50MeV束流輸運(yùn)線及其電磁元件設(shè)計(jì)

魏素敏 安世忠 呂銀龍 關(guān)鐳鐳

摘 ? 要：中國(guó)原子能科學(xué)研究院回旋中心正在研制一套中能質(zhì)子輻照裝置，提供能量范圍在10MeV～50MeV的質(zhì)子束流，以模擬對(duì)航天器有重要影響的空間質(zhì)子輻射環(huán)境。在50MeV緊湊型回旋加速器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了質(zhì)子束流輸運(yùn)系統(tǒng)，將回旋加速器引出的質(zhì)子束流，通過降能器等元器件調(diào)整到用戶所需能量，降能后的質(zhì)子束經(jīng)過聚焦、偏轉(zhuǎn)后傳輸?shù)接脩艚K端。為在靶上得到均勻的大直徑束斑，束流線上安裝了旋轉(zhuǎn)掃描磁鐵，將靶上的質(zhì)子束流均勻掃開，最終在靶上得到能量10MeV～50MeV可調(diào)，質(zhì)子流強(qiáng)最大10?A，尺寸20cm×20cm的束斑。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子束流線 ?偏轉(zhuǎn)磁鐵 ?四極透鏡

中圖分類號(hào)：TL52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（c）-0091-04

Abstract： The cyclotron Center at CIAE is now developing a medium-energy proton irradiation device that provides a proton beam with an energy range of 10 MeV to 50 MeV to simulate a space proton radiation environment， which has a significant impact on spacecraft. Based on the 50MeV compact cyclotron a proton beam transport system is designed. The proton beam extracted from the cyclotron is adjusted to the energy required by using the degrader， then the proton beam is bended and focused to transmitted to the user terminal. In order to obtain uniform large-diameter beam spot on the target， a wobbling magnet is installed on the beam line to uniformly sweep the proton beam on the target and finally obtain the proton beam with energy of 10MeV-50MeV， current of 10 μA and beam spot of 20 cm×20 cm on the target.

Key Words： Proton beam line; Bending magnet; Quadrupole

質(zhì)子是空間輻射環(huán)境的主要成分，會(huì)造成航天器材料和器件的輻射損傷，以及誘發(fā)單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重威脅衛(wèi)星安全，尤其是科學(xué)衛(wèi)星載荷對(duì)空間質(zhì)子導(dǎo)致的損傷更加敏感。中國(guó)原子能科學(xué)研究院回旋加速器研究設(shè)計(jì)中心設(shè)計(jì)了一套中能質(zhì)子輻照裝置，主要由50MeV質(zhì)子回旋加速器、束流輸運(yùn)線與實(shí)驗(yàn)終端等構(gòu)成。該中心已研制了多臺(tái)緊湊型回旋加速器及質(zhì)子束流線設(shè)備[1-4]，此臺(tái)50MeV回旋加速器設(shè)計(jì)為緊湊型結(jié)構(gòu)，引出質(zhì)子的能量范圍為30MeV～50MeV，更低的能量區(qū)間由束流線上的降能器提供。

1 ?50MeV輻照專用質(zhì)子束流輸運(yùn)系統(tǒng)布局

50MeV輻照專用質(zhì)子束流輸運(yùn)系統(tǒng)如圖1所示，由于該加速器引出的質(zhì)子能量在30MeV～50MeV區(qū)間可調(diào)節(jié)，因此設(shè)計(jì)了一臺(tái)引出開關(guān)磁鐵放置于磁軛內(nèi)部，將不同能量的束流傳輸至相同的管道中。圖中FC、SS、BPM分別為法拉第筒、熒光靶及束流剖面測(cè)量元件，用于測(cè)量束流的流強(qiáng)及剖面;D1為降能器，利用不同厚度的石墨將加速器引出的最低能量為30MeV質(zhì)子束流降能至u最低能量10MeV;C為準(zhǔn)直器;B1和B2為兩個(gè)45°偏轉(zhuǎn)磁鐵，共將質(zhì)子束流偏轉(zhuǎn)90°;Q為四極透鏡，用于質(zhì)子束流的聚焦;SXY為導(dǎo)向磁鐵，用于將偏離管道中心粒子矯正到管道中心;T為真空泵機(jī)組，用于管道真空的獲得;W為旋轉(zhuǎn)掃描磁鐵，產(chǎn)生周期變換的垂直于束流運(yùn)動(dòng)方向的二極磁場(chǎng)，使得靶上束流周期性旋轉(zhuǎn)掃描，進(jìn)而提高靶上束斑均勻度[5]。

該束流線總長(zhǎng)約12m，束流管道的內(nèi)徑為Φ78mm，材料為防銹鋁。質(zhì)子束流管道上電磁元件的具體設(shè)計(jì)將在后文中詳細(xì)給出。

2 ?光學(xué)模擬結(jié)果

50MeV緊湊型質(zhì)子回旋加速器采用剝離引出的方式引出質(zhì)子束流，引出束流的能量范圍是30MeV～50MeV，最大流強(qiáng)10μA，最小流強(qiáng)10nA，剝離膜后的束流經(jīng)過引出開關(guān)磁鐵被輸運(yùn)到束流管道中。整個(gè)質(zhì)子束流管道光學(xué)匹配的初始輸入?yún)?shù)為該加速器引出系統(tǒng)提供的剝離膜上的束流的σ矩陣（通過COMA程序計(jì)算得到）和剝離膜到引出開關(guān)磁鐵出口的束流傳輸矩陣（通過GOBLIN程序計(jì)算得到，并經(jīng)過STRIPUBC程序進(jìn)行了驗(yàn)證）。束流的光學(xué)匹配所選用的軟件是TRACE 3-D，該程序利用矩陣相乘來得到傳輸線上任意截面的束流特性。

束流線上的元件布局如圖1所示，其中各診斷元件（法拉第筒、熒光靶及剖面測(cè)量裝置）用于加速器引出束流的調(diào)試;兩個(gè)45°的偏轉(zhuǎn)磁鐵的作用有二，一是將質(zhì)子束偏轉(zhuǎn)至所需位置，二是進(jìn)行降能器后束流的能量選擇，將能散過大的質(zhì)子偏轉(zhuǎn)掉。

匹配中分別對(duì)10MeV-50MeV，10?A的質(zhì)子束進(jìn)行了模擬，在匹配中調(diào)節(jié)各四極透鏡參數(shù)，將靶上束斑尺寸調(diào)節(jié)為Ф20mm。

圖2為30MeV和50MeV的質(zhì)子束流匹配結(jié)果，在這個(gè)能量段的質(zhì)子可以直接從加速器引出，無需降能，匹配是從加速器出口開始。圖中顯示了x、y兩個(gè)方向的質(zhì)子半包絡(luò)，其中各個(gè)四極透鏡的磁場(chǎng)梯度變化見表1，靶上束斑尺寸見表2，其中X、Y分別表示兩個(gè)橫向方向上的束流半尺寸，X、Y分別表示相應(yīng)的偏角，單位分別為mm、mrad。

由于加速器引出的最低能量為30MeV，因此更低能量的束流需要降能器實(shí)現(xiàn)，降能器后質(zhì)子束流的參數(shù)通過準(zhǔn)直器確定。匹配中，取降能器后束流參數(shù)為x=y=8 mm，x=y=3 mrad進(jìn)行匹配，匹配起始點(diǎn)為降能器出口。20MeV及10MeV質(zhì)子束流光學(xué)匹配結(jié)果見圖3所示，其中各個(gè)四極透鏡的磁場(chǎng)梯度變化及靶上束斑尺寸見表1及表2。

綜上所述，我們針對(duì)用戶終端的需求，設(shè)計(jì)了質(zhì)子束流管道的元件布局，并且通過調(diào)節(jié)各個(gè)光學(xué)元件的不同參數(shù)，得到滿足設(shè)計(jì)要求的束流能量、束斑尺寸、包絡(luò)大小等參數(shù)。

3 ?偏轉(zhuǎn)磁鐵設(shè)計(jì)

該束流線上共有兩個(gè)45°偏轉(zhuǎn)磁鐵，將10MeV～50MeV質(zhì)子束流偏轉(zhuǎn)到終端靶站。50MeV質(zhì)子的磁剛度為1.034Tm，取偏轉(zhuǎn)半徑1m，可得磁鐵中磁場(chǎng)最大需要1.034T。磁鐵設(shè)計(jì)時(shí)取最大磁場(chǎng)1.1T。根據(jù)質(zhì)子束流在磁鐵中的包絡(luò)尺寸，要求該磁鐵好場(chǎng)區(qū)范圍±25mm，磁場(chǎng)均勻度好于5*10-4。

該磁鐵的截面尺寸如圖4所示，該圖為磁鐵截面的1/4模型，為提高磁場(chǎng)均勻度，在磁極面兩側(cè)增加了墊補(bǔ)，圖4還顯示了磁場(chǎng)在磁鐵中的分布情況。計(jì)算得到磁鐵內(nèi)的磁場(chǎng)分布如圖5所示，計(jì)算得到，在好場(chǎng)區(qū)±25mm內(nèi)，磁場(chǎng)的均勻度為1.28*10-4，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 ?四極透鏡設(shè)計(jì)

在已知道場(chǎng)梯度、有效長(zhǎng)度和磁鐵內(nèi)孔徑的情況下，我們可以確定磁鐵的極面寬度和極面形狀以及磁軛厚度。根據(jù)這些基本參數(shù)，我們使用二維計(jì)算磁場(chǎng)計(jì)算程序POSSION程序設(shè)計(jì)了四極磁鐵。

基于準(zhǔn)確的磁場(chǎng)數(shù)值分析，并根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在這里我們選擇極尖斷面為折線的四極透鏡結(jié)構(gòu)來代替理論上的雙曲線結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)具有加工簡(jiǎn)單、易于安裝定位等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于通過準(zhǔn)確的磁場(chǎng)數(shù)值分析，精確設(shè)計(jì)磁極的形狀。

由于四極磁鐵是軸對(duì)稱元件，所以在磁鐵設(shè)計(jì)過程中，我們選擇了1/8模型設(shè)計(jì)計(jì)算磁鐵，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，該圖中還顯示了1/8磁鐵的磁場(chǎng)分布。

5 ?結(jié)語(yǔ)

本文在中國(guó)原子能科學(xué)研究院回旋中心正在研制一臺(tái)50MeV緊湊型回旋加速器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一條輻照專用質(zhì)子束流傳輸線，將加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流降能、偏轉(zhuǎn)、聚焦，傳輸?shù)接脩艚K端。最后通過旋轉(zhuǎn)掃描磁鐵將靶上束斑掃開，產(chǎn)生用戶所需的大尺寸質(zhì)子束流。

參考文獻(xiàn)

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