HI-13串列加速器重离子辐照束流线的物理设计

朱 飞 彭朝华 胡跃明 焦学胜 陈东风 曹亚丽

1（中国原子能科学研究院核物理研究所 北京 102413）

2（环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082）

HI-13串列加速器重离子辐照束流线的物理设计

朱 飞1彭朝华1胡跃明1焦学胜1陈东风1曹亚丽2

1（中国原子能科学研究院核物理研究所 北京 102413）

2（环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082）

重离子微孔膜是一种新型的过滤材料，其在医疗和生物制剂、电子工业、食品工业、环境科学、材料科学等领域有广泛的应用前景。应用中国原子能科学研究院HI-13串列加速器提供的32S辐照聚酯薄膜研制微孔膜，其微孔均匀度由束流流强的均匀度决定，要求得到微孔均匀度好于90%。本文采用八极磁铁校正法对高斯分布束流进行校正，校正后的束流可近似得到均匀分布。设计计算了辐照束流线光路参数，并分析了光学元件安装准直公差对束流均匀度的影响。结果表明，安装准直公差会对束流中心轨迹偏移造成很大影响，破坏辐照均匀度，运用导向磁铁调束可以满足均匀度要求。本研究为重离子微孔滤膜的工业化生产提供了一种实践可行的方法，具有很好的实用性。

微孔膜，八极磁铁，束流均匀度

重离子微孔膜是上世纪70年代发展起来的技术，利用加速器加速的单能重离子束辐照聚酯(PC/PET)膜材，沿离子的轨迹造成辐射损伤，损伤区域经化学蚀刻后，生成穿透的微孔，孔的数量和孔形分别由照射剂量和蚀刻条件控制[1]。在生产工艺中，束流辐照均匀度是产品成品率和质量的关键。

现有辐照装置采用的是散焦辐照技术[2]和扫描辐照技术[3]。散焦辐照技术采用的是双单元磁四极透镜在Y方向上对束流进行连续两次散焦，将束流大面积展开，但展开后的束流仍为高斯分布，辐照均匀度达不到较高要求。扫描辐照技术采用的是二维电磁扫描法将束流展开，由于靶膜有传动速度，此种方式对辐照均匀度的稳定性难以控制，且容易出现明暗相间的斑马条纹。针对以上两种辐照方式的不足，新的辐照技术采用八极磁铁校正法，利用八极磁铁对高阶相差的校正作用把具有高斯分布的束流校正成近似均匀分布的束流，极大提高了束流的均匀性。辐照采用能量为140 MeV的32S12+离子，要求辐照宽度为500 mm，束流均匀度好于90%。

1 八极磁铁校正法原理

八极磁铁原理图如图1所示。N、S为八极磁铁的八块磁极，其围绕中心原点交替对称放置，图中实心箭头指向为磁场强度方向，空心箭头指向为受力方向。通过受力分析可以看出，八极磁铁对束流的校正作用是通过磁场力将束流中心部分向两边推，束流两端则受到向中心挤的磁场力；通过调节磁场强度，可将成高斯分布束流近似地校准成均匀分布，从而达到束流均匀化的目的。

图1 八极磁铁原理图Fig.1 Schematic diagram of octupole magnet.

2 八极磁铁校正法束流线光路设计

在辐照过程中，聚酯膜材是沿X向以一定速率传动，其辐照均匀度由Y向束流强度分布决定，则只需一块八极磁铁对Y向上束流分布进行校正。光路的起点为串列加速器束流线上分析磁铁的物点，束流依次经过1组双单元磁四极透镜、开关磁铁、一组双单元磁四极透镜、磁四极透镜，最后用八极磁铁校正打在靶上。其中磁四极透镜，八极磁铁位于串列碉堡区外的实验大厅中，束流初始发射度为1.5 mm×2 mrad。采用了八极磁铁的重离子辐照束流线布局如图2所示。

其中KP1为分析磁铁像点，KP2为束流成腰点，KP3为束流束斑最小点，KP4为八极磁铁中心点。

应用八极磁铁对Y向束流进行校正时，在八极磁铁中心处希望束流Y向包络较大且X向包络尽量小。为此，在八极磁铁前部安装一块磁四极透镜Q3，其原理见图3。

图2 采用八极磁铁重离子辐照束流线布局Fig.2 Layout of heavy ion irradiation beam line with octupole magnet.

图3 四极磁铁原理图Fig.3 Schematic diagram ofquadrupole magnet.

图中实心箭头指向为磁场强度方向，空心箭头指向为受力方向。通过受力分析可以看出，四极透镜Q3是对束流Y向散焦X向聚焦，使得八极磁铁可以较好地对束流进行校正。应用TRANSPORT束流光学计算软件得出光路束流包络如图4所示。

通过调节四极透镜Q3、八极磁铁场强及束流从八极磁铁到靶膜终端的漂移段距离，可得到满足设计要求的束斑大小。光路参数见表1。

图4 光路束流包络图Fig.4 Beam envelope.

表1 光路参数Table1 Main parameters of beam line.

图5给出了有无八极磁铁时靶上的束流分布。由图5，八极磁铁对束流的校正作用明显，高斯分布束流近似变为均匀分布，极大地提高了束流均匀度。在图5(b)中束流分布两端凸起处，可用光阑加在辐照窗前挡去，光阑开口宽度为500 mm(图6)。

图5 靶上束流分布(a)无八极磁铁(b)有八极磁铁Fig.5 Beam distribution on target (a) without octupole magnet (b) with octupole magnet.

光阑加入会损失掉一部分束流，使得束流的分布宽度变窄。因此在设计时，通过调节磁场强度将束流分布宽度略大于设计宽度，才能满足设计要求。

图6 有光阑时束流分布图Fig.6 Beam distribution with diaphragm.

3 公差分析

由八极磁铁原理结构图中可以看出，八极磁铁的八块磁极是围绕中心原点对称分布的，其产生的磁场也为对称分布。八极磁铁中心原点处即为束流轨迹中心。因此，在使用八极磁铁对束流进行校正时，束流中心轨迹必须与八极磁铁中心原点严格重合，才能保证磁场力对束流对称校正。当出现轨迹偏差，校正后的束流分布将产生畸变，此时很难保证束流均匀度(图7)。

图7 束流分布畸变图Fig.7 Distortion of beam distribution.

根据设计要求，将在开关磁铁后端束流线上加装一组双单元磁四极透镜Q2，一个磁四极透镜Q3和一个八极磁铁，任何一个光学元件都存在安装公差，这将导致束流中心轨迹的偏移。公差包括5个方面：即水平平面的平移、竖直平面的平移、水平平面的倾斜、竖直平面的倾斜和围绕纵轴的旋转。就公差种类来说，除了围绕纵轴的旋转公差之外，其他公差在一级近似下都只影响束流的中心轨迹，而不影响束流的包络和成腰位置。而旋转公差则造成束包络的变化，同时还造成中心轨迹的偏移[4]。

在实际设计中，靶膜是沿X方向移动，四极透镜和八极磁铁的纵向旋转公差主要影响对束流的聚散焦和校正能力，对束流均匀度影响较小。在八极磁铁中心处，当束流中心轨迹出现竖直平面平移(y)倾斜(y')公差时，会对束流均匀度产生很大影响，通过调节四极透镜Q3及八极磁铁场强可以对束流均匀度进行修正。但此种调束方式其范围有限，在磁铁场强调至极限情况下，且束流均匀度需满足好于90%的设计要求，即不均匀度要控制在±5%之内时，运用Turtle束流光学计算软件模拟可以得出束流中心轨迹在八极磁铁中心处允许偏离极限值。采用数据与其均值的绝对偏差的平均值来定义靶上束流分布的不均匀度：

图8为模拟公差散点分布图。边界公差点所引起的不均匀度为±5%，只要公差点落在此封闭区域内，其所引起的不均匀度可通过调节磁场强度使得束流分布满足设计要求。

图8 公差分布图Fig.8 Tolerance distribution.

由图8，封闭区域为一近似平行四边形，当y、y'异号时，公差范围较广；当y、y'同号时，公差范围较窄；当y、y'同号满足要求时，y、y'异号也必将满足要求。其中y、y'同号是指平移倾斜公差为同向，y、y'异号是指平移倾斜公差为反向。现取y、y'同号时进行公差分析。束流中心在八极磁铁处的偏移是由三个光学元件的安装公差造成，每个光学元件的影响因子不一。运用Turtle束流光学计算软件来探测光学元件安装公差对束流中心轨迹偏移影响，经分析双单元四极透镜Q2公差Y、Y'在八极磁铁中心处对束流中心轨迹偏差贡献约为10倍和4倍关系；四极透镜Q3公差Y、Y'在八极磁铁中心处对束流中心轨迹偏差贡献约为2倍和1.25倍关系；八极磁铁公差Y、Y'对束流中心轨迹偏差贡献均为1倍关系。对影响因子进行加权计算，则换算至每个光学元件上其公差应当控制在Y=y/13和Y'=y'/6.25之内。取平行四边形第一象限散点做线性拟合，其大致满足直线方程y=-2.5(x-4)，现取直线上各点作为计算值，计算结果见表2。

表2 公差计算Table2 Tolerance calculation.

计算结果表明，取不同极点进行公差分配，对光学元件安装公差要求不一。若希望Y向偏移安装余量较大，则Y向倾斜安装余量必然较小，反之亦然。由计算结果可知，对安装精度要求较高且考虑到如机械振动，磁极电流波动，磁极加工公差等因素都会对束流均匀度产生影响，故整体安装余量较小。此外束流中心轨迹偏移会导致束流利用率降低较多，因此可在双单元四极透镜Q2和四极透镜Q3之间安装Y向导向磁铁，用于调节束流在八极磁铁处的位置和角度偏差。

导向磁铁由两个小的二极磁铁构成，两个二极磁铁的磁场方向和大小均可任意调节，通过调节磁场的方向和大小，对偏离的束流中心轨迹进行修正。两个二极磁铁有效长度均为100 mm，磁铁间距离为100 mm，磁间隙为40 mm，最大场强为2 kG时，调节范围约为y=±5.5 mm，y'=±20 mrad，场强越大调节范围越广。

4 结语

利用八极磁铁校正法将本是高斯分布的束流校正成近似均匀分布束流，通过分析论证，八极磁铁对束流校正作用明显，校正后的束流可以达到对辐照生产重离子微孔膜的产品要求，且极大地提高了束流均匀度及束流利用率，有效地降低了生产成本。但八极磁铁校正法对束流中心轨迹偏移公差较为严格，运用导向磁铁调束可以满足设计要求。

1 郭洪英, 黄正德. 离子微孔膜的研究及应用[J]. 核技术, 2002, 25(7): 559-564

GUO Hongying, HUANG Zhengde. A study on ion microporus membrane and its application[J]. Nuclear Techniques, 2002, 25(7): 559-564

2 秦久昌, 张桂莲, 崔心炜, 等. HI-13串列加速器核孔膜辐照专用束流线的研制[J].原子能科学技术, 2000, 34(6): 550-552

QIN Jiuchang, ZHANG Guilian, CUI Xinwei, et al. Development of the special beam line at HI-13 tandem accelerator for irradiation of nuclear track membrance[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2000, 34(6): 550-552

3 张灿哲, 侯德义, 张桂莲, 等. HI-13串列加速器重离子扫描辐照装置[J]. 原子能科学技术, 1997, 31(5): 390-394

ZHANG Canzhe, HOU Deyi, ZHANG Guilian, et al. An irradiation system with heavy ion scanning at HI-13 tandem accelerator[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1997, 31(5): 390-394

4 关遐令. 串列加速器光学元件线性准直公差特性分析[R]. 北京: 中国原子能科学研究院, 1985

GUAN Xialing. Analysis of tandem accelerator optics linear alignment tolerance characteristics[R]. Beijing: China Institute of Atomic Energy, 1985

CLCTL52

Physics design of heavy-ion irradiation beam line on HI-13 tandem accelerator

ZHU Fei1PENG Zhaohua1HU Yueming1JIAO Xuesheng1CHEN Dongfeng1CAO Yali2
1(Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection of China, Beijing 100082, China)

Background: Heavy-ion microporous membrane is a new kind of filter material, which has prosperous application in the fields of medical and biological agents, electronic, food, environmental science, materials science, etc. Purpose: Polyester membranes were irradiated with32S produced by HI-13 tandem accelerator to develop a microporous membrane at CIAE, and the irradiation uniformity is determined by the beam distribution, also the microporous uniformity is required higher than 90%. Methods: An octupole magnet was used to correct the beam distribution from Gauss to uniform. Meanwhile, main parameters of beam line were given, and the alignment tolerances for optical elements were also analyzed. Results: Alignment tolerance of the optical elements could cause great influence on the beam center deviation in the process of correction, which would destroy the irradiation uniformity. Steering magnet was applied to meet with the design requirements. Conclusion: This study provides a practical and feasible way for industrial production of heavy-ion microporous membrane.

Microporous membrane, Octupole magnet, Beam uniformity

TL52

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.020204

朱飞，男，1988年出生，2010年毕业于南华大学，现为南华大学硕士研究生，研究领域：粒子加速器束流光学

曹亚丽，E-mail: cyljjf@gmail.com

2013-11-11，

2013-12-03