100 MeV强流质子回旋加速器的调试

葛 涛，张天爵，吕银龙，纪 彬，贾先禄，温立鹏，殷治国，李要乾，李世强，刘振威，曹 磊，王 雷，符振辉，蒋 昊

(中国原子能科学研究院 回旋加速器研究设计中心，北京 102413)

100 MeV强流质子回旋加速器(CYCIAE-100)是目前国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器，也是中国目前自主创新、自行研制的能量最高的质子回旋加速器。其设计指标为：能量75～100 MeV连续可调，束流强度200 μA，可双向引出[1-2]。CYCIAE-100包含了离子源系统、注入及中心区系统、主磁铁系统、高频系统、束流引出系统、束流输运系统等20多个子系统。紧凑型回旋加速器的结构特点是主磁铁采用整体型紧凑结构，其他加速器主体及束流诊断、引出等子系统均设计、安装于紧凑磁铁之中。为确保加速器高效运行，实现加速器引出束流的高功率，对加速器的调试提出了高度要求。目前该加速器完成分系统、整机调试，已开展多项物理实验。本文介绍CYCIAE-100调试过程，并重点介绍调试过程解决的一些关键技术问题以及调试结果。

1 加速器调试过程

CYCIAE-100的调试过程主要包括：离子源调试、注入线调试、内靶小半径束流调试、内靶大半径小束流调试、剥离引出靶小束流调试、不同能量点近靶小束流调试、功率靶小-中束流调试、功率靶大束流调试[1]等。CYCIAE-100于2012年9月开始现场安装；2012年12月，加速器主磁铁、高频腔、主真空室等主体部件安装完成；2013年7月，100 kW高频功率源安装完成，2013年11月，开始高频锻炼；2013年11月，离子源、注入线安装调试完成；2013年12月，开始束流调试，中心区加速前得到320 μA束流；2014年7月外靶出束，引出20 μA束流；2015年5月，100 MeV回旋加速器与ISOL系统联合调试成功，首次用100 MeV质子束驱动ISOL系统产生38K放射性核束；2016年11月，开展单粒子效应物理实验，实现首次物理实验供束；2017年1月，开展首次白光中子靶实验，获得白光中子束；2017年9月，开展放射性核束物理实验，获得20Na放射性核束；2017年11月，首次实现双向剥离引出物理实验供束；2018年12月，实现200 μA束流引出实验,最大引出束流达到519 μA。

2 调试方法及调试过程中关键问题

CYCIAE-100的安装、调试过程中，遇到并解决了诸多技术问题，以下仅介绍几个主要系统的调试方法及关键技术问题的解决。

2.1 H-离子源

CYCIAE-100所使用的H-离子源，在中国原子能科学研究院10、14 MeV等回旋加速器上已广泛应用[3]。图1为H-离子源结构。离子源的调试主要是利用法拉第筒作为接收靶，优化离子源相关参数，同时利用发射度测量仪，检测离子源出口的束流发散度，以获得较理想的离子源引出束流。调试过程中，采取改进措施来提高束流的强度及发散度，例如优化灯丝直径和形状、优化腔体磁场、优化引出口部分的机械结构、提升氢气注入的纯度及稳定度、合理匹配相关电源参数等。特别是提升H-离子源在-40 kV电位上的稳定运行方面进行了大量的实验。离子源的引出吸极口处是高压打火最频繁的位置，此部分结构较复杂，绝缘距离小，且离子源工作时，该部分由于氢气注入，真空度较差。这些综合工况，导致了高压极易发生打火。针对该情况，重新计算优化了引出吸极口处磁场的大小及分布，并对吸极的机械结构进行优化设计，增加吸极与地电极之间的绝缘距离，为离子源的导向线圈增加了屏蔽罩。通过这些优化措施，离子源可稳定运行在-40 kV高压电位上，高压打火现象明显减少。最终，CYCIAE-100的H-离子源最大引出束流达到18 mA，引出束流为4 mA时束流发散度为0.33 πmm·mrad。

图1 H-离子源结构Fig.1 Structure of H- ion source

2.2 轴向注入线

综合考虑光学计算结果和工程可靠性及易操作性等因素，确定CYCIAE-100的轴向注入线聚焦结构为：螺旋管透镜-四极透镜-四极透镜-四极透镜-螺旋管透镜，束流从下向上沿着主磁铁的旋转对称轴轴向注入[4]，如图2所示。轴向注入线的调试主要利用偏转板作为接收靶，利用光阑等其他诊断元件为辅助手段，优化注入线参数，提高注入线束流传输效率[1]。影响轴向注入线的传输效率有多个因素，其中轴向注入线的安装精度是关键因素之一。因此，在轴向注入线安装时，采取激光定位等手段来确保轴向注入线的安装精度达到设计要求。调试过程中，采取多种措施提高注入线的传输效率，如在注入线的适当位置增加观察口，利用光阑观察束流光斑；提升注入线整体真空度；合理匹配注入线四极透镜、螺旋管透镜电源参数等。而对于轴向注入线传输效率的测量、计算，利用了偏转板作为接收靶，分别进行了上、下偏转板单独接收测量和上、下偏转板整体接收测量等反复测量计算注入线的传输效率。最终，经过反复调试，轴向注入线的传输效率达到99%以上。

图2 轴向注入线结构Fig.2 Structure of axial injection system

2.3 注入中心区

在中心区，离子受到分布复杂的电场和磁场作用，运动轨迹复杂，中心区的许多结构设计均基于实验或工程经验展开。中心区的调试主要利用绝缘铜块作为接收靶，将绝缘铜块放置于中心区不同位置，分别测量绝缘铜块接收的束流，来实现对中心区束流传输效率的测量，同时，通过提升安装精度等确保中心区整体工作的稳定性。中国原子能科学研究院研制的10 MeV与14 MeV两台小型回旋加速器中心区，在小束流下可稳定工作，在大束流下曾出现打火、局部过热、正负偏转板打火导致电源过流保护等问题[5]。因此在CYCIAE-100的中心区设计、安装、调试过程中，充分考虑了在10 MeV与14 MeV两台小型回旋加速器上获得的工程经验，采取多种措施来保证中心区在大束流条件下的稳定工作。如整体结构上，采用了中间法兰分离面的方案，解决了高频电场在中心区打火问题，避免了偏转板泄漏电场对束流第1圈的干扰；采用专用工装来保证定位精度，通过工装保证了中心区零件的安装精度。对于中心区束流传输效率的调试测量，分别在中心区出口处束流第1次加速前、束流第2次高频加速后、束流第3次高频加速前、束流第4次高频加速后安装绝缘铜块接收束流；在束流能量1 MeV处，放置水冷内靶接收束流进行测量，并通过反复匹配离子源、注入线等相关电源参数来调试中心区的束流传输效率。

2.4 高频系统

CYCIAE-100的高频系统由2套相对独立的λ/2射频腔体、2台100 kW发射机、2套射频低电平系统及传输线系统组成[6]。高频系统的调试主要分为高频腔体和发射机的调试，针对高频腔体，主要是谐振频率以及无载品质因数、加速器电压的调试，如通过调节微调电容板的间距，使谐振频率达到设计要求；固定腔体的微调电容板、耦合电容板的间距，利用小电容测量Dee电压分布等。发射机的调试分为3个阶段：假负载调试、信号源调试和低电平系统调试。整个系统联调及常规运行过程中需监控高频系统Dee电压幅度、相位、入射功率和反射功率等相关参数。高频系统具有联锁保护机制，当主真空、主磁场等外部条件正常时，高频系统才能解除信号封闭，当功率反射过大等情况发生时，低电平系统及保护装置可通过关断低电平系统输出的激励信号，禁止射频系统输出功率，实现设备的安全联锁。应用于100 MeV回旋加速器的高频系统，在运行过程中同时检测腔体中是否发生高频打火，当打火频繁时，高频系统同样会封锁高频激励信号，从而保护设备安全。由于载束情况不同，曾经出现保护过于频繁的现象，通过分析，修订功率反射保护与打火保护的门限，使CYCIAE-100的高频系统能快速运行在所需功率条件下，实现了系统长期安全、稳定运行。

2.5 束流测量诊断系统

CYCIAE-100的束流测量诊断系统，在加速器束流性能调试、加速器关键参数优化等过程中起到重要作用，为加速器的调试提供了有效可靠的检测手段和实时准确的束流信息。该系统包含了多种束测器件，如法拉第筒、荧光靶、双丝扫描仪、发射度测量仪等。准确高效实现束流相关技术指标的精准测量是影响加速器稳定运行的重要因素。大部分的束流测量器件在使用前会进行模拟测试，通过模拟束流信号检验相关束测器件的测量性能。受紧凑型加速器空间影响，部分束测设备的探头结构设计上尽可能简单，部分束测设备具备了多种测量功能，如径向探测靶等。在实际的调试过程中，发现良好的接地系统、高质量的线缆、良好的测量仪器是影响束流测量诊断系统的几个较关键的因素。为此，采取一些必要的技术措施来提高束流测量诊断系统的整体性能及稳定性，如采用低噪声同轴线作为束测信号线；改进束流测量设备接地；对各路测量值的零点通过硬件及软件进行消除等。

3 加速器的调试结果

3.1 离子源及注入线中心区的调试结果

为确保CYCIAE-100主要设计技术指标的实现，如引出束流200 μA，需H-离子源的束流强度及束流发散度达到一定的技术指标。通过提高H-离子源多峰场的磁场强度、优化电子磁过滤等使H-离子源的引出束流强度得到了提高，平均束流强度超过10 mA，最大束流强度达到18 mA，束流归一化发射度列于表1。

表1 H-离子源不同流强下的归一化发射度Table 1 Measured normalized emittances under different beam intensities

由H-离子源产生的H-，通过轴向注入线传输并在中心区内偏转为水平方向进入回旋加速器中心平面，由高频电压吸引开始加速。束流在中心区内的运动轨迹十分复杂，合理的匹配注入线相关电源参数，提高注入线的传输效率，对于规范束流在中心区内的运动轨迹，减少头两圈内的损失至关重要。在束流能量1 MeV的位置处，放置水冷内靶测量中心区偏转效率。获得了较理想的调试结果，在离子源束流为4.3 mA的条件下，测得水冷内靶上最大束流为696 μA。从离子源束流和内靶束流测量值计算得出，从离子源到加速器内靶束流总效率(包括注入线上的传输效率、中心区的注入效率及高频俘获效率)为16%。

3.2 高频系统及束流加速效率调试结果

CYCIAE-100的两个高频腔体经过精细调整，达到临界耦合状态。其中，南侧的高频腔体谐振频率为44.66 MHz时，有载品质因数为4 805.4，无载品质因数为9 610.8；北侧高频腔体谐振频率为44.62 MHz时，有载品质因数为4 821.1，无载品质因数为9 642.2，达到设计指标。经过信号源高频锻炼、低电平高频锻炼后，高频腔体工作正常，在单个高频腔体功率损耗约为33 kW时，中心区D电压达到60 kV，满足物理设计要求。

在高频系统等调试完成，并获得束流注入及偏转的理想效率后，束流具备加速引出的条件，H-离子在主磁场的作用下，其旋转频率与高频加速器频率保持同步，离子即可被加速引出。而主磁场沿半径方向的等时性是决定束流加速效率的关键因素，因此，通过对主磁场、高频频率及相位、加速器电压的合理匹配可获得最佳的等时性条件。CYCIAE-100设有东、西2个方向的横向插入径向靶，通过径向靶由中心区向加速器外延方向的稳定移动可实现在线实时测量束流，并与内靶束流对比，可实现对束流加速器效率的测量。图3为径向靶束流测量结果，从图3可看出，CYCIAE-100的加速效率约为100%。

图3 径向靶束流测量Fig.3 Beam measurement on radial target

3.3 束流引出调试结果

CYCIAE-100设有南、北2个径向插入剥离靶，每个剥离靶安装有12个碳膜，可实现在线更换剥离膜。通过调整剥离靶的径向插入位置，可实现H-离子75～100 MeV能量区间的剥离引出。H-离子被加速至一定能量后，穿越剥离膜，失去两个电子后，变成质子，通过微调剥离膜的角度，在磁场的作用下，改变运动方向，被引出主真空室，注入到相应的束流线。

首次束流引出调试是在CYCIAE-100的北向束流线上进行的，在北向束流线与加速器的连接处设有引出开关磁铁，引出开关磁铁后设有法拉第筒及荧光屏。在束流加速效率调试的基础上，进行束流引出调试，通过合理匹配剥离靶的位置、剥离膜的角度以及引出开关磁铁的磁场，分别通过法拉第筒测量束流强度，荧光屏进行对光，获得了理想的束流引出调试结果。通过对比法拉第筒与剥离膜上的束流测量结果，发现束流在引出过程中几乎没有损失，引出效率约为100%。经过首次调试出束后，CYCIAE-100陆续开展了多项物理实验，并进行了多项技术改进工作，2018年11月，在Beamdump束流线，CYCIAE-100开展了大流强引出束流实验，最终获得了520 μA的最大引出束流，图4为Beamdump靶的束流测量曲线。

图4 Beamdump靶束流测量Fig.4 Beam measurement on Beamdump target

4 总结

截至2018年底，CYCIAE-100完成了主磁铁系统、高频系统、注入线及中心区系统、引出系统等多个子系统的调试，以及整机的调试，开展了多项物理实验，已稳定运行近2 000 h，为国内多家用户单位提供了实验所需束流。该加速器的调试成功和稳定运行，证明了中国原子能科学研究院在强流回旋加速器领域积累了大量的建造和调试经验，具备了发展更高能量、更高功率强流质子回旋加速器的能力。