CSRe分子离子研究装置低能传输线物理设计

严晓军，姚泽恩,*，夏佳文，张小虎，张金泉，杨建成，卢小龙

(1.兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000；

2.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000)

分子离子的复合离解是星云和天体分子形成的基本过程，广泛存在于恒星、地球、行星及其卫星的电离层和大气层中。对分子离子复合离解的研究，可有效获取天体形成和演化的重要科学信息。为研究分子离子的复合离解过程，需建立分子离子研究装置。

重离子冷却储存环由于具有独特的电子-离子共线布局，是研究分子离子复合离解的强有力工具。目前国际上具有分子离子束线的重离子冷却储存环有3个——丹麦的ASTRID环、瑞典的CRYRING环和德国的TSR环，这3个环的磁刚度在1.4～1.5 T·m范围，利用这3个装置已在化学、天体物理、大气物理和等离子体物理方面开展了一系列与分子离子复合离解相关的研究[1-6]。但由于这3个装置磁刚度偏低，无法对质量数A高于70的分子离子进行注入及储存。

中国科学院近代物理研究所重离子冷却储存实验环CSRe的周长为128.8 m，磁刚度为9.4 T·m[7]，适合对高质量数的分子离子进行储存和研究。若为CSRe建一条分子离子注入线，将CSRe改造成分子离子复合解离的研究装置(molecular ion dissociative recombination research facility，MIRF)，将能对质量数高于70的分子离子开展相关研究，这将使CSRe成为世界上分子离子研究的重要实验装置。

基于在中国科学院近代物理研究所CSRe上建立分子离子注入线的研究任务，本文进行CSRe分子离子研究装置低能传输线(LEBT)的物理设计。

1 CSRe分子离子研究装置总体设计方案

图1为CSRe分子离子研究装置结构示意图，即在现有的CSRe上建一条分子离子注入线，使离子源引出的分子离子束经过以倍压型高压加速器为主的低能传输线和以RFQ加速器为主的中能传输线注入到CSRe中。CSRe的详细结构见文献[8]。离子源引出的分子离子束流能量为20 keV，由150 kV倍压型高压加速器将束流能量提高到170 keV，经第1组三单元四极透镜聚焦并由双聚焦分析磁铁分离出所需的分子离子束后，由第2组三单元四极透镜对束流聚焦匹配注入RFQ中，并由RFQ加速器将束流能量加速到3 MeV后注入CSRe。

1——高压电极；2——离子源；3——加速管；4——第1组三单元四极透镜；5——分析磁铁；6——分析狭缝及束流诊断系统；7——第2组三单元四极透镜；8——RFQ

本文主要是设计RFQ加速器前的低能传输线，要求经过低能传输线获得的分析束流在RFQ入口处的束斑半径小于0.4 cm，Twiss参数约为α=0.5、β=10 cm/rad。

2 分子离子研究装置低能传输线整体设计

分子离子研究装置低能传输线主要由150 kV倍压型高压加速器、第1组三单元四极透镜、90°双聚焦分析磁铁、束流诊断系统、第2组三单元四极透镜等元件组成。通过Trace-3D和Beampath程序对低能传输线中的束流包络模拟确定各元件的设计参数。分子离子研究装置的离子源采用瑞典Manne Siegbahn实验室的分子离子源[9]，参考其引出的束流品质数据，在传输线模拟设计时离子源初始参数取值为：能量Ek=20 keV，发射度ε=105 πmm·mrad，α=-0.5，β=15 cm/rad。此外，CSRe分子离子研究装置的设计目标是开展质量数为70～150的分子离子相关研究，故在模拟时以质量数上限为150的分子离子作为参考离子。

模拟得到的分子离子研究装置低能传输线的束流包络如图2所示。由图2可得出，150 kV倍压型高压加速器的加速管具有较好的聚焦性能，加速管出口的束斑半径约0.75 cm；在距90°双聚焦分析磁铁出口约69 cm的焦平面上，x方向束流包络半径约为0.3 cm，这有利于在此处设置狭缝光阑以分析所需质量数的分子离子，束流经第2组三单元四极透镜聚焦后，在距其出口约32 cm处形成束腰，其束流包络半径约0.18 cm，α=0.3，β=8 cm/rad，满足RFQ注入条件，此处可设置为RFQ入口。

1——高压加速器；2——第1组三单元四极透镜；3——分析磁铁；4——分析狭缝；5——第2组三单元四极透镜；6——RFQ入口

3 低能传输线各元件设计

3.1 150 kV倍压型高压加速器

150 kV倍压型高压加速器的结构如图3所示，其由高压电极、分子离子源、加速管、离子源电源隔离供电系统、环氧绝缘支撑柱、150 kV倍压型高压电源等组成。其中，高压电极与地电极间的绝缘高度为60 cm。加速管由4个绝缘瓷环和相应的均压环及两间隙加速电极组成，通过均压电阻将150 kV高压平均分配在均压环上，环与环之间的电位差为37.5 kV。

采用Poisson/Superfish软件对高压加速器的电场进行模拟，图4为模拟得到的关键部件加速管内的空间电场等位面分布，模拟结果显示：1) 处在大气中的加速管高压电极最大电场强度约为6.25 kV/cm，远低于大气击穿电场强度30 kV/cm的限值；2) 加速管内为高真空区域，该区域内的最大电场强度约为25 kV/cm，远低于高真空击穿电场强度100 kV/cm的限值。加速管加速区轴线上的电场强度分布如图5所示。从图5可知，电场有效加速长度约30 cm，最大加速电场强度约12 kV/cm。图2中的束流包络显示出此加速场对高质量数的分子离子束具有较强的聚焦性能，能保证束流被加速并以较小的包络传输出加速管。此外，在加速管出口处设置了-1 000 V电位的圆筒型电极作为电子抑制电极，用来抑制高压加速器外的次级电子进入加速管被反向加速。

1——高压电极；2——分子离子源；3——离子源引出电极；4——加速管；5——电子抑制电极；6——地电极；7——隔离变压器环氧绝缘筒；8——环氧绝缘支撑柱

图4 高压加速管内电场等位面分布

3.2 三单元四极透镜

通过束流包络的模拟，设计的两组三单元四极透镜的结构示意图如图6所示。

第1组三单元四极透镜位于分析磁铁前，其主要功能是实现分析磁铁的注入匹配，透镜的内切圆半径为5.5 cm，第1单元透镜宽度为25 cm，安匝数为5 108；第2单元透镜宽度为30 cm，安匝数为6 484；第3单元透镜宽度为25 cm，安匝数为3 536。三单元透镜之间的间距为12 cm。

图5 加速区轴线电场强度分布

1——第1单元透镜；2——第2单元透镜；3——第3单元透镜；4——线包；5——束流管道

第2组三单元四极透镜位于分析狭缝后，其主要功能是实现RFQ的注入匹配，透镜内切圆半径为5.5 cm，此三单元四极透镜的第1单元透镜宽度为30 cm，安匝数为5 344；第2单元透镜宽度为40 cm，安匝数为6 525；第3单元透镜宽度为30 cm，安匝数为5 890。三单元透镜之间的间距为15 cm。

为保证有足够的调节量，在三单元四极透镜加工时安匝数可统一取为7 000。

3.3 分析磁铁

以质量数上限为150的分子离子为参考离子，通过束流传输的模拟，设计的双聚焦分析磁铁参数如下：曲率半径为150 cm，偏转角为90°，入口和出口的旋转角均为24°，磁间隙为10 cm，分析磁铁磁间隙的磁感应强度为0.869 54 T。

参考离子质荷比为150，由分子离子源引出并经高压加速器加速后的混合束中存在质荷比接近的其他离子束，要求所设计的分析磁铁有高的质量分辨。为考察所设计的分析磁铁的分辨率，采用Beampath程序模拟了电荷态为+1，质量数为149、150、151的3种混合分子离子束在分析磁铁中的传输状态，给出了分析磁铁后狭缝光阑处(z=69 cm处)3种离子的实空间分布及(x，px)相平面和(y，py)相平面上的相图(p为相空间物理量，无单位)，结果分别如图7、8所示。

图7 分析狭缝处3种离子的束斑

图8 分析狭缝处3种离子的相空间分布

由图7中的实空间离子分布可看出，在z=69 cm处，质量数为149、150、151的3种离子束斑半径约为0.3 cm，束斑中心间距约为0.9 cm，3种分子离子束明显分离，当x方向狭缝光阑宽度取0.8 cm时，即能从混合束中分离出A=150的分子离子束。图8显示，狭缝光阑处A=150的分子离子束在(x，px)相平面x方向上形成束腰，A=149的分子离子束处于散焦状态，A=151的分子离子束处于聚焦状态，因此，此处适合安装狭缝光阑。3种分子离子束在(y，py)相平面重合，即3种分子离子束在管道y方向均处于聚焦状态。由上述分析可看出，设计的分析磁铁对质量数为150左右的混合束有足够的质量分辨，对质量数小于150的混合分子离子束将具有更高的质量分辨率。

4 结论

通过束流传输的模拟，完成了分子离子研究装置低能传输线的物理设计，给出了各元件设计方案和参数：1) 对倍压型高压电场的模拟显示，所设计的倍压型高压加速器的各关键区域电场强度均远低于击穿电场强度，加速区电场对分子离子束具有较强的聚焦效应，保证了束流的加速和传输；2) 束流包络模拟显示，所设计的第1组三单元四极透镜达到了分析磁铁的注入匹配要求，分析磁铁具有足够的质量分辨；3) 束流经第2组三单元四极透镜聚焦后，在距其出口约32 cm处形成了束腰，束包络半径约0.18 cm，α=0.3，β=8 cm/rad，满足RFQ注入条件。下一步将开展以RFQ直线加速器为主的中能传输线的设计，以实现CSRe的注入匹配。

参考文献：

[1] GEPPERT W D, LARSSON M. Dissociative recombination in the interstellar medium and planetary ionospheres[J]. Molecular Physics, 2008, 106(16-18): 2 199-2 226.

[2] FLORESCU-MITCHELL A I, MITCHELL J B A. Dissociative recombination[J]. Phys Rep, 2006, 430: 277-374.

[3] ADAMS N G, POTERYA V, BABCOCK L M. Electron molecular ion recombination: Product excitation and fragmentation[J]. Mass Spectrom Rev, 2006, 25(8): 798-828.

[4] THOMAS R D. When electrons meet molecular ions and what happens next: Dissociative recombination from interstellar molecular clouds to internal combustion engines[J]. Mass Spectrom Rev, 2008, 27(5): 485-530.

[5] LARSSON M, OREL A E. Dissociative recombination of molecular ions[M]. New York: Cambridge University Press, 2008: 315-320.

[6] GEPPERT W D, THOMAS R, SEMANIAK J, et al. Dissociative recombination of N2H+: Evidence for fracture of N-N bond[J]. Astrophys J, 2004, 609: 459-464.

[7] XIA J W, ZHAN W L, WEI B W, et al. The heavy ion cooler-storage-ring project (HIRFL-CSR) at Lanzhou[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res A, 2002, 488: 11-25.

[8] 夏佳文，詹文龙，魏宝文，等. 兰州重离子冷却储存环工程[J]. 原子核物理评论，2001，18(1)：35-38.

XIA Jiawen, ZHAN Wenlong, WEI Baowen, et al. Heavy ion ring project in Lanzhou[J]. Nuclear Physics Review, 2001, 18(1): 35-38(in Chinese).

[9] 蔡晓红，于得洋，杨建成，等. 利用HIRFL-CSR开展分子离子复合离解研究的可行性分析[J]. 原子核物理评论，2010，27(2)：164-169.

CAI Xiaohong, YU Deyang, YANG Jiancheng, et al. Feasibility analysis of studying dissociative recombination processes of molecular ions at HIRFL-CSR[J]. Nuclear Physics Review, 2010, 27(2): 164-169(in Chinese).