高能大功率电子辐照加速器270°偏转光路设计

李金海，王思力，刘保杰（中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413）

高能大功率电子辐照加速器270°偏转光路设计

李金海，王思力，刘保杰
（中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京 102413）

摘要：为实现高能大功率电子辐照加速器的一机多用目的，需研制270°偏转光路支线。本文采用Trace3D程序对270°偏转光路进行了设计与模拟计算，设计了双135°偏转磁铁和整体270°偏转磁铁。对双135°和整体270°两种偏转磁铁元件进行二维和三维电磁场设计与模拟计算，计算结果表明，整体270°偏转磁铁的场分布与光路设计中所要求的物理参数差距较大。由于整体270°偏转磁铁的场分布调整较困难，使工程实施中的束流调试难度较大，因此采用双135°偏转磁铁的光路方案。

关键词：高能大功率电子辐照加速器；束流光路；消色散；135°偏转磁铁；整体270°偏转磁铁

［2014］112号）

高能大功率电子辐照加速器广泛应用于工业、农业、医疗、卫生、环保等领域，被誉为绿色加工装置，是符合可持续发展要求的理想辐射源，是辐射加工产业发展的必然趋势［1－5］。其产生的射线具有可控、能量高、辐照时间短、无核废物、不会残留放射性物质、不危害环境等特点。高能大功率电子辐照加速器的运行参数一般为10 MeV电子能量和10kW以上束流功率。

为了充分利用高能大功率电子辐照加速器装置，很多用户会要求实现一机多用的目的，这就需研制不同的电子束流应用支线，其中的关键部件是270°偏转磁铁。国际上很多医用加速器装置采用了270°偏转方案，包括整体270°偏转磁铁方案、3个偏转磁铁方案、近180°偏转加近90°偏转方案等［6］。李泉凤等［7－10］对医用加速器的整体270°偏转磁铁做过相关研究。高能大功率电子辐照加速器270°偏转支线的设计需考虑到系统复杂度和实现难度等因素，整体270°磁铁结构紧凑，而双135°偏转磁铁夹四极透镜的实现难度低，因此本文对这两个方案进行设计和模拟计算，比较两个方案的可行性。

1　光路设计模拟

图1　 高能大功率电子辐照加速器结构Fig．1 Structure of high power electronirradiation accelerator

高能大功率电子辐照加速器结构如图1所示，电子束除需常规的下方扫描辐照，还需将束流偏转270°，将垂直传输的束流变为水平传输的束流以进行其他应用。光路设计的要求有3点：1）需实现不同能量的电子束270°偏转；2）需实现消色差的效果，即避免因电子束团的能散导致偏转后的束斑扩大；3）光路末端束斑满足用户需求，并可根据需要调整。光路的模拟计算采用Trace3D程序。

首先针对不同能量和不同光路方案进行光路的设计与计算，图2为整体270°磁铁的不同能量的光路束流包络，磁铁中间为梯度偏转场，两边为均匀偏转场，中心线上方的包络线是束流偏转平面上的，中心线下方的是垂直束流偏转平面上的包络线。计算了5%和10%两种束流能散的情况，可发现，包络仅在偏转磁铁区域不同，其他区域是相同的，即光路是消色散的。光路末端靶点直径为1mm左右，即光路基本可满足要求。

图2　 整体270°磁铁6MeV（a）、8MeV（b）、10MeV（c）光路束流包络Fig．2 6MeV（a），8MeV（b）and 10MeV（c）beam envelopes of 270°bend magnet

图3为双135°偏转磁铁夹四极透镜的光路束流包络，其偏转区域的包络更大，有利于能量准直。光路末端靶点直径亦为1mm左右。

2　偏转磁铁设计模拟

本文设计的整体270°偏转磁铁参数如下：偏转半径，60mm；磁极间隙，14mm／24mm；总偏转角度，270°；梯度场区偏转角度，48°；梯度场区场指数，1．16；出入口边缘角，25°；偏转磁铁区内径，40mm；偏转磁铁区外径，85mm；12MeV电子偏转所需磁场，0．7T。模拟计算了两个磁极间隙的场分布情况，磁极间隙分别为14mm和24mm。根据图2的计算结果，其垂直束流偏转平面上的束流包络最大为5mm，磁铁间隙至少是最大包络的2倍，考虑到安装空间和真空盒的厚度，磁铁间隙设为14mm。由于电子束流的流强很大，其实际包络一般会大于5mm，为提高工程设计的冗余度，磁铁间隙增加到24mm。

图3　 双135°偏转磁铁夹四极透镜6MeV（a）、8MeV（b）、10MeV（c）光路束流包络Fig．3 6MeV（a），8MeV（b）and 10MeV（c）beam envelopes of double 135°bend magnet with clamped quadruple

图4　 梯度场区场分布Fig．4 Field distribution of gradient field

磁场分布的模拟计算首先采用二维场计算程序POISSON对梯度偏转场区进行设计与计算，所得场分布如图4所示，可看出，其模拟计算的曲线与理论要求的设计曲线非常接近。由于整体270°磁铁同时存在均匀偏转场区的梯度偏转场区，需对其三维场分布进行模拟计算，其三维建模及三维场分布如图5、6所示。

图5　 整体270°磁铁三维建模Fig．5 Three－dimentional mode of 270°bend magnet

图6　 整体270°磁铁三维磁场分布Fig．6 Three－dimentional magnetic field distribution of 270°bend magnet

整体270°偏转磁铁的参考离子运动轨道半径为60mm，在半径为70mm和50mm的圆周轨道上的一维场分布如图7所示。可看出，在均匀场区和梯度场区之间存在一过渡区域，这种过渡区域是很难避免的，因为真实的物理场分布曲线必须是可导的。在图2中的光路计算中，假定了均匀场区和梯度场区之间是台阶跃变的，因此模拟计算的场分布不能完全满足光路设计的要求。尤其是24mm大间隙磁铁的场分布，其过渡场区较14mm小间隙磁铁的大20°的范围。

图7　 半径为70mm（a）和50mm（b）的圆周轨道上的一维场分布Fig．7 One－dimensional field distribution along circles of R＝70mm（a）and R＝50mm（b）

文献［10］对整体270°偏转磁铁出入口的边缘场问题进行了研究，而对于磁铁内部均匀场与梯度场之间过渡区的问题，尚未见报道。对于高能大功率电子辐照加速器，小间隙磁铁易引起束流损失，因此工程上希望采用大间隙的偏转磁铁，而大间隙磁铁的场分布严重恶化，目前尚无成熟的软件对这种过渡区对粒子动力学的影响进行研究。因此，270°整体偏转磁铁在高能大功率电子加速器工程实施过程中存在很大的风险，所以采用双135°偏转磁铁夹四极透镜的光路方案可行性更高。

本工作设计的双135°偏转磁铁参数如下：磁极间距，100 mm；偏转半径，200 mm；12MeV偏转所需磁感应强度，0．21T；线包厚度，52mm；线包长度，403mm；出入口边缘角，0°。其三维磁场计算结果如图8、9所示。图9中的场分布存在磁场的边缘场区问题，此问题与图7中的过渡场区不同，因为边缘场区的磁场虽逐渐降低，但其平行磁铁边缘方向上的磁场基本是均匀的；而过渡场区的场分布是从均匀场区过渡到梯度场区，其磁场指数沿粒子运动轨迹是变化的，因此其对束流动力学的影响更为复杂。双135°偏转磁铁夹四极透镜方案的元件三维布局如图10所示。

图8　 双135°磁铁三维磁场分布Fig．8 Three－dimentional magnetic field distributionof double 135°bend magnet

图9　 双135°磁铁参考轨道场分布Fig．9 Field distribution along reference orbit of double 135°bend magnet

图10　 双135°偏转磁铁夹四极透镜的元件三维布局Fig．10 Arrangement of double 135°bend magnet with clamped quadruple

3　结论

在光路设计中，整体270°偏转和双135°偏转均可实现光路的匹配，达到用户要求。但模拟计算结果显示，整体270°偏转磁铁的场分布过渡场区太大，而过渡场区对束流动力学的影响目前还无合适的软件对其进行模拟计算，且整体270°偏转的梯度场区的调整仅能改变机械结构参数，不能连续多次调整，因此导致工程实施难度和风险很大。双135°偏转磁铁在实现光路设计目标的同时，可实现参数即时连续调整，其大间距磁极可接收大包络的强流电子束，因此对高功率束流的传输匹配非常有利。

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Design of 270°Bend Branch for High Power Electron Irradiation Accelerator

LI Jin－hai，WANG Si－li，LIU Bao－jie
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－17，Beijing102413，China）

Abstract：In order to realize the multi－usage on one high power electron irradiation accelerator，the 270°bend branch is needed to be researched．The beam dynamic design and calculation were done for 270°bend branch with the Trace3Dcode．Two schemes of bend magnet were designed．One is 270°bend and the other is double 135°bend．The design and calculation of the 270°and double 135°bend magnets were done by using two－dimensional and three－dimensional electro－magnetic field calculation code．The calculation result shows that there is a big difference between the simulation and the beam dynamic demand of the field distribution of 270°bend magnet．Because it is very difficult to adjust the field of 270°bend magnet during the commissioning，the double 135°bend magnet is preferred to be used．

Key words：high power electron irradiation accelerator；beam optics；de－dispersion；135°bend magnet；270°bend magnet

作者简介：李金海（1974—），男，山东高密人，研究员，博士，核技术及应用专业

基金项目：国家自然科学基金资助项目（91126003）；中国核工业集团公司“重点科技专项和优先发展技术”项目资助（中核科发

收稿日期：2014－04－01；修回日期：2014－11－30

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1529

文章编号：1000－6931（2015）08－1529－05

文献标志码：A

中图分类号：TL501．5；TL503．8