SESRI 300 MeV 同步加速器注入线的传输效率与接受效率*

赵良超

(哈尔滨工业大学,空间环境与物质科学研究院,哈尔滨 150001)

1 引言

哈尔滨工业大学“空间环境地面模拟装置”是一项在地面模拟真空、高低温交变、粒子辐照、电磁辐射、粉尘、原子氧、弱磁、等离子体等空间环境,研究航天器材料、器件、生命体等空间环境效应和物理本质的国家重大科技基础设施.SESRI 300 MeV 同步加速器是该设施中用于空间粒子辐照效应研究的关键设备,设计能够产生从质子束(加速H2+后剥离为质子束)到铋束(209Bi32+)的所有稳定离子束,研究空间中高能粒子对航天器件和航天员身体的辐照损伤效应[1].该同步加速器主要由高电荷态离子源、低能注入线、同步环组成,其中低能注入线将从离子源引出的质子束加速到5.6 MeV、重离子束加速到2 MeV/u,注入到环中继续加速到设计能量,如质子束最高为300 MeV,铋束最高为7 MeV/u[2-4].在注入线末端的注入点,要求质子束流强达到250 µA,重离子束达到50eµA,束流的动量散度Δp/p要控制在 ± 0.2%.目前SESRI 300 MeV 同步加速器已完成设备安装和设备独立调试,在带束调试之前需要进行全尺寸多粒子跟踪计算,分析发现注入线接受度的关键决定因素及其背后的物理机制,解释束流调试过程并提高调束的效率.

注入线不但要保证较高的传输效率,减少束损,还需要保证注入点的离子束在一定的能散和相宽之内,能够被同步环接受.SESRI 300 MeV 同步加速器注入线加速多种离子,在加速段采用了多种加速腔完成束流加速,质子束和重离子束分别使用不同的加速腔配置.在加速不同离子束时,配置不同的工作参数.注入线的束流调试是同步环束流调试的前提.国际上通用的加速器束流设计计算方法有两种,束流包络法和多粒子跟踪法[5-11].其中束流包络法用于初步的物理设计,可以快速地给出注入线的加速聚焦结构.多粒子跟踪用于物理设计完成后精细计算,可以给出束流在传输过程中的六维相空间分布信息及束流损失信息.为此发展了一些专用软件,如MAD,Parmila,Elegant,Tracewin等,这些软件大多采用传输矩阵描述束线上的元件,可以进行包络计算和多粒子跟踪,但对元件的场分布有较大近似.另外有一些软件专用于特种加速腔的设计,如用于射频四极场(RFQ)加速器设计的RFQGEN、toutatis;用于IH-DTL 设计的LORASR等,可以给出特定腔型的结构参数,但需要其他的电磁场软件给出具体的场分布[12-15].还有通用的电磁场计算软件如CST,HFSS,OPERA 等[16-18],可以针对单独的元件(如加速腔、磁铁)等给出高精度的仿真结果,但束流设计分析的功能较弱.这些软件的功能不同,侧重点也不同.通常的做法是针对不同的问题采用多个软件将加速器分为多段计算,要么给出简略的全局分布,要么给出局部的精确形貌,难以实现从头至尾的精确束流计算,从而难以从全局分析束流损失的关键因素和物理机制.本文以Tracewin[19]软件为主要计算工具,将RFQ,IH-DTL 等加速腔统一转换为场文件代入,实现全局计算和局部精确场分布的统一.建立了包含实际电磁场分布的SESRI 300 MeV 同步加速器注入线全尺寸模型,尽可能全面准确地反映该注入线的真实性能.

本文首先根据物理设计参数计算了RFQ,IHDTL 等加速腔的结构参数,使用CST 计算了加速腔的电磁场分布,将不同的加速腔转换为相同类型的场文件.然后根据注入线的布局使用Tracewin软件建立了注入线从离子源出口到注入点的全尺寸模型,使用实际电场分布计算了束流从离子源出口到注入点的全过程加速传输.研究了不同离子注入所需的参数配置和离子束在传输中的相空间演化过程,获得了不同条件下注入线的接受效率,并对束流损失的物理机制进行了探讨.本文使用的方法可以将加速腔设计、束线设计、加速器整机调试等不同阶段、不同内容关联起来,给出各种设计细节对束流的影响.该方法不仅可用于同步加速器注入线的设计调试,也可用于其他低能直线加速器设计调试.

2 注入线构成与加速聚焦元件

2.1 注入线构成

SESRI 300 MeV 同步加速器由中科院近代物理研究所设计,其注入线从离子源出口至注入点全长26.2 m,布局如图1 所示.整个注入线的元件可以分为两大类:横向聚焦传输元件(3 个螺线管、2 个二极磁铁、30 个四极磁铁)和纵向加速聚焦元件(7 个射频加速腔).横向聚焦传输元件实现束流的横向聚焦与导向传输,纵向加速聚焦元件实现束流纵向相宽和能散的控制.其中2 个二极磁铁(不含切割磁铁)分别实现离子源出口束流电荷态的甄别和注入点前的束流偏转;30 个四极磁铁构成了束线的聚焦结构,提供束流的横向聚焦;7 个射频腔中有4 个加速腔,1 个聚束腔和2 个散束腔.加速腔分别为RFQ,IH-DTL1,IH-DTL2,IH-DTL3,前三者将离子束分别加速到300 keV/u,1 MeV/u,2 MeV/u.除外的离子束经过散束腔1 压缩能散后传输至注入点.束在加速到2 MeV/u 后,还需要由位于IH-DTL3 腔入口处的剥离膜转变成质子束,经过IH-DTL3 加速到5.6 MeV,然后经散束腔2 压缩能散后传输至注入点.聚束腔位于RFQ 和IH-DTL1 之间,压缩加速腔IH-DTL1入口处束流的纵向相宽.

图1 SESRI 300 MeV 同步加速器注入线布局Fig.1.Injection line layout of SESRI 300 MeV synchrotron.

2.2 加速元件

注入线上的加速元件(射频电磁场)共7 个,可以分为4 类:RFQ,IH-DTL1(分离聚焦结构),IHDTL2、IH-DTL3(标准IH 结构)和双间隙聚束腔,分别实现束流加速、相宽压缩及能散压缩功能.为获得实际的电场分布,首先根据物理设计参数使用不同的软件获得了所需的结构参数,建立了四种加速腔的三维结构,使用CST 计算了实际电场分布.根据Tracewin 中束流传输的情况优化三维结构,降低非理想场分量.

RFQ 加速腔的结构参数由RFQGEN 生成,腔长2.6 m,共254 个加速单元,实现直流连续束的聚束和加速.在加速不同离子时,馈入相应的功率可将离子束由4 keV/u 加速到300 keV/u.RFQGEN计算结果显示,在初始横向发射度ε=0.1π mm·mrad时,209Bi32+束的传输效率大于98%,束的传输效率大于99%.RFQ 单腔加速束流如图2 所示.

图2 RFQ 结构及束流加速Fig.2.RFQ structure and beam acceleration.

3 个IH-DTL 加速腔的结构及束流加速过程如图3 所示.加速腔IH-DTL1 将离子束由300 keV/u加速到1 MeV/u,腔长1.8 m.采用分离聚焦结构,腔体内部装有一组三组合四极磁铁,实现腔内的束流聚焦.IH-DTL2 和IH-DTL3 为标准IH 加速结构,其中IH-DTL2 将离子束从1 MeV/u 加速到2 MeV/u,腔长约1.5 m;IH-DTL3 将质子束从2 MeV加速到5.6 MeV,腔长约1.6 m.在加速腔之间设置四极磁铁实现束流聚焦与匹配.

图3 IH-DTL加速腔结构及束流加速(a)IH-DTL1加速束;(b)IH-DTL2加速束;(c)IH-DTL3加速质子束Fig.3.IH-DTLstructureand beamsacceleration:(a) beam acceleration in IH-DTL1;(b)beam acceleration in IH-DTL2;(c) proton beam acceleration in IH-DTL3.

聚束器及散束器均为1/4 波共振(QWR)双间隙聚束结构[20,21],工作在—90°相位,对束流整体不起加速作用,而是旋转束流的纵向相空间分布,实现相宽压缩和能散压缩.

2.3 注入线上的聚焦元件

注入线上分布着2 个偏转二极磁铁、3 个螺线管和30 个四极磁铁,实现束流的横向聚焦和腔间匹配.螺线管和四极磁铁的场分布基本为标准分布,束流物理计算软件中通常都将其视为标准元件.本文使用Tracewin 软件自带的标准单元结构产生相应的磁场.

2.4 注入线加速粒子的要求

SESRI 300 MeV 同步加速器理论上能够加速从质子到铋束的所有离子束(仅受离子源引出粒子种类的制约),要求注入线具备相应的加速能力.注入线要求达到的束流指标如表1 所列.

表1 注入线粒子束的指标Table 1.Beam parameters of the injection line.

3 计算结果

根据注入线上元件的分布和CST 计算得到的加速腔电磁场文件,使用Tracewin 软件建立了注入线的全尺寸模型.由于RFQ 接受直流束,输出连续的束团,而连续束团无法读取纵向相空间分布,只能从输入的纵向束团中选择1 个束团继续跟踪计算(不考虑不同束团间的差异).因而注入线的束流传输计算分为两段:第一段为离子源出口至RFQ 出口,由离子源引出的直流束获得RFQ 出口处的束团分布,计算低能匹配段和RFQ 的传输效率;第二段为RFQ 出口至注入点,计算注入线的传输效率和接受效率.两段之间通过RFQ 出口束团的六维相空间分布衔接.

图4 注入线第一段加速结构束流传输包络 (a) 束;(b) 209Bi32+束Fig.4.Beam envelop in the first section of the injection line:(a) beam;(b) 209Bi32+ beam.

图5 注入线第一段RFQ 出口处束流的六维相空间的分布 (a) 束;(b)209Bi32+束Fig.5.Phase space distribution of the beam output by RFQ:(a) beam;(b) 209Bi32+ beam.

使用RFQ 出口的束流六维相空间分布作为输入计算第二段加速结构,加速209Bi32+的传输效率约为72.16%,接受效率(动量散度在 ± 0.2%内)约为46.72%.加速质子束的传输效率仅为24.19%,接受效率(动量散度在 ± 0.2%内)约为17.84%.第二段加速结构的束流包络如图6 所示.注入点处的束流相空间分布如图7 所示.

图6 注入线第二段加速结构束流传输包络 (a) (剥离为质子)束;(b) 209Bi32+束Fig.6.Beam envelop in the second section:(a) (proton)beam;(b) 209Bi32+ beam.

图7 注入线出口处的束流相空间分布 (a) 质子束;(b) 209Bi32+束Fig.7.Phase space distribution of the beam in front of septum:(a) Proton beam;(b) 209Bi32+ beam.

计算结果表明,为了获得较高的传输效率和接受效率,需要在RFQ 出口处对束流的横向发射度加以限制,以过滤掉那些无法被接受的粒子.为此,计算了第二段加速结构在不同初始横向发射度下的传输效率和接受效率,结果见表2.可以看出,将RFQ 出口束流发射度限制在0.1π mm·mrad时,209Bi32+束的接受效率为92.63%,质子束的接受效率为68.18%.

表2 RFQ 输出束团横向发射度对注入线传输效率和接受效率的影响Table 2.Transmission ratio and beam acceptance of the injection line with different transverse emittance output by RFQ.

SESRI 300 MeV 同步加速器设计为多圈注入加相空间涂抹,因而横向接受度远大于注入束流的发射度且设置了8 个四极磁铁用于调节参数匹配,可以近似认为满足传输要求和能散要求的粒子均可被注入到环中.由环的接受度反推至注入线末端(切割铁入口),以RFQ 出口发射度为0.1π mm·mrad 的质子束为例,注入束发射度、环的接受度[2]及twiss 参数对比如表3 所列.

表3 注入线束流发射度、环的接受度及twiss 参数对比Table 3.List of the injection beam emittance,ring acceptance and twiss parameters.

4 讨论

4.1 束流损失的物理机制

首先分析需要将RFQ 出口发射度限制在0.1π mm·mrad 的原因.粒子束在传输过程中损失虽然都表现为横向碰壁损失,但其损失机制有两种:一是横向损失,某些粒子的横向聚焦不够,轨迹半径过大碰壁损失,但这些粒子的纵向相位和能散都在纵向稳定区之内;二是纵向损失,部分粒子的纵向相位和能散超出了纵向稳定区,这些粒子不能按照设计轨迹加速,最终碰壁损失.我们在加速腔相位选择时已经将束流的纵向相宽和能散进行了限制(如采用聚束器和加速腔工作在—15°相位,优化聚束腔的聚束电压),理想束流(横向发射度为0 时)均在注入线接受度内.多粒子计算的传输效率与接受效率不同的原因为:对于横向尺度较小的离子,感受到加速间隙轴线上的电场,确实是按照设计相位在加速前进;但对于横向尺寸较大的离子,感受到加速间隙轴线外侧的电场.轴线外侧电场高于轴线上的电场,产生了能散展宽.同时轴线外侧粒子的实际路径要长于轴线上的粒子,产生了相位展宽.209Bi32+束分别在0.4π,0.1π mm·mrad 发射度下,IH-DTL2 腔出口束团的纵向分布如图8 所示.可以看到在发射度较大时,能散增大一倍,并且是非对称地向能量偏高的方向展宽,这与偏离轴线的积分电场较强相吻合.同时,相位分布也非对称地向相位滞后方向展宽,这与偏离轴线的粒子的传输路径较长相吻合.对于质子束,在IH-DTL2 腔之前,与209Bi32+束的传输情况基本一样.但之后需要经过IH-DTL3 腔的加速,并且仅在较远的聚束腔之前排列才有聚焦磁铁.质子束在较长距离内都无法获得聚焦力,还需承受加速腔在—15°相位带来的横向散焦力.质子束的损失要比209Bi32+束更加严重,不但有纵向损失,还有较大的横向损失.

图8 209Bi32+在IH-DTL2 出口处的纵向分布(灰色粒子为注入线最终接受的粒子) (a) ε=0.1π mm·mrad;(b) ε=0.4π mm·mradFig.8.Longitudinal distribution of 209Bi32+ beam output by IH-DTL2 (Gray particles are finally accepted by the injection line):(a) ε=0.1π mm·mrad;(b) ε=0.4π mm·mrad.

4.2 加速质子束的问题及解决方案

RFQ 出口束流的发射度限制在0.1π mm·mrad时,质子束的接受率仅为68.18%,这可能为加速器长期工作带来隐患.一种解决方案是将IH-DTL3的加速相位由—15°增加至0°以增加横向聚焦力,但同时也降低了纵向聚焦力.虽然传输效率可达90%,但在注入点达到动量散度 ± 0.2%要求的离子百分比基本不变,不能提高接受效率.经过分析束流的聚散焦情况,提出另一种解决方案:在IH-DTL3加速腔出口处,2Q19 磁铁与散束腔之间增加2 个四极磁铁,与2Q19 磁铁组成一组三组合透镜,提供横向聚焦力.增加透镜后,在0.1π mm·mrad 的限制下,质子束的传输效率达到90.73%,接受效率达到83.61%.增加透镜前后的束流包络如图9 所示,束流包络在IH-DTL3 加速腔之后得到了较好的控制.该方案对注入线的变动极小,现有的空间也足以安装2 个新增的四极铁.

图9 增加四极磁铁前后质子束的包络(0.1π mm·mrad) (a)增加前;(b)增加后Fig.9.Proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad):(a) With additional quadrupoles;(b) without additional quadrupoles.

为了更清晰地看到束线增加四极铁的必要性,对比增加四极铁前后的β函数分布如图10 所示.在不增加四极铁时,散束腔处的β函数太大造成了束流损失.原因是从IHDTL3 至四极铁2Q20 之间接近4 m 的距离内,只有一块四极磁铁(2Q19).对于IHDTL3 出口的轴对称束,2Q19 无法单独使用.散束腔的漂移管孔径仅有34 mm,造成了束流大量丢失.而增加四极铁后很好地控制了散束腔处的β函数,使束流损失大为减小.虽然在匹配段β函数略大,但匹配段的束流管道孔径接近100 mm,束流基本不丢失.从β函数分布来看,在2Q19 处增加四极磁铁是必须且有效的.

图10 增加四极磁铁前后质子束的β 函数(0.1π mm·mrad) (a)增加前;(b)增加后Fig.10.β function of proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad):(a) Without additional quadrupoles;(b) with additional quadrupoles.

5 结论

使用加速腔三维结构计算的电磁场分布完成了SESRI 300 MeV 同步加速器注入线的全尺寸建模,在多粒子跟踪模式下计算了两种典型束流(最轻的质子束和最重的209Bi32+束)在注入线上的传输过程,获得了束流在不同条件下的传输效率和接受效率.得到如下结论.

1)注入线的传输效率不等同于接受效率.较高的接受效率需要同时满足横向聚焦条件和纵向聚焦条件.在发射度较大时,束团尺寸超出动力学孔径,引起纵向能散增加和纵向相位展宽,使离子超出接受度范围.为了获得较高的接受效率,需要在RFQ 出口将束流发射度限制在0.1π mm·mrad.

2)该注入线在加速质子束时,存在横向聚焦力不够的问题.这是加速腔的横向散焦力和较长距离上未排布聚焦四极铁共同造成的.仅仅通过改变加速腔的横向相位虽然可以增加传输效率,但不能增加接受效率.通过增加2 个四极磁铁可以将接受效率由68.18%提高至83.61%.从增加四极铁前后的束流包络和β函数分布可以直观地看出束流包络的改善.

3)使用加速腔的电磁场进行多粒子跟踪,能够最大程度地模拟真实加速器的工作情况,辅助判断加速腔的各种非理想场引起的束流畸变、偏心、发射度增长等问题,为束流调试提供支持.在本文计算过程中就发现RFQ 结构优化不够会造成发射度成倍增长.IH-DTL 的二极场会引起束流偏轴,通过优化IH-DTL 腔的结构将减小二极场分量,减弱偏轴效应.此外,后期将与实际束流调试的结果进行对比.感谢四川大学李智慧研究员、中国工程物理研究院流体物理研究所魏涛及李一丁的讨论.感谢兰州近代物理研究所提供的资料.