100 MeV质子回旋加速器二期辐照效应管道设计

杨新宇，郭 刚，彭朝华，张艳文，覃英参，殷 倩，肖舒颜

(1.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413；2.国防科技工业抗辐照应用技术创新中心，北京 102413)

随着人类对太空探索不断深入，空间辐射环境对航天器造成的危害成为一个越来越重要的问题。根据相关统计数据，航天器发生的故障中，与空间辐射环境相关的占故障总数的71%，其中单粒子效应占辐射故障的55%[1]。在地球周围空间辐射环境中，质子是主要的成分，质子与器件中的硅发生核反应产生的次级产物引发的单粒子效应不可忽略。在单粒子效应研究中，地面模拟实验是一种重要的方法，而在地面模拟实验中，大面积均匀束斑的获取是一关键技术[2-3]。

以当前一些主要辐照装置为例，加拿大TRIUMF辐照装置的束斑面积为7.5 cm×7.5 cm，不均匀性为±10%[4]；瑞士PSI的辐照装置束斑为直径9 cm的圆形束斑，均匀性好于90%[5]；美国印第安纳州立大学的辐照装置IUCF的束斑为直径2～30 cm连续可调，均匀性好于60%[6]。随着对单粒子效应研究的深入，对束斑面积和均匀性提出了更高的要求。另外，在美国和欧洲的单粒子实验标准中，要求束流能散度小于10%，而质子实验要调节不同的能量，在使用降能片调节能量的过程中必然会引入额外的能散和中子本底，这需要通过降能片的合理设计来保证能散在实验要求的范围内。

在当前的辐照装置中，采取的扩束及均匀化方案主要有3种：小束斑扫描法、双靶散射法和磁铁校正法。小束斑扫描法基于李萨茹原理，利用扫描元件将1个较小的束斑在x和y两个方向上实现周期性移动，两个方向的运动叠加形成均匀分布[7]，这种方法适用于直流束，而随着加速器的发展，束流的脉冲化越发严重，扫描法与脉冲束的时间结构会产生耦合，影响均匀化的效果。双靶散射法是利用材料对束流的散射作用，使用两块散射靶对束流进行二次散射，最终得到一个均匀分布的束斑[8-9]，这种方法虽然成本较低，但是对于能量较高的质子束会产生较强的活化，需额外增加屏蔽。磁铁校正法是利用多极磁铁对高阶相差的校正作用，将高斯分布校正为均匀分布，这种方法可在不改变束流时间结构的情况下完成束流的均匀化，且束流利用率较高，产生的次级粒子较少，对实验干扰较小，是一种较理想的扩束方法，其中应用较多的是八极磁铁校正法[10]。

在当前的一期辐照管道中，双靶散射方案和降能片的设计在束流能量较低的情况下带来较大的能散和中子本底，给实验带来较大的干扰。本文将基于中国原子能科学研究院100 MeV强流质子回旋加速器进行八极磁铁校正法的方案设计，取代当前的双靶散射方案，通过优化设计，建立二期管道，更好地服务于单粒子效应地面模拟实验。

1 八极磁铁校正法原理

八极磁铁校正法是利用八极磁场对束流高阶相差的校正作用，将高斯分布的束流校正为近似均匀分布的束流。八极磁铁共有8个磁极(图1)，相邻的两个磁极中，一个向内压缩，另一个向外拉伸，将束流包络从圆形逐渐变为正方形，最终变为四角星。因此可通过调节八极磁场的强度来得到1个正方形的束斑。

图1 八极磁铁对束流的影响Fig.1 Effect of octupole magnet on beam

图2为有无八极磁铁时束流的分布，无八极磁铁时，束流自由漂移，维持原有的高斯分布不变(图2a)；有八极磁铁时，两端的束流向内收缩，与原有束流叠加，形成一近似均匀分布的束斑(图2b)。

a——校正前；b——校正后图2 八极磁铁对束流的校正作用Fig.2 Correction of beam by octupole magnet

2 方案设计

2.1 能量调节方案的设计

在能量调节方面，由于初始束流能量较高，因此计划采取两级降能的方式来控制能散度。将主降能片放在偏转磁铁前，将能量分为两档，再将次降能片置于靶站前，实现每档内的连续可调。这样可利用偏转磁铁的能量筛选功能降低一部分由降能片带来的能散[11]，同时，由于偏转磁铁不能偏转中子和γ射线，所以质子束流与偏转磁铁前的降能片相互作用产生的中子和γ射线也不会对靶站产生影响。单粒子效应实验一般要求束流能散度小于10%，使用LISE++软件计算所需降能片的厚度和相应的能散ΔE，通常以半高宽(FWHM)来表征束流能散，本文降能片材料选择铝[12]，结果列于表1。

表1 降能片厚度及能散计算结果Table 1 Degrader thickness and energy dissipation calculation results

可看到能量下限为10 MeV时，无论如何选择中间的能量分档点，能散度均会超过10%。而能量下限为20 MeV时，中间的分档点选在40 MeV和50 MeV均可满足能散度低于10%的要求。考虑到偏转磁铁有降低能散的作用，则可将能量分档点选在40 MeV，利用偏转磁铁来降低能散，尽量保证靶站处的第2次降能带来的能散较小。

2.2 光路设计

二期管道将在一期管道的靶站处放置45°偏转磁铁，将束流偏转到南向，考虑到后端束流垃圾桶的设计，偏转磁铁到靶站间最多可有16 m的空间。设计目标是靶上束斑面积为30 cm×30 cm，均匀性好于90%，即非均匀度小于5%。这里非均匀度的计算方法为：

在偏转磁铁后放置1组双单元四极磁铁，便于控制束流包络，再使用八极磁铁对束流进行均匀化。这里的思路是将四极磁铁和八极磁铁交替使用，利用两个四极磁铁将束流在x、y方向分别成腰，再将两个八极磁铁分别放在x、y方向的成腰位置，以求达到最好的校正效果。二期管道的物理设计如图3所示。

考虑到对注量率的要求，需要用一期管道中的狭缝卡掉部分束流，这部分束流与狭缝相互作用产生的中子和γ射线不会被偏转，大部分沿原方向前进，对靶站的影响较小，可忽略不计。从可调狭缝1开始计算光路，Transport软件计算的100 MeV下的光路如图4所示。DM1为新增的偏转磁铁，DQ1为一组双单元四极磁铁，Q1和Q2为两个四极磁铁。对于40 MeV以下的能量，需在偏转磁铁前使用主降能片，后续光路按40 MeV能量进行设计，此时保持各磁铁位置不变，调节四极磁铁极面场，保证光路不变，再调节八极磁铁极面场保证校正效果不变，即可在靶上实现同样的束流分布。100 MeV能量下元件参数列于表2，括号内为40 MeV能量下的值。靶上束流分布如图5所示。

图3 二期管道的物理设计Fig.3 Physical design of the second stage beamline

图4 二期管道的光路Fig.4 Beam envelope of the second stage beamline

表2 二期管道元件参数Table 2 Component parameter of the second stage beamline

设计结果列于表3，可看出，在牺牲一定的束流利用率后，靶上束流的均匀性达到了92%以上，此时仍有42%以上的束流利用率，对于100 MeV的质子来说，这是可接受的结果。根据以往经验，四极磁铁和八极磁铁的极面场需控制在0.7～0.8 T以内，本设计方案中所有磁铁的极面场均在此范围内，保证了设计的可行性。

图5 二期管道靶上束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.5 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) of the second stage beamline target

表3 二期管道设计结果Table 3 Design result of the second stage beamline

2.3 公差分析

以上是理想状况下的计算结果，实际中会有各种因素对均匀性带来影响，本文主要讨论安装公差、磁铁电源波动带来的影响。

首先考虑安装公差对靶上均匀性的影响，这里仅考虑四极磁铁和八极磁铁的安装公差。在当前的磁铁安装技术下，位置公差可达到0.2 mm以内，角度公差可达到0.3 mrad以内[13]，所以x、y方向的位置公差的范围取为(-0.2 mm，0.2 mm)，3个方向的角度公差的范围取为(-0.3 mrad，0.3 mrad)[14]。这里可直接检验最极端的情况，即所有的磁铁同时出现了最大的位置公差和角度公差。

根据Turtle软件的计算，在以上公差同时出现的情况下，40 MeV的设计中，均匀性会从92%下降至78%，不满足均匀性好于90%的要求。仅考虑四极磁铁的安装公差时，40 MeV的设计中，均匀性为83%，不满足要求；仅考虑八极磁铁的安装公差时，40 MeV的设计中，均匀性为90%，满足要求。所以安装过程中应优先保证四极磁铁的安装公差。图6、7分别为四极磁铁和八极磁铁安装公差最劣情况下束流在x和y方向的分布。

对于磁铁的安装公差，文献[15]的研究中给出如下结论：x，y，z3个方向的安装公差是相互独立的；同一方向(x或y)位置公差与角度公差同号时，对均匀性影响较大；公差异号时，对均匀性影响较小。对于本次的设计，由Turtle软件的计算结果还可得出如下结论：1) 在0.3 mrad的误差内，四极磁铁和八极磁铁绕z轴旋转公差对均匀性的影响可忽略不计；2) 八极磁铁在x、y方向的位置和角度公差对均匀性的影响小于四极磁铁。因此在安装过程中应优先保证四极磁铁的安装公差，尤其是x方向的安装公差。

图6 四极磁铁安装公差最劣情况下束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.6 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) with the worst installation tolerance of quadrupole magnet

图7 八极磁铁安装公差最劣情况下束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.7 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) with the worst installation tolerance of octupole magnet

除安装公差外，磁铁电源的波动带来的场强变化也是要考虑的因素。目前磁铁的电源稳定度通常可控制在0.1%，而磁铁的场强和电流是呈线性关系的，因此在线性区内，可认为磁铁的场强变化也在0.1%以内。根据Turtle软件的计算，场强变化在0.1%以内时，场强变化对均匀性的影响可忽略不计。

3 结论

本文针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上的单粒子效应辐照装置，采用八极磁铁校正法进行了二期管道的光学设计。为了降低靶站处的束流能散和中子及γ本底，设计了两级降能的能量调节方案，将能量分为40～100 MeV和20～40 MeV两档，两档内的连续可调由靶站前的降能片来实现。八极磁铁校正法的设计中，选择四极磁铁和八极磁铁相间排列的方案，最大程度地减小了束流在x、y方向之间的耦合，因此可对这两个方向分别进行调节。考虑了100 MeV和40 MeV两个能量点下的设计方案，在均匀性好于90%的要求下，束斑面积可达到30 cm×30 cm，束流利用率达42%以上，满足了系统级样品辐照的需求。