西安200 MeV質子應用裝置負氫離子源及低能束流傳輸線實驗研究

王百川， 王忠明， 劉臥龍， 邢慶子， 唐 若， 李 巖， 馬鵬飛， 杜暢通， 楊 業(yè),， 王敏文， 王 迪， 趙銘彤， 趙 晨， 魏崇陽， 王茂成， 張 輝， 閆逸花， 呂 偉

(1. 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024； 2. 粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室， 北京 100084； 3. 清華大學 先進輻射源及應用實驗室， 北京 100084； 4. 清華大學 工程物理系， 北京 100084)

西安200 MeV質子應用裝置( Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)是國內首臺宇航器件質子單粒子效應專用輻射模擬試驗裝置。XiPAF主要由7 MeV的負氫離子直線注入器與最高能量為230 MeV的質子同步加速器組成。負氫離子源和低能束流傳輸線(low energy beam transport line，LEBT)于2018年11月建成并出束。負氫離子源產生的50 keV負氫離子束經LEBT聚焦匹配至3 MeV的射頻四極加速器(radio frequency quadrupole accelerator，RFQ)，再經漂移管直線加速器(drift tube linac，DTL)加速至7 MeV。負氫離子束通過剝離膜設備剝離為質子，并在同步加速器中加速至230 MeV[1]。離子源是整個加速器的源頭，獲取其束流參數對加速器的聯(lián)調和研究具有重要意義。因此，在低能束流傳輸線上進行實驗以確定初始負氫離子束的Twiss參數與束流強度。本文首先根據發(fā)射度儀測量結果反推得到離子源出口Twiss參數，再通過在單螺線管LEBT上開展傳輸實驗得到離子源出口負氫離子束流強度。

1 負氫離子源出口Twiss參數測量

圖1為負氫離子源及LEBT的結構示意圖[2-3]。負氫離子源主要包括微波發(fā)生器、傳輸波導、源體及引出系統(tǒng)，主要設計參數列于表 1。2.45 GHz磁控管產生的微波通過環(huán)形器、三銷釘調諧器及高壓隔離波導后饋入離子源放電室。負氫離子源為兩電極引出結構的永磁型ECR負氫離子源，直接安裝在LEBT第一診斷室上, 結構如圖 2所示。離子源產生的50 keV負氫離子束經過2個螺線管透鏡聚焦進入RFQ加速器。LEBT中設置了2組導向磁鐵用于調節(jié)束流中心位置，設置了1個斬波器用于調整束流脈沖寬度。束流測量設備包含位于第一診斷室的法拉第筒、第二診斷室的雙縫型發(fā)射度儀及LEBT末端的交流電流變壓器(ACCT)。法拉第筒和ACCT分別用于測量離子源出口和LEBT出口的束流強度，雙縫型發(fā)射度儀用于測量束流在第二診斷室位置的相空間分布。2個診斷室下方分別裝有渦輪分子泵，2組插板閥用于停機時封閉后段束線真空。LEBT的支架上設有導軌，便于調節(jié)各元件在沿束流方向的位置，也有利于快速維護離子源。裝置實物如圖3所示。

圖1 負氫離子源與LEBT結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of H- ion source and LEBT

表1 負氫離子源主要設計參數Tab.1 Main parameters of H- ion source

圖2 負氫離子源結構示意圖[2]Fig.2 Schematic diagram of the H- ion source

圖3 負氫離子源與LEBT實物圖Fig.3 Picture of H- ion source and LEBT

束流測量設備能夠測量第二診斷室位置束流的相空間分布及離子源和LEBT出口的束流強度，但無法直接測得離子源出口的Twiss參數和負氫離子束流強度。本文采用導入螺線管仿真磁場的方式，利用多粒子跟蹤模擬程序TraceWin[4]反推得出離子源出口Twiss參數。圖4為采用Poisson Superfish[5]仿真計算得到的螺線管磁場分布。圖5為實驗測得兩個螺線管中心軸線上磁感應強度BZ分量隨軸向位置的變化關系。由圖5可見，在40 ，100 ，180 A 3種勵磁電流下，實測結果均與仿真結果符合較好。反推得到的離子源出口處的Twiss參數列于表 2。在螺線管電流為100，120，140 A條件下，采用表2參數計算得到的第二診斷室相空間分布結果如圖6～圖8所示。由圖6～圖8可見，計算結果與實驗測量結果符合較好。束流的相空間分布偏心可能來源于離子源出口束流的位置和角度偏差，也有可能來源于發(fā)射度儀系統(tǒng)偏差。在線性傳輸近似下，束流的相空間分布偏心不影響Twiss參數推斷結果。

圖4 螺線管磁場仿真計算結果Fig.4 Simulated magnetic field of the solenoid

圖5 軸線上磁感應強度Bz分量隨軸向位置的變化關系Fig.5 Bz vs. z

表2 利用第二診斷室發(fā)射度儀測量結果反推得到的離子源出口Twiss參數Tab.2 Twiss parameters of the beamat the outlet of the ion source

(a) x-x＇ simulation

(a) x-x＇ simulation

(a) x-x＇ simulation

根據獲得的離子源出口Twiss參數分別建立了LEBT元件模型和磁場導入模型。圖 9為利用LEBT元件模型計算得到的RFQ匹配束流包絡計算結果，動力學計算至RFQ入口法蘭內表面，計算長度為1 725 mm。

圖9 利用元件模型計算得到的LEBT束流包絡計算結果Fig.9 Beam envelop inside the LEBT simulatedby the element model

實驗中測得的相空間分布畸變可能是由空間電荷力作用和螺線管磁場分布不理想引起[6-7]。圖10和圖11分別為利用元件模型和磁場導入模型進行多粒子跟蹤計算得到的LEBT出口束流相空間分布。采用元件模型的多粒子跟蹤計算只考慮了空間電荷力的非線性作用，而采用磁場導入的多粒子跟蹤計算還考慮了磁場分布引入的非線性作用，與實際情況更為接近。

(a) x-x＇

(a) x-x＇

與圖10相比，圖 11中粒子相空間分布畸變更明顯，表明螺線管磁場分布不理想是造成相空間分布畸變的重要原因之一。

2 單螺線管低能束流傳輸線實驗研究

LEBT通常采用雙螺線管結構[8-11]，具有較多的調節(jié)自由度。單螺線管結構[12]的LEBT尺寸較為緊湊，只有1個調節(jié)自由度，設計時需要準確掌握入口束流參數。為檢驗Twiss參數的可靠性、縮短LEBT長度以降低空間電荷力影響和負氫離子剝離損失及便于開展傳輸實驗測量離子源出口負氫離子束流強度，根據Twiss參數設計了單螺線管LEBT。單螺線管的設計思路為，利用螺線管調節(jié)束流Twiss參數使束流的最大散角達到RFQ匹配要求，再調整螺線管后的漂移節(jié)長度，使α(或β)達到目標值。設計完成后的單螺線管LEBT中束流包絡如圖 12所示，計算長度由1 725 mm縮短至810 mm。根據Twiss參數計算得到螺線管電流為140 A時RFQ段傳輸效率可達到84%。

圖12 設計完成后的單螺線管LEBT束流包絡計算結果Fig.12 Calculated envelop of the single-solenoid LEBT

圖13為離子源與單螺線管實物圖，根據單螺線管后漂移節(jié)長度要求，拆除了原LEBT中插板閥之后的1組導向磁鐵、第二診斷室(含發(fā)射度儀與分子泵)、第二螺線管和斬波器，保留了LEBT出口位置的ACCT以監(jiān)測束流強度。另外在第一診斷室側面額外增加了1組分子泵快速抽除離子源體中逸出的氫氣。

圖13 離子源與單螺線管LEBT實物圖Fig.13 Picture of ion source and single-solenoid LEBT

改造完成后，開展束流實驗驗證單螺線管LEBT設計。實驗得到單螺線管LEBT注入時RFQ段傳輸效率隨RFQ功率的變化關系，如圖14所示。由圖14可見，RFQ不饋入功率時，束流無法穿過RFQ，傳輸效率為0；隨著饋入功率提升，RFQ傳輸效率增加；在饋入功率為385 kW、螺線管電流為143 A、x和y方向導向磁鐵分別為0 A，0.1 A的條件下，最大傳輸效率達到85%。實驗結果與模擬計算結果較為一致，表明離子源出口Twiss參數是可靠的，能夠較好地指導單螺線管LEBT設計。

圖14 單螺線管LEBT注入時RFQ段傳輸效率隨RFQ功率的變化關系Fig.14 RFQ transmission efficiency withsingle-solenoid LEBT vs. RFQ power

3 離子源出口負氫離子束流強度測量

測量離子源出口的負氫離子束流強度對于確定負氫離子束在LEBT中的傳輸效率及進一步調束有重要意義。但該參數在現(xiàn)有XiPAF裝置難以直接測得。測量難點在于：1)離子源出口束流主要成分為負氫離子和電子[13]，因離子源中的偏轉磁鐵較弱且法拉第筒距離子源引出口較近，到達法拉第筒的束流中仍含有電子；2)低能負氫離子束在LEBT傳輸過程中的剝離損失較大[6]，損失量不易確定，LEBT出口處ACCT測得的束流強度是損失后的束流強度；3)通常需要使用Q/A分析磁鐵系統(tǒng)才能將不同荷質比的粒子分開測量[14-15]，但是這種方法需要加裝設備，臨時對束線進行改造；4)離子源的工作氣體氫氣會從束流引出口逸出進入LEBT，導致離子源出口處真空較差，為了盡量減少負氫離子的剝離損失，需要盡快抽除逸出氣體及盡快聚焦，因此，負氫離子源出口位置通常布設真空室和螺線管透鏡[9,16]，該位置無法供分析磁鐵長期使用，如需臨時使用分析磁鐵測量離子源出口的負氫離子束流強度，需要專門建造測量束線。本文提出一種測量離子源出口負氫離子束流強度的方法，通過測定純電子束和混合束在不同螺線管電流條件下的傳輸效率，求解得到LEBT入口混合束中的電子束流強度，進而得到負氫離子束流強度。

3.1 測量方法

設LEBT入口混合束中的負氫離子束流強度為IH-，電子束流強度為Ie，當螺線管電流為I時，單螺線管LEBT對負氫離子和電子的傳輸效率分別為ηH-和ηe。LEBT末端ACCT測得束流強度IA滿足

IA=IH-ηH-+Ieηe

(1)

通過設置N組螺線管電流In(n=1, 2, …,N)，可得到不同LEBT末端束流強度IAn

IAn=IH-ηH-n+Ieηen(n=1,2,…,N)

(2)

其中，IAn可使用ACCT直接測得。電子束傳輸效率ηen可通過開展純電子束傳輸實驗測得。負氫離子與電子的荷質比相差較大，在利于電子束傳輸的螺線管電流附近，負氫離子傳輸效率較低且數值變化不大，ηH-n可近似為常數ηH-。則式(2)可近似為

IAn=IH-ηH-+Ieηen(n=1,2,…,N)

(3)

使用法拉第筒測得LEBT入口總束流強度Itot為

Itot=IH-+Ie

(4)

因此，結合式(3)和式(4)，在利于電子束傳輸的螺線管電流附近，僅選取N=2組螺線管電流測量相應的IAn，即可求解出3個未知量IH-，Ie，ηH-。實際實驗中選取多組電流值進行擬合求解。

不同螺線管電流條件下電子束的傳輸效率ηen可通過開展純電子束傳輸實驗得到。在離子源體中饋入氦氣，使用50 kV負高壓引出純電子束。在離子源引出系統(tǒng)結構、引出高壓及LEBT氣壓均與先前一致的條件下，假設純電子束的傳輸效率與混合束中的電子束傳輸效率近似一致。在螺線管取不同電流條件下，LEBT出口束流強度與法拉第筒測得LEBT入口束流強度之比即為此狀態(tài)下的電子束傳輸效率 。

3.2 測量實驗

離子源工作氣體為氦氣，保持第一診斷室氣壓為4.0×10-3Pa時，測得純電子束傳輸效率隨螺線管電流的變化關系如圖15所示。法拉第筒測得LEBT入口的電子束流強度為11.8 mA。實驗結果表明，利于電子束傳輸的螺線管電流在3 A附近，與利于負氫離子束傳輸143 A的螺線管電流相差很大，在3 A附近小范圍內取不同電流值時負氫離子傳輸效率ηH-較低且數值變化不大，將ηH-近似為一個未知常數是合理的。

圖15 純電子束傳輸效率隨螺線管電流取值的變化Fig.15 Transmission efficiency of electron beamvs. different solenoid current

工作氣體為氦氣、螺線管電流為143 A、x方向導向磁鐵電流為0及y方向導向磁鐵為0.1 A時，LEBT出口測得束流強度為0。試驗結果表明，電子在該參數下無法到達LEBT出口，也驗證了更換工作氣體為氦氣時，引出的電子束中無殘留氫氣產生的負氫離子。

在得到0,1,2,…,7 A共8個螺線管電流條件下，工作氣體為氦氣時電子的傳輸效率ηe后，將工作氣體換為氫氣，測量螺線管電流為0 ,1 ,2 ,…,7 A時，混合束在LEBT出口的束流強度IA隨螺線管電流的變化關系，如圖16所示。此時離子源的工作狀態(tài)是饋入微波功率為3.9 kW(100 Hz，300 μs)，第一診斷室氣壓為4.0×10-3Pa。使用法拉第筒測量LEBT入口總束流強度Itot=10.0 mA。

圖16 負氫離子源在LEBT出口的束流強度隨螺線管電流的變化關系Fig.16 Beam current at outlet of LEBT vs. solenoid current

根據式(3)，以ηe作橫坐標、IA作縱坐標，取I=0, 1, 2,…,7 A共8個螺線管電流條件下的實驗數據進行直線擬合，擬合得到的斜率為Ie，在縱坐標上的截距即為IH-ηH-，擬合結果如圖17所示。擬合得到離子源在饋入微波功率為3.9 kW(100 Hz，300 μs)時,出口束流強度為Ie=5.8±0.3 mA，IH-=4.2±0.3 mA。

圖17 LEBT出口束流強度與電子傳輸效率擬合結果Fig.17 Fitting results of beam current at outlet ofLEBT vs. transmission efficiency of electrons

由圖 17可見，IA隨ηe基本呈線性變化關系，表明從不同數據得到的結果是自洽的，也驗證了本文方法中使用的2條假設近似是合理的，即0～7 A螺線管電流范圍內負氫離子傳輸效率ηH-可近似為常數，純電子束的傳輸效率可近似等于混合束中電子的傳輸效率。

4 結論

本文對XiPAF裝置LEBT開展了束流實驗，實驗中通過測量不同螺線管磁場強度下的束流發(fā)射度相圖分布得到了離子源出口的Twiss參數。根據該參數設計了尺寸緊湊的單螺線管LEBT，開展實驗實現(xiàn)了單螺線管匹配束流至RFQ，驗證了Twiss參數的準確性及單螺線管設計的可行性。本文提出了一種在沒有Q/A分析磁鐵條件下混合束中負氫離子束流強度的測量方法，并在單螺線管LEBT上進行了實驗，該方法通過測定純電子束和混合束在不同螺線管電流條件下的傳輸效率，求解得到混合束中的負氫離子束流強度。多組實驗測量結果與理論預期相符，表明了該方法的正確性。