100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的調(diào)試

葛 濤，張?zhí)炀?，呂銀龍，紀(jì) 彬，賈先祿，溫立鵬，殷治國，李要乾，李世強(qiáng)，劉振威，曹 磊，王 雷，符振輝，蔣 昊

(中國原子能科學(xué)研究院 回旋加速器研究設(shè)計(jì)中心，北京 102413)

100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器(CYCIAE-100)是目前國際上最大的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器，也是中國目前自主創(chuàng)新、自行研制的能量最高的質(zhì)子回旋加速器。其設(shè)計(jì)指標(biāo)為：能量75～100 MeV連續(xù)可調(diào)，束流強(qiáng)度200 μA，可雙向引出[1-2]。CYCIAE-100包含了離子源系統(tǒng)、注入及中心區(qū)系統(tǒng)、主磁鐵系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、束流引出系統(tǒng)、束流輸運(yùn)系統(tǒng)等20多個(gè)子系統(tǒng)。緊湊型回旋加速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是主磁鐵采用整體型緊湊結(jié)構(gòu)，其他加速器主體及束流診斷、引出等子系統(tǒng)均設(shè)計(jì)、安裝于緊湊磁鐵之中。為確保加速器高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)加速器引出束流的高功率，對(duì)加速器的調(diào)試提出了高度要求。目前該加速器完成分系統(tǒng)、整機(jī)調(diào)試，已開展多項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)。本文介紹CYCIAE-100調(diào)試過程，并重點(diǎn)介紹調(diào)試過程解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題以及調(diào)試結(jié)果。

1 加速器調(diào)試過程

CYCIAE-100的調(diào)試過程主要包括：離子源調(diào)試、注入線調(diào)試、內(nèi)靶小半徑束流調(diào)試、內(nèi)靶大半徑小束流調(diào)試、剝離引出靶小束流調(diào)試、不同能量點(diǎn)近靶小束流調(diào)試、功率靶小-中束流調(diào)試、功率靶大束流調(diào)試[1]等。CYCIAE-100于2012年9月開始現(xiàn)場(chǎng)安裝；2012年12月，加速器主磁鐵、高頻腔、主真空室等主體部件安裝完成；2013年7月，100 kW高頻功率源安裝完成，2013年11月，開始高頻鍛煉；2013年11月，離子源、注入線安裝調(diào)試完成；2013年12月，開始束流調(diào)試，中心區(qū)加速前得到320 μA束流；2014年7月外靶出束，引出20 μA束流；2015年5月，100 MeV回旋加速器與ISOL系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試成功，首次用100 MeV質(zhì)子束驅(qū)動(dòng)ISOL系統(tǒng)產(chǎn)生38K放射性核束；2016年11月，開展單粒子效應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)首次物理實(shí)驗(yàn)供束；2017年1月，開展首次白光中子靶實(shí)驗(yàn)，獲得白光中子束；2017年9月，開展放射性核束物理實(shí)驗(yàn)，獲得20Na放射性核束；2017年11月，首次實(shí)現(xiàn)雙向剝離引出物理實(shí)驗(yàn)供束；2018年12月，實(shí)現(xiàn)200 μA束流引出實(shí)驗(yàn),最大引出束流達(dá)到519 μA。

2 調(diào)試方法及調(diào)試過程中關(guān)鍵問題

CYCIAE-100的安裝、調(diào)試過程中，遇到并解決了諸多技術(shù)問題，以下僅介紹幾個(gè)主要系統(tǒng)的調(diào)試方法及關(guān)鍵技術(shù)問題的解決。

2.1 H-離子源

CYCIAE-100所使用的H-離子源，在中國原子能科學(xué)研究院10、14 MeV等回旋加速器上已廣泛應(yīng)用[3]。圖1為H-離子源結(jié)構(gòu)。離子源的調(diào)試主要是利用法拉第筒作為接收靶，優(yōu)化離子源相關(guān)參數(shù)，同時(shí)利用發(fā)射度測(cè)量儀，檢測(cè)離子源出口的束流發(fā)散度，以獲得較理想的離子源引出束流。調(diào)試過程中，采取改進(jìn)措施來提高束流的強(qiáng)度及發(fā)散度，例如優(yōu)化燈絲直徑和形狀、優(yōu)化腔體磁場(chǎng)、優(yōu)化引出口部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)、提升氫氣注入的純度及穩(wěn)定度、合理匹配相關(guān)電源參數(shù)等。特別是提升H-離子源在-40 kV電位上的穩(wěn)定運(yùn)行方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。離子源的引出吸極口處是高壓打火最頻繁的位置，此部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，絕緣距離小，且離子源工作時(shí)，該部分由于氫氣注入，真空度較差。這些綜合工況，導(dǎo)致了高壓極易發(fā)生打火。針對(duì)該情況，重新計(jì)算優(yōu)化了引出吸極口處磁場(chǎng)的大小及分布，并對(duì)吸極的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加吸極與地電極之間的絕緣距離，為離子源的導(dǎo)向線圈增加了屏蔽罩。通過這些優(yōu)化措施，離子源可穩(wěn)定運(yùn)行在-40 kV高壓電位上，高壓打火現(xiàn)象明顯減少。最終，CYCIAE-100的H-離子源最大引出束流達(dá)到18 mA，引出束流為4 mA時(shí)束流發(fā)散度為0.33 πmm·mrad。

圖1 H-離子源結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of H- ion source

2.2 軸向注入線

綜合考慮光學(xué)計(jì)算結(jié)果和工程可靠性及易操作性等因素，確定CYCIAE-100的軸向注入線聚焦結(jié)構(gòu)為：螺旋管透鏡-四極透鏡-四極透鏡-四極透鏡-螺旋管透鏡，束流從下向上沿著主磁鐵的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸軸向注入[4]，如圖2所示。軸向注入線的調(diào)試主要利用偏轉(zhuǎn)板作為接收靶，利用光闌等其他診斷元件為輔助手段，優(yōu)化注入線參數(shù)，提高注入線束流傳輸效率[1]。影響軸向注入線的傳輸效率有多個(gè)因素，其中軸向注入線的安裝精度是關(guān)鍵因素之一。因此，在軸向注入線安裝時(shí)，采取激光定位等手段來確保軸向注入線的安裝精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。調(diào)試過程中，采取多種措施提高注入線的傳輸效率，如在注入線的適當(dāng)位置增加觀察口，利用光闌觀察束流光斑；提升注入線整體真空度；合理匹配注入線四極透鏡、螺旋管透鏡電源參數(shù)等。而對(duì)于軸向注入線傳輸效率的測(cè)量、計(jì)算，利用了偏轉(zhuǎn)板作為接收靶，分別進(jìn)行了上、下偏轉(zhuǎn)板單獨(dú)接收測(cè)量和上、下偏轉(zhuǎn)板整體接收測(cè)量等反復(fù)測(cè)量計(jì)算注入線的傳輸效率。最終，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，軸向注入線的傳輸效率達(dá)到99%以上。

圖2 軸向注入線結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of axial injection system

2.3 注入中心區(qū)

在中心區(qū)，離子受到分布復(fù)雜的電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，中心區(qū)的許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均基于實(shí)驗(yàn)或工程經(jīng)驗(yàn)展開。中心區(qū)的調(diào)試主要利用絕緣銅塊作為接收靶，將絕緣銅塊放置于中心區(qū)不同位置，分別測(cè)量絕緣銅塊接收的束流，來實(shí)現(xiàn)對(duì)中心區(qū)束流傳輸效率的測(cè)量，同時(shí)，通過提升安裝精度等確保中心區(qū)整體工作的穩(wěn)定性。中國原子能科學(xué)研究院研制的10 MeV與14 MeV兩臺(tái)小型回旋加速器中心區(qū)，在小束流下可穩(wěn)定工作，在大束流下曾出現(xiàn)打火、局部過熱、正負(fù)偏轉(zhuǎn)板打火導(dǎo)致電源過流保護(hù)等問題[5]。因此在CYCIAE-100的中心區(qū)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，充分考慮了在10 MeV與14 MeV兩臺(tái)小型回旋加速器上獲得的工程經(jīng)驗(yàn)，采取多種措施來保證中心區(qū)在大束流條件下的穩(wěn)定工作。如整體結(jié)構(gòu)上，采用了中間法蘭分離面的方案，解決了高頻電場(chǎng)在中心區(qū)打火問題，避免了偏轉(zhuǎn)板泄漏電場(chǎng)對(duì)束流第1圈的干擾；采用專用工裝來保證定位精度，通過工裝保證了中心區(qū)零件的安裝精度。對(duì)于中心區(qū)束流傳輸效率的調(diào)試測(cè)量，分別在中心區(qū)出口處束流第1次加速前、束流第2次高頻加速后、束流第3次高頻加速前、束流第4次高頻加速后安裝絕緣銅塊接收束流；在束流能量1 MeV處，放置水冷內(nèi)靶接收束流進(jìn)行測(cè)量，并通過反復(fù)匹配離子源、注入線等相關(guān)電源參數(shù)來調(diào)試中心區(qū)的束流傳輸效率。

2.4 高頻系統(tǒng)

CYCIAE-100的高頻系統(tǒng)由2套相對(duì)獨(dú)立的λ/2射頻腔體、2臺(tái)100 kW發(fā)射機(jī)、2套射頻低電平系統(tǒng)及傳輸線系統(tǒng)組成[6]。高頻系統(tǒng)的調(diào)試主要分為高頻腔體和發(fā)射機(jī)的調(diào)試，針對(duì)高頻腔體，主要是諧振頻率以及無載品質(zhì)因數(shù)、加速器電壓的調(diào)試，如通過調(diào)節(jié)微調(diào)電容板的間距，使諧振頻率達(dá)到設(shè)計(jì)要求；固定腔體的微調(diào)電容板、耦合電容板的間距，利用小電容測(cè)量Dee電壓分布等。發(fā)射機(jī)的調(diào)試分為3個(gè)階段：假負(fù)載調(diào)試、信號(hào)源調(diào)試和低電平系統(tǒng)調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及常規(guī)運(yùn)行過程中需監(jiān)控高頻系統(tǒng)Dee電壓幅度、相位、入射功率和反射功率等相關(guān)參數(shù)。高頻系統(tǒng)具有聯(lián)鎖保護(hù)機(jī)制，當(dāng)主真空、主磁場(chǎng)等外部條件正常時(shí)，高頻系統(tǒng)才能解除信號(hào)封閉，當(dāng)功率反射過大等情況發(fā)生時(shí)，低電平系統(tǒng)及保護(hù)裝置可通過關(guān)斷低電平系統(tǒng)輸出的激勵(lì)信號(hào)，禁止射頻系統(tǒng)輸出功率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全聯(lián)鎖。應(yīng)用于100 MeV回旋加速器的高頻系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中同時(shí)檢測(cè)腔體中是否發(fā)生高頻打火，當(dāng)打火頻繁時(shí)，高頻系統(tǒng)同樣會(huì)封鎖高頻激勵(lì)信號(hào)，從而保護(hù)設(shè)備安全。由于載束情況不同，曾經(jīng)出現(xiàn)保護(hù)過于頻繁的現(xiàn)象，通過分析，修訂功率反射保護(hù)與打火保護(hù)的門限，使CYCIAE-100的高頻系統(tǒng)能快速運(yùn)行在所需功率條件下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 束流測(cè)量診斷系統(tǒng)

CYCIAE-100的束流測(cè)量診斷系統(tǒng)，在加速器束流性能調(diào)試、加速器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化等過程中起到重要作用，為加速器的調(diào)試提供了有效可靠的檢測(cè)手段和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的束流信息。該系統(tǒng)包含了多種束測(cè)器件，如法拉第筒、熒光靶、雙絲掃描儀、發(fā)射度測(cè)量儀等。準(zhǔn)確高效實(shí)現(xiàn)束流相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的精準(zhǔn)測(cè)量是影響加速器穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。大部分的束流測(cè)量器件在使用前會(huì)進(jìn)行模擬測(cè)試，通過模擬束流信號(hào)檢驗(yàn)相關(guān)束測(cè)器件的測(cè)量性能。受緊湊型加速器空間影響，部分束測(cè)設(shè)備的探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡可能簡單，部分束測(cè)設(shè)備具備了多種測(cè)量功能，如徑向探測(cè)靶等。在實(shí)際的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)良好的接地系統(tǒng)、高質(zhì)量的線纜、良好的測(cè)量儀器是影響束流測(cè)量診斷系統(tǒng)的幾個(gè)較關(guān)鍵的因素。為此，采取一些必要的技術(shù)措施來提高束流測(cè)量診斷系統(tǒng)的整體性能及穩(wěn)定性，如采用低噪聲同軸線作為束測(cè)信號(hào)線；改進(jìn)束流測(cè)量設(shè)備接地；對(duì)各路測(cè)量值的零點(diǎn)通過硬件及軟件進(jìn)行消除等。

3 加速器的調(diào)試結(jié)果

3.1 離子源及注入線中心區(qū)的調(diào)試結(jié)果

為確保CYCIAE-100主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，如引出束流200 μA，需H-離子源的束流強(qiáng)度及束流發(fā)散度達(dá)到一定的技術(shù)指標(biāo)。通過提高H-離子源多峰場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、優(yōu)化電子磁過濾等使H-離子源的引出束流強(qiáng)度得到了提高，平均束流強(qiáng)度超過10 mA，最大束流強(qiáng)度達(dá)到18 mA，束流歸一化發(fā)射度列于表1。

表1 H-離子源不同流強(qiáng)下的歸一化發(fā)射度Table 1 Measured normalized emittances under different beam intensities

由H-離子源產(chǎn)生的H-，通過軸向注入線傳輸并在中心區(qū)內(nèi)偏轉(zhuǎn)為水平方向進(jìn)入回旋加速器中心平面，由高頻電壓吸引開始加速。束流在中心區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡十分復(fù)雜，合理的匹配注入線相關(guān)電源參數(shù)，提高注入線的傳輸效率，對(duì)于規(guī)范束流在中心區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，減少頭兩圈內(nèi)的損失至關(guān)重要。在束流能量1 MeV的位置處，放置水冷內(nèi)靶測(cè)量中心區(qū)偏轉(zhuǎn)效率。獲得了較理想的調(diào)試結(jié)果，在離子源束流為4.3 mA的條件下，測(cè)得水冷內(nèi)靶上最大束流為696 μA。從離子源束流和內(nèi)靶束流測(cè)量值計(jì)算得出，從離子源到加速器內(nèi)靶束流總效率(包括注入線上的傳輸效率、中心區(qū)的注入效率及高頻俘獲效率)為16%。

3.2 高頻系統(tǒng)及束流加速效率調(diào)試結(jié)果

CYCIAE-100的兩個(gè)高頻腔體經(jīng)過精細(xì)調(diào)整，達(dá)到臨界耦合狀態(tài)。其中，南側(cè)的高頻腔體諧振頻率為44.66 MHz時(shí)，有載品質(zhì)因數(shù)為4 805.4，無載品質(zhì)因數(shù)為9 610.8；北側(cè)高頻腔體諧振頻率為44.62 MHz時(shí)，有載品質(zhì)因數(shù)為4 821.1，無載品質(zhì)因數(shù)為9 642.2，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。經(jīng)過信號(hào)源高頻鍛煉、低電平高頻鍛煉后，高頻腔體工作正常，在單個(gè)高頻腔體功率損耗約為33 kW時(shí)，中心區(qū)D電壓達(dá)到60 kV，滿足物理設(shè)計(jì)要求。

在高頻系統(tǒng)等調(diào)試完成，并獲得束流注入及偏轉(zhuǎn)的理想效率后，束流具備加速引出的條件，H-離子在主磁場(chǎng)的作用下，其旋轉(zhuǎn)頻率與高頻加速器頻率保持同步，離子即可被加速引出。而主磁場(chǎng)沿半徑方向的等時(shí)性是決定束流加速效率的關(guān)鍵因素，因此，通過對(duì)主磁場(chǎng)、高頻頻率及相位、加速器電壓的合理匹配可獲得最佳的等時(shí)性條件。CYCIAE-100設(shè)有東、西2個(gè)方向的橫向插入徑向靶，通過徑向靶由中心區(qū)向加速器外延方向的穩(wěn)定移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量束流，并與內(nèi)靶束流對(duì)比，可實(shí)現(xiàn)對(duì)束流加速器效率的測(cè)量。圖3為徑向靶束流測(cè)量結(jié)果，從圖3可看出，CYCIAE-100的加速效率約為100%。

圖3 徑向靶束流測(cè)量Fig.3 Beam measurement on radial target

3.3 束流引出調(diào)試結(jié)果

CYCIAE-100設(shè)有南、北2個(gè)徑向插入剝離靶，每個(gè)剝離靶安裝有12個(gè)碳膜，可實(shí)現(xiàn)在線更換剝離膜。通過調(diào)整剝離靶的徑向插入位置，可實(shí)現(xiàn)H-離子75～100 MeV能量區(qū)間的剝離引出。H-離子被加速至一定能量后，穿越剝離膜，失去兩個(gè)電子后，變成質(zhì)子，通過微調(diào)剝離膜的角度，在磁場(chǎng)的作用下，改變運(yùn)動(dòng)方向，被引出主真空室，注入到相應(yīng)的束流線。

首次束流引出調(diào)試是在CYCIAE-100的北向束流線上進(jìn)行的，在北向束流線與加速器的連接處設(shè)有引出開關(guān)磁鐵，引出開關(guān)磁鐵后設(shè)有法拉第筒及熒光屏。在束流加速效率調(diào)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行束流引出調(diào)試，通過合理匹配剝離靶的位置、剝離膜的角度以及引出開關(guān)磁鐵的磁場(chǎng)，分別通過法拉第筒測(cè)量束流強(qiáng)度，熒光屏進(jìn)行對(duì)光，獲得了理想的束流引出調(diào)試結(jié)果。通過對(duì)比法拉第筒與剝離膜上的束流測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)束流在引出過程中幾乎沒有損失，引出效率約為100%。經(jīng)過首次調(diào)試出束后，CYCIAE-100陸續(xù)開展了多項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)工作，2018年11月，在Beamdump束流線，CYCIAE-100開展了大流強(qiáng)引出束流實(shí)驗(yàn)，最終獲得了520 μA的最大引出束流，圖4為Beamdump靶的束流測(cè)量曲線。

圖4 Beamdump靶束流測(cè)量Fig.4 Beam measurement on Beamdump target

4 總結(jié)

截至2018年底，CYCIAE-100完成了主磁鐵系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、注入線及中心區(qū)系統(tǒng)、引出系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)試，以及整機(jī)的調(diào)試，開展了多項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)，已穩(wěn)定運(yùn)行近2 000 h，為國內(nèi)多家用戶單位提供了實(shí)驗(yàn)所需束流。該加速器的調(diào)試成功和穩(wěn)定運(yùn)行，證明了中國原子能科學(xué)研究院在強(qiáng)流回旋加速器領(lǐng)域積累了大量的建造和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，具備了發(fā)展更高能量、更高功率強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的能力。