西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置的建設(shè)及調(diào)試

王忠明， 陳 偉， 邱孟通， 閆逸花，張 輝， 王敏文，王百川,， 楊 業(yè),， 王 迪， 劉臥龍， 王茂成，呂 偉， 趙銘彤， 趙 晨， 魏崇陽， 王學(xué)武， 關(guān)遐令，鄭曙昕， 邢慶子， 姚紅娟， 程 誠， 杜泰斌，張化一， 雷 鈺， 王 丹， 杜暢通， 馬鵬飛， 劉曉宇， 李 巖， 葉文博， 于旭東

(1. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024； 2. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024；3. 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084； 4. 清華大學(xué) 先進(jìn)輻射源及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084; 5. 清華大學(xué) 工程物理系， 北京 100084)

衛(wèi)星和航天器工作在帶電粒子構(gòu)成的空間輻射環(huán)境中。空間輻射環(huán)境中的高能帶電粒子在半導(dǎo)體器件中誘發(fā)的輻射效應(yīng),可導(dǎo)致器件工作性能退化、工作狀態(tài)突變甚至永久性損傷，嚴(yán)重影響衛(wèi)星和航天器的可靠性及壽命。

宇航抗輻射器件屬于西方國家嚴(yán)格禁運(yùn)產(chǎn)品，我國必須形成自主可控能力。近年來，我國已投入大量科研經(jīng)費(fèi)用于實(shí)現(xiàn)宇航器件的國產(chǎn)化。這些器件具有明確的抗輻射加固指標(biāo)，需要開展地面抗輻射性能研究與考核評估。長期以來，我國一直缺乏專用的空間單粒子效應(yīng)考核的質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)裝置。西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)正是基于上述重大需求提出的。該裝置的核心是一臺(tái)最高能量為200 MeV的質(zhì)子加速器，建成后可開展宇航級抗輻射電子器件的空間輻射效應(yīng)及輻射探測技術(shù)等方面的研究工作。

XiPAF采用以直線加速器作為注入器的同步加速器技術(shù)路線。7 MeV的直線加速器由負(fù)氫離子源、低能束流輸運(yùn)線(low energy beam transport, LEBT)、射頻四極加速器(radio frequency quadrupole, RFQ)、漂移管直線加速器(drift tube linac, DTL)及射頻功率源組成，總長約7 m，為同步加速器提供低發(fā)射度和低能散度的注入束流。同步加速器采用六折對稱的磁聚焦結(jié)構(gòu)，周長約30 m，由6塊二極磁鐵、12塊四極磁鐵、4塊六極磁鐵、1套高頻加速腔和1套注入引出系統(tǒng)組成。同步加速器采用慢引出模式，利用三階共振原理，將質(zhì)子束流在1～10 s內(nèi)均勻引出到實(shí)驗(yàn)終端供用戶使用。設(shè)計(jì)引出能量在60～200 MeV之間連續(xù)可調(diào)，每個(gè)周期環(huán)中存儲(chǔ)的最大粒子數(shù)為2×1011，引出到終端的束流強(qiáng)度在105～108cm-2·s-1之間連續(xù)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)終端采用階梯場磁鐵獲得面積在100 cm2范圍內(nèi)均勻分布的束流，并配備樣品輻照支架和束流監(jiān)測系統(tǒng)，適宜于開展各種類型的質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)。XiPAF的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所列，加速器的布局如圖1所示[1-2]。

表1 XiPAF主要設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Main design parameters of XiPAF

圖1 XiPAF加速器布局的3維模型Fig.1 3D model of XiPAF accelerator

2014年，XiPAF建設(shè)正式立項(xiàng)，經(jīng)過總體方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)研制和整機(jī)安裝調(diào)試5個(gè)階段的建設(shè)，在2020年初實(shí)現(xiàn)了首次成功出束，又經(jīng)近一年的束流調(diào)試，目前已基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，并開展了2輪小規(guī)模用戶實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置對外提供束流實(shí)驗(yàn)的技術(shù)能力。2021年，裝置將正式對外開放運(yùn)行。本文簡要介紹該裝置的基本情況和建設(shè)進(jìn)展。

1 XiPAF概述

1.1 負(fù)氫離子源

XiPAF裝置采用1套2.45 GHz微波驅(qū)動(dòng)的體效應(yīng)負(fù)氫離子源，圖2為XiPAF負(fù)氫離子源結(jié)構(gòu)示意圖。源體分為微波饋入、初級等離子體區(qū)、磁簾、等離子體引出區(qū)和帶電子吸收的引出區(qū)5個(gè)部分。

圖2 XiPAF負(fù)氫離子源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of XiPAF H- ion source

等離子體引出區(qū)設(shè)計(jì)有“肩”結(jié)構(gòu)，電子流的吸收在引出電極內(nèi)進(jìn)行。另外，在磁簾區(qū)安裝了柵網(wǎng)，用于阻斷微波在離子源放電室中的傳輸，減少負(fù)氫離子區(qū)的電子被加熱的概率，抑制該區(qū)域電子溫度的增長，獲得更多的低能電子。離子源為無銫結(jié)構(gòu)，各區(qū)域磁場由永磁鐵產(chǎn)生。引出系統(tǒng)由等離子體電極與地電極構(gòu)成，利用2個(gè)電極之間的高壓電場把負(fù)氫離子加速到50 keV后引出[3]。

1.2 低能束流輸運(yùn)線

LEBT的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為： 1)實(shí)現(xiàn)RFQ入口處Twiss參數(shù)的匹配； 2)實(shí)現(xiàn)束流脈沖寬度可調(diào)，由于離子源引出機(jī)制的限制及LEBT負(fù)氫離子束空間電荷中和的要求，離子源引出的束流脈沖寬度為300～500 μs，大于整體加速器對束流脈沖寬度的要求，需要在LEBT中添加斬波器(chopper)，使到達(dá)RFQ入口位置的束流脈沖寬度為10～40 μs； 3)盡量減少束流發(fā)射度的增長和束流損失。

LEBT的主體設(shè)計(jì)采用了2套螺線管透鏡、2套導(dǎo)向磁鐵和1套斬波器。LEBT的束流診斷系統(tǒng)包括位于第一診斷室的法拉第筒、位于第二診斷室的1套雙狹縫發(fā)射度儀及位于出口處的1套交流電流變壓器(ACCT)。LEBT的整體物理設(shè)計(jì)長度為1.8 m，圖3為LEBT元件布局圖。

圖3 LEBT元件布局圖Fig.3 Layout of XiPAF LEBT

1.3 射頻四極加速器

RFQ采用變電壓設(shè)計(jì)，出口能量為3 MeV，總長度約為3 m。通過增大孔徑和加速梯度，在RFQ長度盡量縮短的情況下保證了高的傳輸效率。聚焦強(qiáng)度不為常數(shù)，增大了設(shè)計(jì)的靈活性，通過調(diào)整RFQ高能端的聚焦常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了RFQ和DTL之間的直接橫向和縱向匹配。圖4為RFQ主要設(shè)計(jì)參數(shù)隨縱向位置的變化關(guān)系[4]。

圖4 RFQ主要參數(shù)隨縱向位置的變化Fig.4 RFQ design parameters vs. longtudinal position

1.4 漂移管直線加速器

XiPAF采用1套交叉指型H模DTL(interdigital H-mode DTL, IHDTL)，出口能量為7 MeV，設(shè)計(jì)的最高峰值電流為15 mA，總長度約為1.2 m。IHDTL采用一種修正的KONUS束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，沿縱向分為聚束段、0°加速段和散束段。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有2個(gè)，一是聚束段采用較大的RF相位，可接受較大的縱向相寬；二是0°加速段后接散束段，在限制束團(tuán)橫向包絡(luò)增長的同時(shí)，增大了IHDTL出口的相位寬度，可減小與下游散束器的距離。設(shè)計(jì)的聚束段的同步相位為-80°，加速間隙(gap)個(gè)數(shù)為3；0°加速段的入口相位為8°，能量跳變系數(shù)(同步粒子的能量與束團(tuán)中心能量的比值)為0.945，gap個(gè)數(shù)為13；散束段的同步相位為10°，gap個(gè)數(shù)為5。圖5為IHDTL模型結(jié)構(gòu)示意圖[5]。

圖5 IHDTL模型示意圖Fig.5 Sketch map of XiPAF IHDTL

1.5 射頻功率源

XiPAF采用2套4616型四極管為RFQ和DTL分別提供射頻功率。圖6為射頻功率源組成原理框圖。射頻功率源以固態(tài)推動(dòng)級和末級功率放大器兩級功率放大鏈路為核心，配置供電分系統(tǒng)、監(jiān)控保護(hù)分系統(tǒng)、冷卻裝置及功率傳輸和監(jiān)測單元。末級腔體放大器選用BURLE公司的4616V4型電子管及為其專配的Y1413型同軸輸入輸出腔，輸出功率在20～500 kW之間連續(xù)可調(diào)。2套電子管共用1套陽極高壓電源和監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)。

圖6 射頻功率源系統(tǒng)組成原理框圖Fig.6 Principle diagram of XiPAF linac RF system

1.6 同步環(huán)磁聚焦結(jié)構(gòu)

XiPAF同步環(huán)的主要技術(shù)特點(diǎn)為：

1) 采用負(fù)氫剝離注入和橫向相空間涂抹技術(shù)，可有效抑制注入階段低能質(zhì)子的空間電荷效應(yīng)；

2) 采用六折對稱的磁聚焦結(jié)構(gòu)(lattice)，簡化了磁鐵元件設(shè)計(jì)，工作點(diǎn)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)；

3) 采用磁合金加載的高頻加速腔，提供了自適應(yīng)的寬帶調(diào)諧能力，不需要額外的調(diào)諧機(jī)構(gòu)；

4) 采用三階共振慢引出技術(shù)，可穩(wěn)定、均勻的將質(zhì)子束從環(huán)中引出到實(shí)驗(yàn)終端用于用戶實(shí)驗(yàn)。

XiPAF同步環(huán)采用一種稱為missing-dipole的聚焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其基本單元是用1個(gè)漂移節(jié)代替了1個(gè)聚焦-漂移-散焦-漂移(FODO)單元中的1塊二極鐵。這個(gè)長的漂移節(jié)可用于安裝注入引出元件、加速元件和束流診斷元件。圖7為同步環(huán)的平面布局和Twiss參數(shù)沿全環(huán)的分布(其中β為包絡(luò)函數(shù)，D為色散函數(shù))。表2列出了同步環(huán)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

(a) Lattice design of XiPAF synchrotron

表2 同步環(huán)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Main parameters of XiPAF synchrotron

1.7 同步環(huán)注入、引出系統(tǒng)

XiPAF同步環(huán)注入系統(tǒng)采用剝離注入和相空間涂抹方法，可克服劉維定理的限制，有效提高注入束流強(qiáng)度。注入系統(tǒng)包括3塊Chicane磁鐵、2塊快脈沖的凸軌磁鐵、1塊注入切割鐵和1套剝離膜系統(tǒng)。3塊Chicane磁鐵提供1個(gè)固定的閉合軌道凸起，2套凸軌磁鐵在30 μs的下降沿上提供最大2.4 cm的軌道凸起，在凸軌下降的過程中實(shí)現(xiàn)注入相空間的涂抹。

XiPAF同步環(huán)引出系統(tǒng)為三階共振慢引出系統(tǒng)，采用三整數(shù)共振和射頻踢軌(RF-KO)方法將環(huán)中的束流在1～10 s內(nèi)均勻的引出到實(shí)驗(yàn)終端供用戶使用，采用1套束流反饋系統(tǒng)以調(diào)節(jié)引出束流的時(shí)間均勻性。引出系統(tǒng)包括4塊六極磁鐵、1套靜電偏轉(zhuǎn)板、2塊引出切割磁鐵和1套R(shí)F-KO系統(tǒng)。RF-KO系統(tǒng)采用射頻信號激勵(lì)環(huán)中工作點(diǎn)位于三整數(shù)共振線附近的束流，使包絡(luò)逐漸增大，位于包絡(luò)外側(cè)的粒子將率先進(jìn)入靜電偏轉(zhuǎn)板的引出通道。

1.8 同步環(huán)高頻加速系統(tǒng)

XiPAF同步環(huán)高頻加速系統(tǒng)采用磁合金材料加載的寬頻帶高頻腔系統(tǒng)。由于磁合金材料的特性，系統(tǒng)具有很好的帶寬和較高的飽和磁通特性。每個(gè)磁合金環(huán)采用1個(gè)獨(dú)立的固態(tài)放大器提供射頻功率輸入。寬頻帶高頻腔可提供不小于800 V的加速電壓，帶寬在1～7 MHz之間自適應(yīng)調(diào)節(jié)。圖8為磁合金腔結(jié)構(gòu)示意圖，表3列出了磁合金腔系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)[6-7]。

圖8 磁合金腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Sketch map of XiPAF magnetic alloy loadedRF acceleration system

表3 磁合金腔的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Main design parameters of magnetic alloyloaded RF acceleration system

2 XiPAF項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展

XiPAF項(xiàng)目屬于典型的大型科學(xué)裝置類建設(shè)項(xiàng)目，技術(shù)難度大，實(shí)施周期長。該項(xiàng)目自2010年開始論證，2014年正式立項(xiàng)，2014年8月完成總體方案評審，2015年11月完成初步設(shè)計(jì)評審，2017年底完成各分系統(tǒng)500余臺(tái)/套設(shè)備的研發(fā)。2018年6月，項(xiàng)目進(jìn)入整機(jī)安裝調(diào)試階段，2019年12月基本完成現(xiàn)場設(shè)備安裝，圖9為XiPAF裝置安裝現(xiàn)場照片。

圖9 XiPAF裝置安裝現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.9 Photo of XiPAF assembly area

2.1 直線加速器調(diào)束進(jìn)展

2.1.1 離子源束流調(diào)試

2014年，XiPAF的負(fù)氫離子源開始研制，完成后陸續(xù)在測試平臺(tái)上開展了大量針對源體自身性能的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，最終達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：在束流能量50 keV，重復(fù)頻率100 Hz，脈沖寬度為500 μs條件下，負(fù)氫束流的峰值電流達(dá)到了8.5 mA，歸一化均方根發(fā)射度為0.25π mm·mrad。負(fù)氫離子源束流強(qiáng)度及發(fā)射度測試結(jié)果如圖10所示。

(a) Beam current

2.1.2 LEBT束流調(diào)試

為測試LEBT出口處的發(fā)射度和RFQ的匹配程度，除在LEBT第二診斷室布置1套發(fā)射度儀外，在LEBT末端布置了1套可拆卸式的移動(dòng)式雙狹縫發(fā)射度儀，可在2個(gè)縱向位置上分別測量束流在2個(gè)方向上的發(fā)射度，為反推離子源出口Twiss參數(shù)和精確推算RFQ入口處的發(fā)射度提供更多的測量手段。LEBT測試實(shí)驗(yàn)束線布局如圖11所示。

圖11 LEBT測試實(shí)驗(yàn)束線布局Fig.11 Layout of XiPAF LEBT test beamline

在LEBT調(diào)試工作中，通過掃描螺線管和導(dǎo)向磁鐵電流，尋找LEBT傳輸效率的變化規(guī)律，同時(shí)在一些特定參數(shù)下測量第二診斷室和第三診斷室發(fā)射度。經(jīng)過參數(shù)掃描發(fā)現(xiàn)，LEBT中的整體傳輸效率最高約60%，略低于設(shè)計(jì)值。由于負(fù)氫離子的損失機(jī)制比較復(fù)雜，對該結(jié)果的分析目前還沒有明確結(jié)論。此外，在不同參數(shù)下，經(jīng)過多次發(fā)射度測量并反推離子源出口處的Twiss參數(shù)，找到了與理論模型比較吻合的一組結(jié)果，圖12為第二診斷室發(fā)射度測量和模擬結(jié)果，圖13為移動(dòng)式發(fā)射度儀的測量結(jié)果和模擬結(jié)果。由圖12和圖13可見，實(shí)驗(yàn)中2個(gè)不同位置發(fā)射度的測量結(jié)果與模擬結(jié)果都符合較好。

由于移動(dòng)式發(fā)射度儀的測量位置比RFQ入口要靠后一些，所以測得的相圖是發(fā)散的，將該相圖逆推回RFQ入口處，得到的相圖如圖14所示。由圖14可見，LEBT出口處束流與RFQ的接受度基本匹配，束流的相空間存在一定的拖尾現(xiàn)象，理論模擬顯示這是由于束流在進(jìn)入第一個(gè)螺線管時(shí)散角偏大，進(jìn)入螺線管透鏡孔徑邊緣的非線性場導(dǎo)致的。這些束暈中的雜散粒子會(huì)對RFQ的傳輸效率帶來一定影響。

2.1.3 RFQ束流調(diào)試

為滿足RFQ調(diào)試要求，在RFQ調(diào)束前安裝了一條臨時(shí)測量束線，包括1套雙狹縫發(fā)射度儀、1套ACCT和2套束流位置探測器(BPM)[8-10]，分別測量RFQ出口處的發(fā)射度、束流強(qiáng)度和能量，實(shí)驗(yàn)束線布局如圖15所示。

圖15 RFQ測試實(shí)驗(yàn)束線布局Fig.15 Experimental beamline layout for RFQ test

RFQ調(diào)試的目的是通過調(diào)節(jié)離子源引出高壓、LEBT上2個(gè)螺線管透鏡、4個(gè)導(dǎo)向鐵的電流及RFQ饋入功率等參數(shù)，使RFQ傳輸效率達(dá)到最佳，并測量出口束流參數(shù)和各元件工作參數(shù)的關(guān)系，找到與DTL加速器接受度匹配的工作參數(shù)。在進(jìn)行導(dǎo)向鐵參數(shù)掃描、螺線管透鏡參數(shù)掃描、RFQ饋入功率掃描和導(dǎo)向鐵參數(shù)二次掃描之后，得到了RFQ的最高傳輸效率約為88%，測量得到RFQ出口的發(fā)射度與理論模擬結(jié)果相近，水平和垂直方向歸一化RMS發(fā)射度分別為0.47π mm·mrad和0.40π mm·mrad ，基本滿足DTL加速器的注入要求。圖16為RFQ傳輸效率隨RF饋入功率變化關(guān)系，圖17為RFQ傳輸效率隨螺線管電流的變化關(guān)系。

圖16 RFQ傳輸效率隨RF饋入功率變化關(guān)系Fig.16 RFQ transmission efficiency vs. the RF feed power

圖17 RFQ傳輸效率隨螺線管電流的變化關(guān)系Fig.17 RFQ transmission efficiency evolutionwith two solenoid currents

2.1.4 IHDTL束流調(diào)試

7 MeV IHDTL的調(diào)束可分為縱向和橫向2個(gè)方面，縱向是調(diào)節(jié)IHDTL的饋入功率和相位，橫向是調(diào)節(jié)入口Twiss參數(shù)和偏心。目的是通過掃描射頻功率源(RF)的場強(qiáng)和相位，使DTL出口能量和動(dòng)量分散滿足能量大于7 MeV，95%粒子動(dòng)量分散度好于±3%的后續(xù)注入要求。并通過掃描LEBT和RFQ的工作參數(shù)，使IHDTL的傳輸效率滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。除IHDTL外，臨時(shí)安裝的束測線上還包括3塊四極磁鐵、1套發(fā)射度儀、1套散束器、3套BPM、1套ACCT、1套分析磁鐵、2套分析狹縫和1套法拉第筒，IHDTL測試實(shí)驗(yàn)束線布局如圖18所示。

圖18 IHDTL測試實(shí)驗(yàn)束線布局Fig.18 Layout of IHDTL beam experiment line

為尋找IHDTL的相位工作點(diǎn)，將入射功率按電場強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值進(jìn)行歸一化，采用Tracewin程序模擬了IHDTL傳輸效率隨腔體歸一化入射功率和參考粒子進(jìn)入IHDTL時(shí)的RF相位的變化關(guān)系，如圖19所示。

圖19 利用Tracewin程序模擬得到的IHDTL傳輸效率隨腔體歸一化入射功率和參考粒子進(jìn)入IHDTL時(shí)的RF相位的變化關(guān)系Fig.19 Simulated IHDTL transmission efficiency along withthe RF phase and cavity power change

由圖19可見，IHDTL的傳輸效率存在一個(gè)明顯的高傳輸效率區(qū)域，實(shí)驗(yàn)中，通過尋找這個(gè)特征，可較容易找到IHDTL的工作點(diǎn)，即圖19中的黑點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)冷測得到的Q值可計(jì)算出腔體的功率損耗，再根據(jù)束流負(fù)載，可估算出IHDTL饋入功率的工作點(diǎn)在220 kW附近。在這個(gè)功率附近取幾組值，進(jìn)行RF相位掃描，得到IHDTL的傳輸效率隨RF相位的變化關(guān)系。圖20為饋入功率為222 kW時(shí)， 掃描RF相位得到的IHDTL傳輸效率。通過和理論模擬對比，可找到當(dāng)前狀態(tài)下IHDTL的工作點(diǎn)。

圖20 饋入功率222 kW時(shí)，掃描RF相位得到的IHDTL傳輸效率Fig.20 IHDTL transmission efficiency with the RFphase at an input power of 220 kW

在找到IHDTL的工作點(diǎn)后，繼續(xù)開展IHDTL出口束流參數(shù)的測量，束流參數(shù)包括傳輸效率、束團(tuán)中心能量、能量分散度及束流發(fā)射度等。采用TOF方法測量得到的IHDTL出口束團(tuán)的中心能量，如表4所列。

表4 利用TOF方法測量得到IHDTL出口束團(tuán)的中心能量Tab.4 Beam energy measured by TOF at IHDTL exit

利用下游的雙狹縫發(fā)射度儀可測量IHDTL出口的發(fā)射度。由于發(fā)射度儀安裝在3塊四極磁鐵后，因此實(shí)驗(yàn)中測量了四極磁鐵不加電(drift)和加電(triplet)2種情況下的發(fā)射度。圖21為IHDTL出口橫向發(fā)射度測量值。將測量得到的束流相空間分布逆推到IHDTL出口處，得到的束團(tuán)RMS相橢圓的測量結(jié)果，測量結(jié)果與模擬結(jié)果整體上比較吻合。

2.2 同步加速器調(diào)束進(jìn)展

2.2.1 束流注入調(diào)試

在同步加速器調(diào)束過程中，首先開展束流注入調(diào)試。圖22為注入點(diǎn)處質(zhì)子在環(huán)上轉(zhuǎn)一圈后熒光屏的束斑。調(diào)束初期，采用2個(gè)熒光屏查看束流第一圈注入情況，然后通過調(diào)整二極磁鐵和注入切割磁鐵電流使直流流強(qiáng)探測器(DCCT)束流最大化，優(yōu)化后得到DCCT上最高束流強(qiáng)度達(dá)到了47 mA，對應(yīng)的粒子數(shù)為2.5×1011，總注入效率達(dá)到58%，在MEBT出口束流強(qiáng)度未達(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)5 mA的情況下，實(shí)現(xiàn)了注入后粒子數(shù)大于等于2×1011的目標(biāo)。

(a) At the injection point

在初步注入調(diào)試成功后，分別研究了注入束流軌道與循環(huán)束流軌道、注入點(diǎn)束斑尺寸與Twiss參數(shù)、凸軌涂抹曲線、注入圈數(shù)與延時(shí)及注入時(shí)環(huán)的工作點(diǎn)等不同參數(shù)對注入效率的影響。研究結(jié)果表明，在相同的注入條件下，與注入束流的束斑大小相比，Twiss參數(shù)匹配對注入效率影響更大；凸軌鐵延時(shí)對注入束流強(qiáng)度的影響比較顯著，注入束流從凸軌鐵下降沿起始位置前約30 μs注入得到的累積束流強(qiáng)度最高，有效注入圈數(shù)約為20圈。實(shí)驗(yàn)中，分別采用指數(shù)下降曲線、線性下降曲線和2組優(yōu)化的平滑下降曲線研究不同凸軌曲線形狀和延時(shí)下的注入束流強(qiáng)度情況。結(jié)果表明，指數(shù)下降曲線的注入效率相對較高。圖23為凸軌磁鐵采用指數(shù)下降曲線時(shí)，不同脈沖寬度和凸軌鐵延時(shí)條件下DCCT的最大電流。

(a) Injection beam current vs. pulse width of the bump

2.2.2 束流俘獲調(diào)試

俘獲調(diào)試的目的是調(diào)節(jié)高頻頻率和二極鐵磁場強(qiáng)度，使其與束流能量相匹配，實(shí)現(xiàn)束流的正常聚束。俘獲后束團(tuán)為單束團(tuán)模式，可為后續(xù)的線性光學(xué)測量和加速提供條件。

俘獲優(yōu)化的過程主要是調(diào)節(jié)同步環(huán)的二極鐵電流和高頻頻率，通過快速流強(qiáng)變壓器(FCT)、BPM信號及俘獲過程的束流損失綜合判斷俘獲效果。圖24為俘獲效率較高的1組實(shí)驗(yàn)中DCCT和FCT的測量結(jié)果。由圖24可見最大俘獲效率約為51%。

(a) DCCT

2.2.3 線性光學(xué)測量與校正

線性光學(xué)函數(shù)是指同步環(huán)lattice的一些參數(shù)，包括工作點(diǎn)、β函數(shù)、色散及色品等，在俘獲完成后束流聚束成團(tuán)，具備了開展上述參數(shù)測量的條件。準(zhǔn)確測量這些參數(shù)并進(jìn)行物理模型的校正是下一步開展加速調(diào)試和慢引出調(diào)試的基礎(chǔ)。因此，在加速調(diào)試前首先開展了線性光學(xué)的測量與校正。

在測量過程中，水平工作點(diǎn)采用BPM逐圈數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT得到，垂直方向由于橫向振蕩幅度較小，工作點(diǎn)主要采用頻譜儀進(jìn)行測量。圖25為1組典型加速過程中橫向工作點(diǎn)變化的測量結(jié)果。

(a) Working point from FFT of BPM signal

色散函數(shù)和色品分別表征了偏能粒子閉合軌道和工作點(diǎn)的偏差，在測試時(shí)采用緩慢掃頻的方式改變束流能量，根據(jù)閉軌變化和工作點(diǎn)變化測量色散和色品。水平方向和垂直方向的色散測量結(jié)果如表5所列，水平方向色品為0.33，垂直方向色品為-2.83。

表5 水平方向和垂直方向的色散測量結(jié)果Tab.5 The horizontal and vertical dispersionat different BPM locations

利用校正鐵逐個(gè)添加1 mrad激勵(lì)，記錄每個(gè)BPM測量的閉軌變化量，測量了束流對于校正鐵的12×12的橫向閉軌響應(yīng)矩陣。該矩陣包含了線性光學(xué)的各種信息，通過LOCO方法可以將測量結(jié)果和理論模型進(jìn)行擬合，在匹配過程中對模型進(jìn)行修正，得到與實(shí)際加速器匹配的模型及所有線性光學(xué)函數(shù)[11-12]。與原有模型給出的響應(yīng)矩陣相比，修正模型的相對偏差小于5%。

β函數(shù)反映的是環(huán)上不同位置處束流的最大包絡(luò)，是同步環(huán)上最重要的lattice參數(shù)之一。通過校正鐵激勵(lì)法和四極鐵激勵(lì)法，分別測量了全環(huán)的β函數(shù)。圖26為修正模型給出的β函數(shù)和色散函數(shù)與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的對比。

由圖26可見，測量結(jié)果與修正后的線性光學(xué)預(yù)測的結(jié)果吻合較好，證明了模型和測量的準(zhǔn)確性。

2.2.4 束流加速調(diào)試

束流的加速調(diào)試是指通過調(diào)節(jié)高頻及磁鐵的上升曲線來實(shí)現(xiàn)將束流加速到指定能量，加速后的束流可用于慢引出及用戶實(shí)驗(yàn)。

剛開始進(jìn)行加速調(diào)試時(shí)，加速過程中束流的損失比較嚴(yán)重，通過觀察閉軌情況發(fā)現(xiàn)在加速過程中閉軌一直在變化。采用BPM測量的閉軌數(shù)據(jù)的變化量計(jì)算出頻率的變化量，對頻率曲線進(jìn)行修正和迭代，并利用校正鐵進(jìn)行精細(xì)的軌道調(diào)節(jié)之后，加速效率顯著提高。

此外，加速過程中的橫向運(yùn)動(dòng)也可能導(dǎo)致束流損失。測量得到的加速過程中工作點(diǎn)的變化曲線如圖27所示。

(a) The movement of working point

由圖27可見，100 ms時(shí)工作點(diǎn)正好經(jīng)過差共振線，這是之前發(fā)現(xiàn)的在100 ms前后束流損失較為嚴(yán)重和束流強(qiáng)度快速下降的原因。通過調(diào)整四極鐵的延時(shí)和曲線，讓工作點(diǎn)盡量避開共振線，束流得到較好的加速，加速過程中的陡降現(xiàn)象消失，俘獲效率較高，且加速過程中DCCT曲線上幾乎看不出粒子損失，加速效率最高達(dá)到了82%，加速后最大粒子數(shù)為1×1011，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2.5 束流慢引出調(diào)試

慢引出調(diào)試階段需要對三階共振慢引出系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，將束流引出至HEBT并使引出束流的時(shí)間結(jié)構(gòu)盡可能均勻。圖28為理想條件下引出粒子最后3圈的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖28 理想情況下引出前不同能量的發(fā)射度最大的粒子最后3圈軌跡Fig.28 The trace of last 3 turns before extraction for particleswith different energy and maximum emittance in ideal condition

引出前，首先需要將閉軌校正到0附近，保證束流在引出前不會(huì)在其他位置丟失。引出前環(huán)上閉合軌道校正結(jié)果如圖29所示。然后，通過調(diào)節(jié)四極鐵增益將水平工作點(diǎn)調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)值1.678附近，偏差控制在±0.005以內(nèi)。當(dāng)工作點(diǎn)確定后，通過調(diào)節(jié)共振六極鐵強(qiáng)度調(diào)節(jié)穩(wěn)定三角形大小。

圖29 引出前環(huán)上閉合軌道校正結(jié)果Fig.29 The corrected closed orbit before extraction

圖30為共振六極鐵強(qiáng)度合適時(shí)，環(huán)上DCCT電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。六極鐵強(qiáng)度增加，DCCT電流稍有下降，說明穩(wěn)定區(qū)大小是合適的。通過RFKO幅度曲線及引入幅度反饋，使引出束流波形整體較均勻[13-14]。最后掃描靜電偏轉(zhuǎn)器和2臺(tái)引出切割鐵參數(shù)，使引出束線傳輸效率最高。

圖30 共振六極鐵強(qiáng)度合適時(shí)環(huán)上DCCT束流強(qiáng)度Fig.30 DCCT beam current when the resonancesextrupole′s strength is suitable

圖31為1組在60 MeV條件下開展的慢引出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖31可見，在不同時(shí)間點(diǎn)上的引出效率均達(dá)到了70%左右，引出束流在時(shí)間結(jié)構(gòu)上也比較均勻。

(a) DCCT intensity

2.3 用戶實(shí)驗(yàn)開展情況

在裝置研制完成后，項(xiàng)目組邀請中國空間技術(shù)研究院、中國科學(xué)院新疆理化所和工信部電子五所等5家單位開展了首輪國內(nèi)用戶實(shí)驗(yàn)。先后開展了28 nm SRAM，65 nm CPU，ASIC，28 nm觸發(fā)器測試電路和脈寬測試電路及64 nm國產(chǎn)5K×5K大面陣CMOS圖像傳感器等50余款核心電子器件的單粒子效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，為這些器件的研制提供了有力支撐，同時(shí)也驗(yàn)證了平臺(tái)對外提供實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)的技術(shù)能力。

上述工作的完成標(biāo)志著裝置主體建設(shè)工作已基本完成，具備了對外開放運(yùn)行條件。圖32為首輪用戶試驗(yàn)開展情況。

圖32 首輪用戶實(shí)驗(yàn)開展情況Fig.32 The first round of user experiment

3 小結(jié)

XiPAF歷經(jīng)近10年的論證、設(shè)計(jì)和建設(shè)，在2020年初實(shí)現(xiàn)了首次成功出束。經(jīng)過多輪次調(diào)試，目前引出質(zhì)子能量在10～200 MeV之間可調(diào)，在不同能量下環(huán)中存儲(chǔ)粒子數(shù)均大于1×1011，每周期引出粒子數(shù)大于5×1010，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的指標(biāo)，可滿足用戶實(shí)驗(yàn)要求。該裝置填補(bǔ)了我國在空間質(zhì)子輻射模擬實(shí)驗(yàn)專用裝置方面的空白，也是亞洲第一臺(tái)滿足空間單粒子效應(yīng)考核指標(biāo)要求的質(zhì)子實(shí)驗(yàn)裝置。未來幾年，XiPAF將逐步提高運(yùn)行穩(wěn)定性，增加對外開放機(jī)時(shí)，并繼續(xù)開展物理調(diào)束，不斷提升裝置性能指標(biāo)，為我國宇航器件的抗輻射加固技術(shù)研究提供重要技術(shù)支撐。