50MeV束流输运线及其电磁元件设计

魏素敏 安世忠 吕银龙 关镭镭

摘   要：中国原子能科学研究院回旋中心正在研制一套中能质子辐照装置，提供能量范围在10MeV～50MeV的质子束流，以模拟对航天器有重要影响的空间质子辐射环境。在50MeV紧凑型回旋加速器的基础上，设计了质子束流输运系统，将回旋加速器引出的质子束流，通过降能器等元器件调整到用户所需能量，降能后的质子束经过聚焦、偏转后传输到用户终端。为在靶上得到均匀的大直径束斑，束流线上安装了旋转扫描磁铁，将靶上的质子束流均匀扫开，最终在靶上得到能量10MeV～50MeV可调，质子流强最大10?A，尺寸20cm×20cm的束斑。

关键词：质子束流线  偏转磁铁  四极透镜

中图分类号：TL52                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0091-04

Abstract： The cyclotron Center at CIAE is now developing a medium-energy proton irradiation device that provides a proton beam with an energy range of 10 MeV to 50 MeV to simulate a space proton radiation environment， which has a significant impact on spacecraft. Based on the 50MeV compact cyclotron a proton beam transport system is designed. The proton beam extracted from the cyclotron is adjusted to the energy required by using the degrader， then the proton beam is bended and focused to transmitted to the user terminal. In order to obtain uniform large-diameter beam spot on the target， a wobbling magnet is installed on the beam line to uniformly sweep the proton beam on the target and finally obtain the proton beam with energy of 10MeV-50MeV， current of 10 μA and beam spot of 20 cm×20 cm on the target.

Key Words： Proton beam line; Bending magnet; Quadrupole

質子是空间辐射环境的主要成分，会造成航天器材料和器件的辐射损伤，以及诱发单粒子效应，严重威胁卫星安全，尤其是科学卫星载荷对空间质子导致的损伤更加敏感。中国原子能科学研究院回旋加速器研究设计中心设计了一套中能质子辐照装置，主要由50MeV质子回旋加速器、束流输运线与实验终端等构成。该中心已研制了多台紧凑型回旋加速器及质子束流线设备[1-4]，此台50MeV回旋加速器设计为紧凑型结构，引出质子的能量范围为30MeV～50MeV，更低的能量区间由束流线上的降能器提供。

1  50MeV辐照专用质子束流输运系统布局

50MeV辐照专用质子束流输运系统如图1所示，由于该加速器引出的质子能量在30MeV～50MeV区间可调节，因此设计了一台引出开关磁铁放置于磁轭内部，将不同能量的束流传输至相同的管道中。图中FC、SS、BPM分别为法拉第筒、荧光靶及束流剖面测量元件，用于测量束流的流强及剖面;D1为降能器，利用不同厚度的石墨将加速器引出的最低能量为30MeV质子束流降能至u最低能量10MeV;C为准直器;B1和B2为两个45°偏转磁铁，共将质子束流偏转90°;Q为四极透镜，用于质子束流的聚焦;SXY为导向磁铁，用于将偏离管道中心粒子矫正到管道中心;T为真空泵机组，用于管道真空的获得;W为旋转扫描磁铁，产生周期变换的垂直于束流运动方向的二极磁场，使得靶上束流周期性旋转扫描，进而提高靶上束斑均匀度[5]。

该束流线总长约12m，束流管道的内径为Φ78mm，材料为防锈铝。质子束流管道上电磁元件的具体设计将在后文中详细给出。

2  光学模拟结果

50MeV紧凑型质子回旋加速器采用剥离引出的方式引出质子束流，引出束流的能量范围是30MeV～50MeV，最大流强10μA，最小流强10nA，剥离膜后的束流经过引出开关磁铁被输运到束流管道中。整个质子束流管道光学匹配的初始输入参数为该加速器引出系统提供的剥离膜上的束流的σ矩阵（通过COMA程序计算得到）和剥离膜到引出开关磁铁出口的束流传输矩阵（通过GOBLIN程序计算得到，并经过STRIPUBC程序进行了验证）。束流的光学匹配所选用的软件是TRACE 3-D，该程序利用矩阵相乘来得到传输线上任意截面的束流特性。

束流线上的元件布局如图1所示，其中各诊断元件（法拉第筒、荧光靶及剖面测量装置）用于加速器引出束流的调试;两个45°的偏转磁铁的作用有二，一是将质子束偏转至所需位置，二是进行降能器后束流的能量选择，将能散过大的质子偏转掉。

匹配中分别对10MeV-50MeV，10?A的质子束进行了模拟，在匹配中调节各四极透镜参数，将靶上束斑尺寸调节为Ф20mm。

图2为30MeV和50MeV的质子束流匹配结果，在这个能量段的质子可以直接从加速器引出，无需降能，匹配是从加速器出口开始。图中显示了x、y两个方向的质子半包络，其中各个四极透镜的磁场梯度变化见表1，靶上束斑尺寸见表2，其中X、Y分别表示两个横向方向上的束流半尺寸，X、Y分别表示相应的偏角，单位分别为mm、mrad。

由于加速器引出的最低能量为30MeV，因此更低能量的束流需要降能器实现，降能器后質子束流的参数通过准直器确定。匹配中，取降能器后束流参数为x=y=8 mm，x=y=3 mrad进行匹配，匹配起始点为降能器出口。20MeV及10MeV质子束流光学匹配结果见图3所示，其中各个四极透镜的磁场梯度变化及靶上束斑尺寸见表1及表2。

综上所述，我们针对用户终端的需求，设计了质子束流管道的元件布局，并且通过调节各个光学元件的不同参数，得到满足设计要求的束流能量、束斑尺寸、包络大小等参数。

3  偏转磁铁设计

该束流线上共有两个45°偏转磁铁，将10MeV～50MeV质子束流偏转到终端靶站。50MeV质子的磁刚度为1.034Tm，取偏转半径1m，可得磁铁中磁场最大需要1.034T。磁铁设计时取最大磁场1.1T。根据质子束流在磁铁中的包络尺寸，要求该磁铁好场区范围±25mm，磁场均匀度好于5*10-4。

该磁铁的截面尺寸如图4所示，该图为磁铁截面的1/4模型，为提高磁场均匀度，在磁极面两侧增加了垫补，图4还显示了磁场在磁铁中的分布情况。计算得到磁铁内的磁场分布如图5所示，计算得到，在好场区±25mm内，磁场的均匀度为1.28*10-4，满足设计要求。

4  四极透镜设计

在已知道场梯度、有效长度和磁铁内孔径的情况下，我们可以确定磁铁的极面宽度和极面形状以及磁轭厚度。根据这些基本参数，我们使用二维计算磁场计算程序POSSION程序设计了四极磁铁。

基于准确的磁场数值分析，并根据以往经验，在这里我们选择极尖断面为折线的四极透镜结构来代替理论上的双曲线结构，这样的结构具有加工简单、易于安装定位等优点，设计的难点在于通过准确的磁场数值分析，精确设计磁极的形状。

由于四极磁铁是轴对称元件，所以在磁铁设计过程中，我们选择了1/8模型设计计算磁铁，其具体结构如图6所示，该图中还显示了1/8磁铁的磁场分布。

5  结语

本文在中国原子能科学研究院回旋中心正在研制一台50MeV紧凑型回旋加速器的基础上，设计了一条辐照专用质子束流传输线，将加速器产生的质子束流降能、偏转、聚焦，传输到用户终端。最后通过旋转扫描磁铁将靶上束斑扫开，产生用户所需的大尺寸质子束流。

参考文献

[1] ZHANG Tianjue， LI Zhenguo， AN Shizhong， et al. The cyclotron development activities at CIAE[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A， 2011， 269（24）： 2 863-2 870.

[2] ZHANG T， YANG J. The beam commissioning of BRIF and future cyclotron development at CIAE [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B， 2016（376）：434-439.

[3] WEI Sumin， LV Yinlong， ZHANG Tianjue， et al. Beam line design for a 100 MeV high intensity proton cyclotron at CIAE[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B， 2007（261）： 65-69.

[4] WEI Sumin， AN Shizhong， ZHANG Tianjue， et al. Transfer beamline design after stripping[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B， 2008（266）：4697-4701.

[5] 贾先禄，张天爵，吕银龙，等. 30 MeV医用回旋加速器束流输运线上旋转扫描磁铁的研制[J].高能物理与核物理，2007，31（3）：292-295.