計

為了使兩電荷態(tài)離子分別注入 RFQ加速器不同的相鄰加速周期內(nèi)，且相位相差360°，離子束在注入RFQ加速器前的低能束流傳輸段(Low Energy Beam Transmission, LEBT)，需經(jīng)過束流脈沖化系統(tǒng)聚束。聚束器工作頻率為RFQ加速器頻率的1/2，即為40.625 MHz。離子束由離子源統(tǒng)一引出，由于離子電荷態(tài)的不同，則兩電荷態(tài)離子初始速率也不同，在漂移相同距離后，初始速率大的離子通過時間短，速率慢的離子通過時間長，為了使兩電荷態(tài)離子在RFQ加速器中相位相差360°，即在RFQ入口處聚束器頻率下兩電荷態(tài)離子相位應相差180°，則漂移段距離長度應滿足：

式中：L為漂移段長度；f為聚束器工作頻率；v1、v2分別為兩電荷態(tài)離子速度。對于不同種類離子，其所需漂移距離L也不同。但在工程安裝中，漂移長度L不變，為使其在RFQ加速器入口處相位相差180°，在漂移段處安裝一套靜電高壓平臺，通過調(diào)節(jié)電壓改變離子通過高壓平臺漂移段的速率，靜電高壓并不改變離子的最終能量；同時為了保證兩電荷態(tài)離子在注入 RFQ加速器時具有相同能量，在RFQ加速器入口前端安裝速率同步器，其工作頻率也為40.625 MHz，調(diào)節(jié)兩電荷態(tài)離子能量使其速率相等，流程圖見圖2。

圖2 離子束相位能量調(diào)節(jié)Fig.2 Phase and energy adjustment of ion beam.

在速率同步器后，兩電荷態(tài)離子在 RFQ入口前，相位相差180°，一個處在增能相位，一個處在減能相位，為了使最終能量相同，此時對能量高的離子減能，對能量低的離子增能，見圖3。

圖3 能量同步原理Fig.3 Principle of energy synchronous.

設離子源引出電壓為U，速率同步器電壓幅值UVE，對于電荷態(tài)分別為 Q0與 Q1離子，其能量關系應滿足：

以聚束器為起點，同時刻由聚束器射出的兩電荷態(tài)離子為參照離子，此時離子間相位差為 0。兩電荷態(tài)離子依次經(jīng)過漂移段L1、高壓平臺段L2及漂移段L3后，到達速率同步器，此時離子間相位差應滿足：

式中：k為大于等于0的整數(shù)，代表兩電荷態(tài)離子間相差的周期數(shù)。當漂移段 L1與 L3長度不同時，離子間相位差也將不同，為此研究高壓平臺對離子間相位差的調(diào)節(jié)能力。以高壓平臺為起點，同時刻注入高壓平臺且相位差為0的兩電荷態(tài)離子為參照離子，設高壓平臺電壓為UHV，兩電荷態(tài)離子通過高壓平臺后的相位差可表示為：

式中：L2為高壓平臺的長度；A為質(zhì)量數(shù)；m為每核子質(zhì)量；f為聚束器工作頻率；U為離子源引出電壓；UHV為高壓平臺電壓，kV；a為只與離子質(zhì)量數(shù)和電荷態(tài)相關的系數(shù)。不同種類離子的系數(shù)a值、離子源引出電壓及速率同步器射頻電壓幅值計算結果見表1。

表1 離子參數(shù)Table 1 Ion parameters.

由理論推導可以看出，當離子種類及電荷態(tài)一定時，兩電荷態(tài)離子通過高壓平臺段所產(chǎn)生的相位差是關于高壓平臺長度L2及高壓UHV的函數(shù)，長度越大則相位差越大。兩電荷態(tài)離子在速率同步器處相位差需為 180°的奇數(shù)倍，為此無論漂移段 L1與L3長度為多長，離子通過所引起的相位差為多少，只要通過調(diào)節(jié)高壓平臺電壓，使其引起離子間相位差的變化范圍為 0°?360°，則總可以使得離子間最終相位差為180°的奇數(shù)倍，設高壓平臺電壓調(diào)節(jié)范圍為±UHV，可表示為：

由式(8)可知，對于同種類離子滿足相位差變化范圍為0°?360°時，當高壓平臺長度L2越長，則其所需高壓幅值UHV越小，考慮工程整體布局，選取高壓平臺長度3 m作為設計值。對于不同種類離子，高壓平臺電壓與離子間相位差變化關系見圖4。

圖4 相位差隨電壓變化關系Fig.4 Relationship between phase difference and voltage.

由圖4可知，當高壓平臺電壓幅值變化范圍一定時，鎳離子相位差隨電壓變化曲線曲率最大，鈾離子相位差曲線最小，因此在同等電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)只要能夠使得鈾離子相位差變化率為360°，則此電壓范圍將同樣滿足其他種類離子調(diào)節(jié)需求。以電壓零點為起點，步長±1 kV，求解合適的電壓變化范圍，計算結果見表2。

表2 計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters.

由計算結果可知，當高壓平臺電壓幅值為±8kV時，此時鈾離子相位差的變化范圍可達367.715°，滿足調(diào)節(jié)要求。

3 結語

本文分析和設計了 BISOL采用雙電荷態(tài)離子同時加速的方案，針對后加速的設計指標，闡述了分離注入同步加速原理，利用靜電高壓平臺調(diào)節(jié)兩電荷態(tài)離子束流相位差，利用速率同步裝置調(diào)節(jié)離子能量，分別計算了不同種類離子所需引出電壓幅值及速率同步裝置電壓幅值。為滿足不同種類離子調(diào)相的需求，給出了高壓平臺電壓與離子間相位差變化關系，得到了合適可行的設計結果。

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3 Schmor P W. Status and plans for the TRIUMF ISAC facility[C]. Proceedings of the Asian Particle Accelerator Conference, India, 2007.

4 Von Hahny R, Grieser M, Podlech H, et al. Status of the REX-ISOLDE project[C]. Proceedings of the Particle Accelerator Conference, New York, 1999.

5 Marti F, Hitchcock S, Kester O K, et al. A carbon foil stripper for FRIB[C]. Proceedings of Linear Accelerator Conference, Tsukuba, 2010.

6 Kramer D. Current status of the FAIR project[C].Proceedings of the International Particle Accelerator Conference, New Mexico, 2007. DOI: 10.1109/PAC.2007.4440721.

7 Gikal B N, Bogomolov S L, Dmitriev S N, et al. DUBNA cyclotrons - status and plans[C]. Proceedings of the 17th International Conference on Cyclotrons and their Applications, Tokyo, 2004. DOI: 10.1142/9789812701749_0097.

8 Kamigaito O, Arai S, Dantsuka T, et al. Status of RIBF accelerators at RIKEN[C]. Proceedings of the 19th International Conference on Cyclotrons and their Applications, Lanzhou, 2010.

Physics design of phase and energy adjustment for heavy ion beam of the same mass with two-charge state on BISOL

ZHU Fei PENG Zhaohua ZHENG Jian LI Ailing ZHOU Lipeng HU Yaoming
(Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

Background: The breakthroughs in researches on drip line of new physics and the process of celestial synthesis of heavy elements above iron and nuclide synthesis of super heavy island would have a significant impact on natural science, and in which high-intensity neutron rich beam plays an indispensable part. Purpose: The radioactive beam produced by China advanced research reactor (CARR) and the high intensity deuteron accelerator is transmitted to the physical terminal, and the beam intensity can be effectively enhanced by the simultaneous acceleration of the two-charge state beam. Methods: Based on the principles of scatter injection and synchronous acceleration for ion beam, the high voltage was used to adjust the phase difference of the ion beam, and the speed regulator to synchronize the ion beam energy, the extraction-voltage and rate-synchronization parameters of different kinds of ion beam are calculated, respectively. Voltage regulation parameters are obtained by analyzing the relationship between voltage regulation and phase difference of ion beam. Results: The results show that with regulate voltage at ±8 kV, phase adjustment for different types of ion beam can be satisfied. Conclusion: Physics design parameters can meet the requirement of engineering construction.

Phase adjustment, Energy regulation, Radioactive beam, High voltage

ZHU Fei, male, born in 1988, graduated from University of South China in 2014, doctoral student, focusing on the superconducting linear accelerator technology

date: 2017-07-03, accepted date: 2017-08-25

TL53

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110201

朱飛，男，1988年出生，2014年畢業(yè)于南華大學，現(xiàn)為博士研究生，研究領域為超導直線加速器技術

2017-07-03，

2017-08-25