黃 鵬,李鵬展,安世忠,宋國芳,鄭 俠,葛 濤,紀(jì) 彬,張?zhí)炀?/p>
(中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所,北京 102413)
中國原子能科學(xué)研究院建成的100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器(CYCIAE-100)是我國建成的能量最高、流強(qiáng)最強(qiáng)的強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器,通過剝離引出的方式引出能量為75~100 MeV、最高流強(qiáng)為520 μA的連續(xù)波質(zhì)子束[1-3]。該加速器于2014年首次出束,2016年通過國家驗(yàn)收,束流功率達(dá)到52 kW[4]。CYCIAE-100為四扇等時(shí)性緊湊型回旋加速器,直徑6.16 m,總重量為475 t,是國際上建成的最大的緊湊型強(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。CYCIAE-100采用外部離子源軸向注入,具有結(jié)構(gòu)緊湊、注入流強(qiáng)大、引出效率高且可雙向同時(shí)引出束流等優(yōu)點(diǎn)。CYCIAE-100建成后的一個(gè)重要應(yīng)用是進(jìn)行100 MeV能區(qū)的核數(shù)據(jù)測量。為了滿足核數(shù)據(jù)測量的應(yīng)用需求,需對CYCIAE-100進(jìn)行脈沖化技術(shù)研究,使其具備提供脈沖束的能力。束流脈沖化系統(tǒng)中,利用束流切割器可將連續(xù)的直流束形成具有超短時(shí)間結(jié)構(gòu)和寬度的脈沖束,這種基于超短時(shí)間結(jié)構(gòu)脈沖束在核數(shù)據(jù)測量、核物理試驗(yàn)等研究等領(lǐng)域均有非常重要的應(yīng)用[5]。
基于100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的束流切割器的研究,是國際上第1個(gè)在100 MeV能區(qū)的剝離引出類型回旋加速器上開展的實(shí)現(xiàn)MHz量級重復(fù)頻率的束流脈沖化技術(shù)研究,其成功對于100 MeV回旋加速器的核數(shù)據(jù)測量及相關(guān)應(yīng)用具有非常大的價(jià)值。為了在緊湊空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)束流切割器裝置的安裝,中國原子能科學(xué)研究院研制了一臺尺寸較小、功耗較低的2.8 MHz直流束流切割器裝置。該切割器具有結(jié)構(gòu)緊湊、螺旋諧振器Q值相對較高、加載切割電壓較高且功率損耗低、無需水冷等特點(diǎn),同時(shí)配套研制了一套開口形狀為正方形的選束狹縫裝置。本文主要介紹基于100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的2.8 MHz束流切割器裝置的研制過程,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,最終獲得能量為100 MeV、重復(fù)頻率為5.6 MHz的脈沖質(zhì)子束。
核數(shù)據(jù)測量對脈沖束流的功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率都有嚴(yán)格的要求。一般地,對于高壓型加速器,由于加速和引出的束流不受高頻周期的影響,切割器相對容易設(shè)計(jì),切割器頻率在1~1.5 MHz、切割電壓一般不超過3 kV,比如中國原子能科學(xué)研究院的基于高壓倍加器CPNG的單能快中子發(fā)生器[6]和北京大學(xué)重離子物理研究所在其4.5 MV靜電加速器上研制的脈沖化系統(tǒng)[7]。
對于外部離子源注入的回旋加速器,可在低能注入線上使用切割器,在切割器的作用下,離子源引出的連續(xù)束被轉(zhuǎn)化為脈沖束,再被注入到加速器中。與直線加速器和同步加速器不同,回旋加速器的多圈引出會影響注入束流的時(shí)間結(jié)構(gòu)。能量低、加速圈數(shù)少或采用靜電偏轉(zhuǎn)引出的回旋加速器在引出時(shí)基本上沒有圈重疊,則束流單圈引出后時(shí)間結(jié)構(gòu)不變,這對于切割器的研制技術(shù)要求也不是很大,如加拿大EBCO的9 MeV氘離子緊湊型回旋加速器[8]、日本6.25 MeV/u的JAEA AVF回旋加速器[9],切割器電壓均在3 kV以下,切割器最高的重復(fù)頻率可到1 MHz。JAEA AVF回旋加速器除了使用注入線的切割器P-chopper外,還在引出后安裝了另一個(gè)切割器S-chopper,但是這種方法的制約條件是加速器能量不能太高,因?yàn)榍懈钇麟妷汉湍芰空嚓P(guān)[10]。
當(dāng)回旋加速器引出區(qū)出現(xiàn)圈重疊而無法實(shí)現(xiàn)單圈引出時(shí),需要考慮多圈引出對脈沖寬度的展寬,特別是剝離引出類型的緊湊型回旋加速器,引出圈重疊將非常嚴(yán)重,這對于切割器的研制提出了較大的挑戰(zhàn)。CYCIAE-100采用外部離子源軸向注入,加速H-離子,通過剝離引出的方式引出連續(xù)波質(zhì)子束,引出束流圈數(shù)達(dá)50多圈(即圈重疊)[11]。因此對于100 MeV中能回旋加速器,要實(shí)現(xiàn)MHz量級快脈沖的脈沖束是較困難的,也無成熟的方案可借鑒,只能通過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究來完成。CYCIAE-100加速器加速的束流相寬為40°,則要求直流束流經(jīng)過切割后的脈沖寬度小于10 ns。CYCIAE-100要獲得MHz量級以上的重復(fù)頻率的脈沖束,這要求切割器的頻率非常高(1~8 MHz)而切割后的脈沖寬度非常窄(小于10 ns),即要獲得很高的切割電壓;由于已有的直流束流注入線空間非常有限,大大限制了切割器的尺寸,同時(shí)還需考慮切割器切割后的脈沖束的相位要與回旋加速器加速的相位嚴(yán)格匹配,這些都對切割器的研制提出了非常大的挑戰(zhàn)。本文對切割器的多個(gè)設(shè)計(jì)方案做了模擬對比,最后同時(shí)加工了兩套切割器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試比對,得到最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
為了獲得100 MeV能量的脈沖質(zhì)子束,中國原子能科學(xué)研究院從2007年就開始了基于強(qiáng)流脈沖化技術(shù)研究,并建立了基于強(qiáng)流回旋加速器綜合實(shí)驗(yàn)裝置(CRM)的脈沖化注入線實(shí)驗(yàn)裝置,通過該裝置,在低能注入線上獲得了能量為40 keV、重復(fù)頻率為4.4 MHz、脈沖寬度為9.6 ns的脈沖束[12-15]。100 MeV回旋加速器的高頻主頻率為44.8 MHz,聚束器的頻率采用相同頻率。束流切割器裝置安裝在低能注入線上,可將離子源產(chǎn)生的直流低能負(fù)氫束流進(jìn)行脈沖化,然后將脈沖化后的脈沖束傳輸?shù)交匦铀倨鬟M(jìn)行注入和加速。為了得到重復(fù)頻率為1~8 MHz之間的100 MeV脈沖質(zhì)子束,切割器的波形選擇為正弦波,頻率選擇為回旋加速器主頻率的16分頻,即2.8 MHz。則在一個(gè)掃描切割周期內(nèi),由于束流往程和回程二次掃過狹縫,因此一個(gè)掃描周期內(nèi)可產(chǎn)生兩個(gè)束流脈沖,即最終產(chǎn)生的低能脈沖束的重復(fù)頻率為5.6 MHz。
為了獲得足夠高的切割電壓,切割器的切割波形采用正弦波波形的技術(shù)方案。束流切割器裝置主要包括螺旋諧振器部分、切割板部分及選束狹縫等3部分。圖1為束流切割及選束示意圖,在切割板上施加高頻電壓,使脈沖寬度外的束流發(fā)生偏移,僅脈沖寬度內(nèi)的束流通過狹縫。使用正弦波時(shí),在一個(gè)掃描周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)束流脈沖,即頻率為f的切割器產(chǎn)生重復(fù)頻率2f的脈沖束。通過選擇合適的狹縫寬度,可得到所需脈沖寬度的脈沖束。當(dāng)切割器使用正弦波波形時(shí),所需要的切割電壓幅值Vm應(yīng)滿足關(guān)系:
(1)
其中:E0為粒子能量;dp為切割板長度;g為切割板的間隙;dL為切割板到狹縫之間的距離;b=r+a,a為狹縫處束流的半寬度,r為狹縫的半徑;τ為切割后的脈沖寬度;ω=2πf。
圖1 束流切割及選束示意圖Fig.1 Schematic diagram of beam chopping and beam selection
對于CYCIAE-100,離子源引出負(fù)氫直流束流能量為40 keV,最高流強(qiáng)為15 mA,加速器的高頻接受度為40°。參照文獻(xiàn)[12]和[16]的計(jì)算方法,綜合考慮離子源引出的束流尺寸、切割器的安裝位置及尺寸等方面的限制,最終切割器的切割板之間的間距g為3 cm,切割板長度dp選擇為10 cm,切割器與選束狹縫的距離dL選擇為50 cm。切割后的束團(tuán)長度最終控制在10 ns以內(nèi),則切割器的正弦波電壓幅值需6 kV[13]。為了盡可能獲得準(zhǔn)單圈引出后的脈沖束,需將加速的束流相寬從40°壓縮到12°以內(nèi)[11],這就要求切割器的正弦波電壓幅值需要提升到16 kV,其對2.8 MHz的切割器是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。
1) 切割器裝置的總體結(jié)構(gòu)
2.8 MHz切割器裝置總體結(jié)構(gòu)包括螺旋諧振器、切割板、選束狹縫等,如圖2所示。螺旋諧振器由功率饋入端口、耦合線圈、螺線管線圈、電容微調(diào)極板、屏蔽外殼、絕緣支撐固件等構(gòu)成,用于阻抗匹配和切割電壓建立,其電壓端通過傳輸線與束流切割器一個(gè)偏轉(zhuǎn)板相連,另一偏轉(zhuǎn)板接地。選束狹縫設(shè)計(jì)為開口較接近圓形的正方形開口,通過反向絲杠實(shí)現(xiàn)開口尺寸調(diào)節(jié)。螺旋諧振器由螺旋狀的內(nèi)導(dǎo)體和圓柱狀的屏蔽外殼構(gòu)成。其中,內(nèi)導(dǎo)體一端接地,另一端開路或接電容負(fù)載。螺旋諧振器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,抗電磁干擾能力強(qiáng),溫度系數(shù)可達(dá)2.5 ppm/℃。其既有常規(guī)集總參數(shù)器件尺寸小,又有同軸腔損耗小即Q值高的優(yōu)點(diǎn)[17],因此非常適合用在空間小、功率大、損耗低的場合。設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇合適的線圈、支撐骨架和屏蔽外殼材料,減小損耗,再根據(jù)品質(zhì)因數(shù)確定螺旋諧振器的體積。
圖2 束流切割器結(jié)構(gòu)及選束狹縫示意圖Fig.2 Structure diagram of beam chopper and beam selection slit
2) 螺旋形諧振器方案設(shè)計(jì)比較
由于100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的注入線空間非常狹小,而且要求的切割電壓要高于16 kV,則束流切割器的方案在結(jié)構(gòu)上盡量保證緊湊,體積不能過大,同時(shí)要將設(shè)備的整體功耗控制在可接受的范圍內(nèi)。根據(jù)物理計(jì)算需求,切割器裝置的束流切割板尺寸已固定,因此切割器裝置的設(shè)計(jì)核心是螺旋諧振器的方案。為此,提出4種不同規(guī)格的螺旋諧振器設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證,具體參數(shù)列于表1。另外,為了實(shí)現(xiàn)對螺旋諧振器頻率的調(diào)整,在螺旋諧振器高電壓端設(shè)計(jì)了頻率調(diào)節(jié)電容極板,通過微調(diào)極板位置的變化改變相應(yīng)的等效電容,從而實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。除此之外,在耦合線圈處加裝了伸縮桿,通過伸縮桿的前后移動實(shí)現(xiàn)耦合度的調(diào)節(jié)。
表1 螺旋諧振器設(shè)計(jì)方案Table 1 Design parameter of helical resonator
功耗一方面決定束流切割器的效率,另一方面決定了最終裝置的散熱方式及螺旋諧振器的冷卻結(jié)構(gòu)。因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)在保證切割器整體尺寸結(jié)構(gòu)相對較小的條件下盡量提高螺旋諧振器的Q值,降低設(shè)備的功率損耗。
(2)
其中,L為螺旋諧振器的電感,μH。
根據(jù)式(2)計(jì)算出等效并聯(lián)阻抗R,在此基礎(chǔ)上計(jì)算出在切割板上建立幅值10 kV的射頻電壓所需的功率。考慮到傳輸線的電感量較小,可予以忽略。螺旋諧振器的電感計(jì)算可利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到:
(3)
其中:Nc為線圈匝數(shù);D0為螺旋線圈(內(nèi))直徑,cm;L0為線圈修正系數(shù),其是與線圈長度和直徑有關(guān)的量。線圈修正系數(shù)L0曲線如圖3[18]所示,其中橫坐標(biāo)為線圈長度和線圈(內(nèi))直徑的比值m。
3) 模擬仿真分析
根據(jù)上述理論計(jì)算,針對方案1~4提出的4組設(shè)計(jì)參數(shù),分別通過CST Microwave studio軟件建立相應(yīng)的等效模型,并選擇合適的網(wǎng)格剖分精度,對模型進(jìn)行本征模求解,得到腔體仿真模型內(nèi)的電場分布,如圖4所示,螺旋諧振器右側(cè)為高電壓端,通過同軸傳輸線連接切割器一個(gè)電極,并在切割器兩電極之間建立切割電壓。
圖3 線圈修正系數(shù)L0曲線[18]Fig.3 Curve of coil correction factor L0[18]
圖4 束流切割器仿真模型及電場分布Fig.4 Simulation model and electric-field distribution of beam chopper
根據(jù)表1中設(shè)計(jì)方案1~4對屏蔽外殼尺寸、線圈導(dǎo)線直徑、線圈螺距、匝數(shù)(等效線圈匝數(shù)Neq取整或半圈)、無載品質(zhì)因數(shù)Q0、功耗P、等效并聯(lián)阻抗等參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的仿真計(jì)算,仿真結(jié)果列于表2。對于方案2、3、4,根據(jù)仿真結(jié)果分析可知,本征模仿真頻率和理論目標(biāo)頻率2.8 MHz已接近,故證明理論計(jì)算的螺旋諧振器尺寸等參數(shù)是可取且基本準(zhǔn)確。對于方案1,按照理論設(shè)計(jì)匝數(shù)37.5進(jìn)行仿真得出的頻率為2.942 MHz,偏離目標(biāo)值2.8 MHz稍大,這是剖分不夠精細(xì)導(dǎo)致。另外,針對方案1,在理論計(jì)算匝數(shù)的基礎(chǔ)上增加匝數(shù)為39.5和40的兩組仿真情況,仿真頻率結(jié)果分別為2.815 MHz和2.718 MHz。同時(shí)考慮到微調(diào)電容的設(shè)計(jì),等效電容的增大將導(dǎo)致諧振頻率下降,因此線圈匝數(shù)可繼續(xù)按理論值進(jìn)行繞制。根據(jù)切割板上電場分布,在仿真結(jié)果中對兩切割板間的電場進(jìn)行積分可得相應(yīng)切割板電壓,再將該電壓對應(yīng)的功率損耗折算成切割板加載12 kV的峰值電壓時(shí)的功耗,即為根據(jù)仿真結(jié)果最終得到的功耗。
表2 不同設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果Table 2 Simulation result of different design schemes
根據(jù)以上仿真結(jié)果并結(jié)合理論設(shè)計(jì)分析,不同設(shè)計(jì)方案因結(jié)構(gòu)尺寸的不同其Q值和功耗也不盡相同,尺寸越大功耗越小。切割板上加載正弦波電壓幅值為10 kV情況下,方案1的螺旋諧振器整體尺寸最小但是功耗最高為11.7 W;方案4的功耗最小,但尺寸較大。綜合考慮實(shí)際安裝過程及運(yùn)行時(shí)的功耗,首先考慮使用方案2中的參數(shù)對切割器進(jìn)行加工設(shè)計(jì),其中線圈導(dǎo)線選取壁厚為1.5 mm、直徑為8 mm的銅管繞制,這樣能降低線圈繞制過程中的難度和回彈。其次,按照方案1中的參數(shù)加工作為備用,其中線圈導(dǎo)線選取直徑為3 mm的銅線。
中國原子能科學(xué)研究院在基于強(qiáng)流脈沖化技術(shù)研究過程中建立了基于強(qiáng)流回旋加速器綜合實(shí)驗(yàn)裝置10 MeV中心區(qū)實(shí)驗(yàn)臺架(CRM)的脈沖化注入線實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置的狹縫是手動調(diào)節(jié)的兩個(gè)平行板。為了更好地將切割器切割后的脈沖束注入到回旋加速器中,則需將切割后的束流經(jīng)過選束狹縫后的橫截面選擇為接近圓形,同時(shí)還需增加遠(yuǎn)程控制裝置。為此,新卡束狹縫開口設(shè)置為直角開口形狀,通過擋片對束流阻擋實(shí)現(xiàn)脈沖寬度和粒子總數(shù)的選擇。選束狹縫主要由卡束擋片、驅(qū)動裝置、水冷回路、信號引出端子等構(gòu)成。其中,兩個(gè)卡束擋片呈90°開口組成正方形,前后緊貼安裝,通過反向絲杠前后移動的方式實(shí)現(xiàn)選束尺寸的調(diào)節(jié)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要為步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器,同時(shí)通過安裝在擋片上的位置反饋裝置,即直線電位器實(shí)現(xiàn)狹縫開口尺寸的閉環(huán)控制,控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。
圖5 選束狹縫控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of beam selection slit control system
針對選束狹縫的遠(yuǎn)程控制,使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)上位控制界面軟件的開發(fā),最終卡束擋板的前后運(yùn)動位置精度控制在±50 μm以內(nèi)。又由于兩個(gè)狹縫同步運(yùn)動,因此運(yùn)動控制過程是一致的。最終狹縫的直線行程為0~21.21 mm,對應(yīng)開口尺寸為0~30 mm。
根據(jù)仿真結(jié)果,螺旋諧振器結(jié)構(gòu)的最終尺寸定為766 mm×483 mm×483 mm,采用φ8 mm的銅管繞制,線圈繞制25圈。束流切割器裝置經(jīng)仿真計(jì)算的Q值為2 241,功耗為5.65 W,無需水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。功率源采用1~3 MHz的500 W固態(tài)功率源。在切割器加工完成后,分別進(jìn)行冷測和熱測實(shí)驗(yàn),對切割器的頻率匹配、功率饋入等進(jìn)行了測試。首先使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量諧振器S11參數(shù),通過微調(diào)諧振器側(cè)面的微調(diào)電容極板到螺旋線圈的距離改變分布電容的大小,得到所需諧振頻率,并通過拉桿調(diào)節(jié)耦合線圈和螺線管線圈間的距離降低回波損耗。螺旋諧振器的品質(zhì)因數(shù)與其體積、材料、介質(zhì)損耗、制造工藝等有關(guān)。在一定體積的條件下,腔體品質(zhì)因數(shù)的提高依賴于工藝制造水平。根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn),通過腔體開縫工藝、腔體電拋光工藝和螺旋腔內(nèi)導(dǎo)體接地工藝的改進(jìn),有效地保證了比較高的螺旋諧振器無載品質(zhì)因數(shù)。最終測得諧振器頻率為2.8 MHz,回波損耗為-25.336 dB,螺旋諧振器S11參數(shù)測試結(jié)果如圖6所示。
圖6 螺旋諧振器S11參數(shù)測試Fig.6 S11 parameter of helical resonator
圖7 切割器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of chopper test system
冷測完成后,將切割器安裝在100 MeV強(qiáng)流回旋加速器的低能注入線上,進(jìn)行阻抗匹配、頻率調(diào)整和功率加載測試。切割器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示,基準(zhǔn)信號源采用加速器高頻同頻率信號44.812 5 MHz,其中一路基準(zhǔn)信號經(jīng)分頻器進(jìn)行16分頻,并經(jīng)功率放大器后加載到螺旋諧振器;基準(zhǔn)信號源的另外一路經(jīng)過0°~360°移相器后,作為高頻系統(tǒng)的驅(qū)動信號進(jìn)入低電平控制系統(tǒng)。該移相器用于切割器高頻與加速器高頻系統(tǒng)的相位微調(diào),而大范圍的調(diào)整通過改變信號線長實(shí)現(xiàn)。束流切割器安裝在加速器主體下方的束流線上,最后通過示波器及頻譜儀測量加速器外靶上的束流信號。
切割器最終測試結(jié)果列于表3。根據(jù)測試和計(jì)算,切割器的等效阻抗約為2.59 MΩ,則切割器建立6 kVp電壓,其功耗僅為6.95 W,略大于仿真計(jì)算值,無需外加水冷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示螺旋諧振器取樣信號幅值為1.00 Vpp時(shí),切割板上加載功率為17.70 W,加載切割板上的電壓約為10 kV。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明,在CYCIAE-100實(shí)驗(yàn)終端上測到了能量為100 MeV脈沖質(zhì)子束,通過頻譜儀測得脈沖束重復(fù)頻率為5.6 MHz,與理論分析的預(yù)期和模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。
表3 切割器最終測試結(jié)果Table 3 Final test result of beam chopper
為了進(jìn)行束流脈沖化技術(shù)研究,中國原子能科學(xué)研究院研制了一套基于CYCIAE-100的束流切割器裝置。本文介紹了束流切割器裝置的組成結(jié)構(gòu)、理論設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真及實(shí)驗(yàn)調(diào)試。研制的束流切割器裝置主要包括螺旋諧振器、束流切割板、選束狹縫等。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊體積小、Q值相對較高的螺旋諧振器、加載切割電壓較高且功率損耗低、無需水冷等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)調(diào)試獲得了重復(fù)頻率為5.6 MHz、能量為100 MeV的脈沖質(zhì)子束,為開展100 MeV能區(qū)的重復(fù)頻率在MHz量級的核數(shù)據(jù)測試奠定了基礎(chǔ)。目前脈沖化實(shí)驗(yàn)使用的信號波形為正弦波,為了繼續(xù)對束流脈沖化進(jìn)行研究,考慮將來采取方波的脈沖化實(shí)驗(yàn)和測試。