西安200 MeV质子应用装置负氢离子源及低能束流传输线实验研究

王百川， 王忠明， 刘卧龙， 邢庆子， 唐 若， 李 岩， 马鹏飞， 杜畅通， 杨 业,， 王敏文， 王 迪， 赵铭彤， 赵 晨， 魏崇阳， 王茂成， 张 辉， 闫逸花， 吕 伟

(1. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室， 西安 710024； 2. 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室， 北京 100084； 3. 清华大学 先进辐射源及应用实验室， 北京 100084； 4. 清华大学 工程物理系， 北京 100084)

西安200 MeV质子应用装置( Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)是国内首台宇航器件质子单粒子效应专用辐射模拟试验装置。XiPAF主要由7 MeV的负氢离子直线注入器与最高能量为230 MeV的质子同步加速器组成。负氢离子源和低能束流传输线(low energy beam transport line，LEBT)于2018年11月建成并出束。负氢离子源产生的50 keV负氢离子束经LEBT聚焦匹配至3 MeV的射频四极加速器(radio frequency quadrupole accelerator，RFQ)，再经漂移管直线加速器(drift tube linac，DTL)加速至7 MeV。负氢离子束通过剥离膜设备剥离为质子，并在同步加速器中加速至230 MeV[1]。离子源是整个加速器的源头，获取其束流参数对加速器的联调和研究具有重要意义。因此，在低能束流传输线上进行实验以确定初始负氢离子束的Twiss参数与束流强度。本文首先根据发射度仪测量结果反推得到离子源出口Twiss参数，再通过在单螺线管LEBT上开展传输实验得到离子源出口负氢离子束流强度。

1 负氢离子源出口Twiss参数测量

图1为负氢离子源及LEBT的结构示意图[2-3]。负氢离子源主要包括微波发生器、传输波导、源体及引出系统，主要设计参数列于表 1。2.45 GHz磁控管产生的微波通过环形器、三销钉调谐器及高压隔离波导后馈入离子源放电室。负氢离子源为两电极引出结构的永磁型ECR负氢离子源，直接安装在LEBT第一诊断室上, 结构如图 2所示。离子源产生的50 keV负氢离子束经过2个螺线管透镜聚焦进入RFQ加速器。LEBT中设置了2组导向磁铁用于调节束流中心位置，设置了1个斩波器用于调整束流脉冲宽度。束流测量设备包含位于第一诊断室的法拉第筒、第二诊断室的双缝型发射度仪及LEBT末端的交流电流变压器(ACCT)。法拉第筒和ACCT分别用于测量离子源出口和LEBT出口的束流强度，双缝型发射度仪用于测量束流在第二诊断室位置的相空间分布。2个诊断室下方分别装有涡轮分子泵，2组插板阀用于停机时封闭后段束线真空。LEBT的支架上设有导轨，便于调节各元件在沿束流方向的位置，也有利于快速维护离子源。装置实物如图3所示。

图1 负氢离子源与LEBT结构示意图Fig.1 Schematic diagram of H- ion source and LEBT

表1 负氢离子源主要设计参数Tab.1 Main parameters of H- ion source

图2 负氢离子源结构示意图[2]Fig.2 Schematic diagram of the H- ion source

图3 负氢离子源与LEBT实物图Fig.3 Picture of H- ion source and LEBT

束流测量设备能够测量第二诊断室位置束流的相空间分布及离子源和LEBT出口的束流强度，但无法直接测得离子源出口的Twiss参数和负氢离子束流强度。本文采用导入螺线管仿真磁场的方式，利用多粒子跟踪模拟程序TraceWin[4]反推得出离子源出口Twiss参数。图4为采用Poisson Superfish[5]仿真计算得到的螺线管磁场分布。图5为实验测得两个螺线管中心轴线上磁感应强度BZ分量随轴向位置的变化关系。由图5可见，在40 ，100 ，180 A 3种励磁电流下，实测结果均与仿真结果符合较好。反推得到的离子源出口处的Twiss参数列于表 2。在螺线管电流为100，120，140 A条件下，采用表2参数计算得到的第二诊断室相空间分布结果如图6～图8所示。由图6～图8可见，计算结果与实验测量结果符合较好。束流的相空间分布偏心可能来源于离子源出口束流的位置和角度偏差，也有可能来源于发射度仪系统偏差。在线性传输近似下，束流的相空间分布偏心不影响Twiss参数推断结果。

图4 螺线管磁场仿真计算结果Fig.4 Simulated magnetic field of the solenoid

图5 轴线上磁感应强度Bz分量随轴向位置的变化关系Fig.5 Bz vs. z

表2 利用第二诊断室发射度仪测量结果反推得到的离子源出口Twiss参数Tab.2 Twiss parameters of the beamat the outlet of the ion source

(a) x-x＇ simulation

(a) x-x＇ simulation

(a) x-x＇ simulation

根据获得的离子源出口Twiss参数分别建立了LEBT元件模型和磁场导入模型。图 9为利用LEBT元件模型计算得到的RFQ匹配束流包络计算结果，动力学计算至RFQ入口法兰内表面，计算长度为1 725 mm。

图9 利用元件模型计算得到的LEBT束流包络计算结果Fig.9 Beam envelop inside the LEBT simulatedby the element model

实验中测得的相空间分布畸变可能是由空间电荷力作用和螺线管磁场分布不理想引起[6-7]。图10和图11分别为利用元件模型和磁场导入模型进行多粒子跟踪计算得到的LEBT出口束流相空间分布。采用元件模型的多粒子跟踪计算只考虑了空间电荷力的非线性作用，而采用磁场导入的多粒子跟踪计算还考虑了磁场分布引入的非线性作用，与实际情况更为接近。

(a) x-x＇

(a) x-x＇

与图10相比，图 11中粒子相空间分布畸变更明显，表明螺线管磁场分布不理想是造成相空间分布畸变的重要原因之一。

2 单螺线管低能束流传输线实验研究

LEBT通常采用双螺线管结构[8-11]，具有较多的调节自由度。单螺线管结构[12]的LEBT尺寸较为紧凑，只有1个调节自由度，设计时需要准确掌握入口束流参数。为检验Twiss参数的可靠性、缩短LEBT长度以降低空间电荷力影响和负氢离子剥离损失及便于开展传输实验测量离子源出口负氢离子束流强度，根据Twiss参数设计了单螺线管LEBT。单螺线管的设计思路为，利用螺线管调节束流Twiss参数使束流的最大散角达到RFQ匹配要求，再调整螺线管后的漂移节长度，使α(或β)达到目标值。设计完成后的单螺线管LEBT中束流包络如图 12所示，计算长度由1 725 mm缩短至810 mm。根据Twiss参数计算得到螺线管电流为140 A时RFQ段传输效率可达到84%。

图12 设计完成后的单螺线管LEBT束流包络计算结果Fig.12 Calculated envelop of the single-solenoid LEBT

图13为离子源与单螺线管实物图，根据单螺线管后漂移节长度要求，拆除了原LEBT中插板阀之后的1组导向磁铁、第二诊断室(含发射度仪与分子泵)、第二螺线管和斩波器，保留了LEBT出口位置的ACCT以监测束流强度。另外在第一诊断室侧面额外增加了1组分子泵快速抽除离子源体中逸出的氢气。

图13 离子源与单螺线管LEBT实物图Fig.13 Picture of ion source and single-solenoid LEBT

改造完成后，开展束流实验验证单螺线管LEBT设计。实验得到单螺线管LEBT注入时RFQ段传输效率随RFQ功率的变化关系，如图14所示。由图14可见，RFQ不馈入功率时，束流无法穿过RFQ，传输效率为0；随着馈入功率提升，RFQ传输效率增加；在馈入功率为385 kW、螺线管电流为143 A、x和y方向导向磁铁分别为0 A，0.1 A的条件下，最大传输效率达到85%。实验结果与模拟计算结果较为一致，表明离子源出口Twiss参数是可靠的，能够较好地指导单螺线管LEBT设计。

图14 单螺线管LEBT注入时RFQ段传输效率随RFQ功率的变化关系Fig.14 RFQ transmission efficiency withsingle-solenoid LEBT vs. RFQ power

3 离子源出口负氢离子束流强度测量

测量离子源出口的负氢离子束流强度对于确定负氢离子束在LEBT中的传输效率及进一步调束有重要意义。但该参数在现有XiPAF装置难以直接测得。测量难点在于：1)离子源出口束流主要成分为负氢离子和电子[13]，因离子源中的偏转磁铁较弱且法拉第筒距离子源引出口较近，到达法拉第筒的束流中仍含有电子；2)低能负氢离子束在LEBT传输过程中的剥离损失较大[6]，损失量不易确定，LEBT出口处ACCT测得的束流强度是损失后的束流强度；3)通常需要使用Q/A分析磁铁系统才能将不同荷质比的粒子分开测量[14-15]，但是这种方法需要加装设备，临时对束线进行改造；4)离子源的工作气体氢气会从束流引出口逸出进入LEBT，导致离子源出口处真空较差，为了尽量减少负氢离子的剥离损失，需要尽快抽除逸出气体及尽快聚焦，因此，负氢离子源出口位置通常布设真空室和螺线管透镜[9,16]，该位置无法供分析磁铁长期使用，如需临时使用分析磁铁测量离子源出口的负氢离子束流强度，需要专门建造测量束线。本文提出一种测量离子源出口负氢离子束流强度的方法，通过测定纯电子束和混合束在不同螺线管电流条件下的传输效率，求解得到LEBT入口混合束中的电子束流强度，进而得到负氢离子束流强度。

3.1 测量方法

设LEBT入口混合束中的负氢离子束流强度为IH-，电子束流强度为Ie，当螺线管电流为I时，单螺线管LEBT对负氢离子和电子的传输效率分别为ηH-和ηe。LEBT末端ACCT测得束流强度IA满足

IA=IH-ηH-+Ieηe

(1)

通过设置N组螺线管电流In(n=1, 2, …,N)，可得到不同LEBT末端束流强度IAn

IAn=IH-ηH-n+Ieηen(n=1,2,…,N)

(2)

其中，IAn可使用ACCT直接测得。电子束传输效率ηen可通过开展纯电子束传输实验测得。负氢离子与电子的荷质比相差较大，在利于电子束传输的螺线管电流附近，负氢离子传输效率较低且数值变化不大，ηH-n可近似为常数ηH-。则式(2)可近似为

IAn=IH-ηH-+Ieηen(n=1,2,…,N)

(3)

使用法拉第筒测得LEBT入口总束流强度Itot为

Itot=IH-+Ie

(4)

因此，结合式(3)和式(4)，在利于电子束传输的螺线管电流附近，仅选取N=2组螺线管电流测量相应的IAn，即可求解出3个未知量IH-，Ie，ηH-。实际实验中选取多组电流值进行拟合求解。

不同螺线管电流条件下电子束的传输效率ηen可通过开展纯电子束传输实验得到。在离子源体中馈入氦气，使用50 kV负高压引出纯电子束。在离子源引出系统结构、引出高压及LEBT气压均与先前一致的条件下，假设纯电子束的传输效率与混合束中的电子束传输效率近似一致。在螺线管取不同电流条件下，LEBT出口束流强度与法拉第筒测得LEBT入口束流强度之比即为此状态下的电子束传输效率 。

3.2 测量实验

离子源工作气体为氦气，保持第一诊断室气压为4.0×10-3Pa时，测得纯电子束传输效率随螺线管电流的变化关系如图15所示。法拉第筒测得LEBT入口的电子束流强度为11.8 mA。实验结果表明，利于电子束传输的螺线管电流在3 A附近，与利于负氢离子束传输143 A的螺线管电流相差很大，在3 A附近小范围内取不同电流值时负氢离子传输效率ηH-较低且数值变化不大，将ηH-近似为一个未知常数是合理的。

图15 纯电子束传输效率随螺线管电流取值的变化Fig.15 Transmission efficiency of electron beamvs. different solenoid current

工作气体为氦气、螺线管电流为143 A、x方向导向磁铁电流为0及y方向导向磁铁为0.1 A时，LEBT出口测得束流强度为0。试验结果表明，电子在该参数下无法到达LEBT出口，也验证了更换工作气体为氦气时，引出的电子束中无残留氢气产生的负氢离子。

在得到0,1,2,…,7 A共8个螺线管电流条件下，工作气体为氦气时电子的传输效率ηe后，将工作气体换为氢气，测量螺线管电流为0 ,1 ,2 ,…,7 A时，混合束在LEBT出口的束流强度IA随螺线管电流的变化关系，如图16所示。此时离子源的工作状态是馈入微波功率为3.9 kW(100 Hz，300 μs)，第一诊断室气压为4.0×10-3Pa。使用法拉第筒测量LEBT入口总束流强度Itot=10.0 mA。

图16 负氢离子源在LEBT出口的束流强度随螺线管电流的变化关系Fig.16 Beam current at outlet of LEBT vs. solenoid current

根据式(3)，以ηe作横坐标、IA作纵坐标，取I=0, 1, 2,…,7 A共8个螺线管电流条件下的实验数据进行直线拟合，拟合得到的斜率为Ie，在纵坐标上的截距即为IH-ηH-，拟合结果如图17所示。拟合得到离子源在馈入微波功率为3.9 kW(100 Hz，300 μs)时,出口束流强度为Ie=5.8±0.3 mA，IH-=4.2±0.3 mA。

图17 LEBT出口束流强度与电子传输效率拟合结果Fig.17 Fitting results of beam current at outlet ofLEBT vs. transmission efficiency of electrons

由图 17可见，IA随ηe基本呈线性变化关系，表明从不同数据得到的结果是自洽的，也验证了本文方法中使用的2条假设近似是合理的，即0～7 A螺线管电流范围内负氢离子传输效率ηH-可近似为常数，纯电子束的传输效率可近似等于混合束中电子的传输效率。

4 结论

本文对XiPAF装置LEBT开展了束流实验，实验中通过测量不同螺线管磁场强度下的束流发射度相图分布得到了离子源出口的Twiss参数。根据该参数设计了尺寸紧凑的单螺线管LEBT，开展实验实现了单螺线管匹配束流至RFQ，验证了Twiss参数的准确性及单螺线管设计的可行性。本文提出了一种在没有Q/A分析磁铁条件下混合束中负氢离子束流强度的测量方法，并在单螺线管LEBT上进行了实验，该方法通过测定纯电子束和混合束在不同螺线管电流条件下的传输效率，求解得到混合束中的负氢离子束流强度。多组实验测量结果与理论预期相符，表明了该方法的正确性。