14GHz强流质子源的研制与调试

张文慧，武 启，马鸿义，郭俊伟，钱 程，王 辉，马保华，冯玉成，李锡霞，张恒娟，张雪珍，孙良亭，张子民，赵红卫

（中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

强流质子源及其低能传输线是加速器驱动洁净核能系统（ADS）中至关重要的源头设备，其性能指标、运行稳定性和可靠性决定着整个加速器系统的束流品质和束流稳定度。为此，世界上几个著名的实验室，如法国的CEA／Saclay［1］、美 国 的Los Alamos［2］和 意 大 利 的INFN［3］等，都对强流质子源及其低能传输线进行了长期的研究，并取得了一定的成果。各实验室研制的强流质子源均以2.45GHz为主，其所产生的束流强度可满足ADS的要求，而最关键的问题是长期（按月计算）运行连续强束流的情况下，质子源部分部件如微波窗、引出电极等的寿命和束流的稳定性，特别是在50～100keV的束流能量下如何完全避免引出区高压打火或等离子体熄弧而引起的瞬间束流中断。由于IFMIF 工程的驱动，法国CEA／Saclay 实验室已有近20 年研究和研制2.45GHz强流质子源的积累，也是目前在强流质子源领域领先的实验室，即使CEA／Saclay研制的强流质子源，目前也无法完全避免引出区高压打火［1］。

借鉴高电荷态ECR 质子源的运行经验，高频率微波与等离子体的耦合远比2.45 GHz好，且不需自动调谐器，同时高效率的微波耦合可降低微波的反射，也可降低甚至杜绝等离子体息弧引起的束流瞬间中断，提高束流的稳定性。另外，与大多数2.45GHz ECR 质子源不同，高微波频率（10～18GHz）ECR 质子源的微波窗不用与等离子体接触，故可解决微波窗寿命对质子源长期工作的影响，有利于质子束的长期稳定。因此，通过研制新型的10～18GHz强流质子源，并对其场型和结构优化，可进一步研究强流质子束产生及其稳定性。

1 实验装置

本项目研制的高频强流质子源采用的微波频率为14GHz，由1台工作频率可调的行波管微波机提供。质子源的微波系统由微波机、DC-break、微波窗组成，微波通过波导管直接馈入质子源弧腔。质子源工作所需的磁场为0.5T。为保证源体结构的简单紧凑，同时降低研制成本，采用高磁能积的钕铁硼永磁铁来建造源体磁场。图1 为该质子源的结构示意图。质子源主体由充磁方向形成一定角度的两个永磁环和弧腔组成，永磁环和弧腔内的一组铁轭共同形成适合电子回旋共振的磁场。质子源弧腔内轴向磁场分布如图2所示。

为避免弧腔内等离子体的热量对永磁铁带来的不利影响，质子源弧腔整体采用导热性能良好的紫铜，且在弧腔外加有高压去离子水以交换弧腔所带出来的热量。工作气体经过精密针阀由进气管进入内衬氮化硼（BN）筒的弧腔，在电子回旋共振的作用下形成高密度等离子体，并被加速减速电极系统引出，加速电压设计为35kV。图3示出引出束流为35kV、35mA条件下，用PBGUNS 模拟计算的引出束流传输轨迹及电场线分布。质子源引出端陶瓷环后连接一六通真空腔体，其中上端安装一套分子泵机组，可使真空室腔体内获得较好的真空度。束流被引出后由一安装在六通后面的Beam stop接收测量，并经与标准法拉第筒校准，排除二次电子影响。图4为整个实验平台的实物布局。

图1 质子源体剖面图Fig.1 Schematic of setup of proton source

图2 源体轴向磁场分布Fig.2 Axial magnetic field distribution of source body

2 性能调试

图3 PBGUNS程序模拟计算的引出系统Fig.3 PBGUNS simulation for extraction system

当微波径向馈入时，波导注入口位于弧腔中心，由于此处存在弧腔内磁场的最低点，这里的磁场变化缓慢，ECR 共振面较大，有利于微波耦合和等离子体的扩散。质子源通过一个φ6mm的等离子体电极引出束流，在径向馈入微波、引出高压40kV条件下，实验引出总束流强度与微波机输出功率的关系示于图5。其中，D1为加速极间距；D2为减速极间距。由于微波机反射功率过高等原因，微波输出无法继续增加，在220 W时得到3.7mA的质子混合束流。即使如此，Beam stop上接收到的束流随着输出功率的增加而增大的趋势很明显，从实验上证实了高频强流质子源的研制成功。

图4 质子源及其实验测试平台Fig.4 Proton source and experiment platform

图5 不同极间距下引出总束流强度随微波功率的变化Fig.5 Total beam intensity vs microwave power and distance between extraction electrodes

在该实验平台上还进行了轴向微波馈入实验，但由于微波机故障未获得更好的结果。

3 讨论和展望

强流质子束的成功引出，说明14GHz强流质子源原理样机的研制成功，也从原理上证明该设计方案是可行的。为了符合ADS项目的要求，进一步提高引出束流的流强和稳定性，一台全新磁体结构、更强磁场的强流质子源已设计完成，新源磁场采用常温水冷线包，弧腔内径70 mm，最高可工作于18 GHz微波频率。目前新质子源平台正在建造中。

［1］ GOBIN R，BEAUVAIS P Y，BENMEZIANE K，et al.Saclay high intensity light ion source status［G／OL］∥Proceedings of EPAC 2002.Paris.http：∥epaper.kek.jp／e02／PAPERS／THPRI003.pdf.

［2］ SHERMAN J D，FIGUEROA T L，HANSBOROUGH L D，et al.A 75keV，140mA proton injector［J］.Review of Scientific Instruments，2002，73：917-921.

［3］ GAMMINO S，CIAVOLA G，CELONA L，et al.Enhancement of ion current from the TRIPS source by means of different electron donors［J］.Review of Scientific Instruments，2006，77：03B511.