CPHS中强流质子源与低能传输线研制

武 启，张文慧，杨 尧，马鸿义，曹 云，钱 程，马保华，王 辉，李锡霞，孙良亭，张雪珍，张子民，赵红卫

（中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

2009年，清华大学工程物理系微型脉冲强子源（CPHS）项目正式启动建设［1］。该项目由13 MeV／60mA 强流脉冲质子直线加速器、中子靶站及中子照相站等组成。质子直线加速器由质子源、低能传输线（LEBT）、射频四极场（RFQ）、漂移管加速器（DTL）和高能传输线等构成。其中，质子源和低能传输线由中国科学院近代物理研究所设计、加工及调试［2］。作为直线加速器的关键部分，质子源和LEBT的性能直接影响加速器的性能指标。该项目的质子源由电极系统引出50keV 的脉冲质子束，经低能传输线聚焦到与之相匹配的RFQ 加速器内。为使50keV条件下质子源引出高质子比、高品质的强流束，工程项目选择了2.45GHz的电子回旋共振（ECR）质子源。该质子源源体采用永磁与线包相结合的方式激励磁场，目的是微调弧腔注入端与引出端磁场强度，产生可靠稳定束流。在磁场环境中，工作气体经微波加热产生密度较高的等离子体（约1011cm-3），经过强电场引出强流束［3］。为使低能传输段能很好地调节RFQ 入口处匹配参数，采用像差较小的双螺线管及限流锥调节实现RFQ 的光学匹配。

本文介绍质子源和LEBT 系统布局及初步调试结果，并就束流传输与束流品质进行研究。

1 实验装置

1.1 质子源设计参数

2.45GHz强流脉冲质子源及低能传输线实验平台布局如图1所示。整个实验装置主要由4部分组成，即微波馈入系统、源体、低能传输线及束流诊断系统。质子源和低能传输线的初始设计参数列于表1。微波馈入系统由2M167B型磁控管（0～900 W，频率2.45GHz）、BJ-26矩形波导激励器、环形器、电动三销钉调谐器、高压隔离器、过渡波导和微波窗组成。质子源源体使用螺线管和永磁相结合的方式激励磁场，当微波馈入放电室中，电子通过回旋共振被加热，与氢气分子碰撞产生等离子体。冯哲等［3］利用发射光谱法计算出强流ECR 质子源中等离子体密度约为1010～1011cm-3。低能传输线包括真空管道、螺线管聚焦透镜、导向磁铁、闸板阀、限流椎和电子陷阱。LEBT 出口束流质量直接影响整个加速器性能指标。束流传输过程中，由于空间电荷效应会导致质子束横向发散，进而引起发射度增加。束流诊断系统包括ACCT 和法拉第筒、Allison 发射度仪，ACCT 和法拉第筒用来监测脉冲束流信号，发射度仪用于测试LEBT 出口发射度，进而得到Twiss光学参数。

图1 质子源实验装置与布局Fig.1 Layout of proton source and LEBT

表1 质子源及LEBT的主要设计参数Table 1 Main design parameters of proton source and LEBT

1.2 质子源磁场结构

早在20世纪90年代，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的2.45GHz质子源由两个线圈产生磁场［4］，法国原子能院研制了不同结构的线包源及永磁源［5-7］，北京大学重离子物理研究所研制了不同结构全永磁离子源，源体结构简单且体积小［8］。纵观世界上不同直线加速器平台，2.45GHz ECR 质子源磁场的产生方式有两种，即采用常温螺线管产生磁场和用永磁铁产生磁场。采用螺线管激励方式，质子源源体体积较大，且需要线包电源及高压隔离平台，增加了实验平台的研制成本。近年来，各直线加速器实验室都在研制不同的紧凑型ECR 质子源，最为代表的是北京大学重离子物理研究所［8-9］。与其他实验室离子源不同的是，CPHS质子源采用永磁铁与线包相结合的方式激励磁场，如图2所示。这样可精确调节质子源放电室两端磁场结构，使微波和等离子体耦合效率更佳。质子源轴向磁场模拟计算结果分布如图3所示。从图3 可看出，在微波注入端与引出端都出现ECR 面（0.087 5T），微波注入端磁场最高升至0.095T，引出端轴向磁场约为0.087T，在z＝1～7cm 之间，磁场强度先增后减，采用此场型优点在于在注入端附近产生轴向约束等离子体，提高等离子体截止密度。

图2 源体结构示意图Fig.2 Schematic of source body

2 实验结果及讨论

质子源实验平台诊断室分为第1诊断室及第2诊断室，两个诊断室分别位于低能传输线前端及后端。第1诊断室由法拉第筒测试束流强度；第2诊断室装有发射度探测器及法拉第筒，ACCT 位于限流锥后，可在线测试，测试标度为12mA／V。

图3 轴向磁场分布Fig.3 Axial magnetic field profile

2.1 脉冲束流波形测试

图4示出法拉第筒和ACCT 在LEBT 出口测试的束流波形。实验参数如下：重复频率为50Hz，脉宽设置为0.5ms，占空比为2.5%，引出高压为50kV，平均电流为1.6mA，吸极上抑制电压为-2.0kV，真空为8.5×10-4Pa。ACCT 测试得出参数为脉宽0.424 ms，幅值4.8V，转换成电流为57.6 mA。法拉第筒测试束流脉宽为0.40 ms，电流幅值为60 mA。从结果来看，ACCT 测试束流幅值与法拉第筒测试幅值相差7%，且ACCT 测试束流强度小于法拉第筒测试束流强度，可能是ACCT 受电子干扰造成测量结果偏小。从图4a可看出，磁控管激发脉宽为0.5 ms，束流信号脉宽小于0.5ms，约有100μs延迟，主要是由于微波功率较小时ECR 放电延迟。

2.2 束流发射度测试

RFQ 入口发射度要求不大于0.2πmm·mrad，故在LEBT 出口诊断室安装了Allison发射度探测器。实验中，发射度探测器主要由前狭缝、电偏转板、后狭缝及法拉第筒构成。前狭缝是位置取样，确定束流的位置；电偏转板和后狭缝是角度取样，确定束流的角度大小；前后狭缝缝宽0.2 mm。法拉第筒根据接受束流大小，确定某位置、某角度的束流密度大小。通过对偏转板进行电压扫描，确定不同位置、不同角度的束流密度大小，便可在相空间中确定束流的相图及密度分布，从而得到束流的发射度。

图4 LEBT 出口法拉第筒测试50keV／60mA 脉冲波形和ACCT 测试信号Fig.4 50keV／60mA pulsed beam waveforms measurement by Faraday cup and ACCT

某位置一定角度的束流能被法拉第筒接受，必定满足如下条件：

其中：X′为某位置束流的角度；Leff为探测器的有效长度；g 为偏转板的间距；V 为两偏转板之间的电压；U 为离子源的引出电压。

对脉冲束流来说，同步测量是非常重要的。测量电子学需要在直流束测量的基础上增加一些同步电路，这便增加了测量的复杂程度。为简化测量电路，采取了脉冲束单次测量最大值的办法。具体方法为：在1个束流周期内，对大量采样数据取最大值作为此时的1个采样数据点，根据此测量过程，采集所有的数据点，最后在采集到的数据中除去本底测量最大值的平均值即可得到所需数据。通过这种方法，可不增加任何同步电路实现测量脉冲束的发射度。但这种方法的缺点是测量时间会长一些，因此在实验中，未采用同步电路方法进行测试。而是采用了单次最大值的方法。50 Hz／0.5 ms脉冲束，一次测量的时间约为10min。

测试了50keV／60mA 下LEBT 出口发射度，得到了其相图分布（图5）。实验条件如下：重复频率为50 Hz，占空比为2.5%，引出高压为50kV，平均电流为1.6 mA，进气真空为8.5×10-4Pa，束流强度为60mA，螺线管电流I1＝320A、I2＝299A。束流距离LEBT 出口匹配点10cm 处的发射度为0.17 πmm·mrad，Twiss参数α＝-2.5、β＝11.8cm／rad。从相图分布得知，离子源引出束流后，经螺线管聚焦成腰后漂移至第2诊断室。束流经过低能传输线后发射度增加较少，在螺线管聚焦后未引起畸变，发射度满足RFQ 入口需求。强流粒子束传输中，空间电荷效应是引起发射度增加的主要因素。50keV／70mA 强流束经四电极引出后，通过低能传输段至RFQ 入口；电极结构及电压参数的设置直接决定束流品质优劣。为此，测试了50keV／60 mA 脉冲质子束下，归一化均方根发射度随抑制电压Vb的变化关系，如图6 所示。可看出，抑制电压从-1.0kV增至-3.5kV 时，发射度先减小后增加，且在-2.0kV时达到一个极小值。

图5 LEBT 出口发射度相图分布Fig.5 Emittance phase space distribution for 50keV／60mA proton beam

图6 50keV／60mA 脉冲质子束发射度与抑制电压的关系Fig.6 Relationship of emittance and voltage on suppression electrode

3 结论

研制了一套用于直线加速器注入的质子源及低能传输线。质子源在引出能量50kV 时，第1 个法拉第筒测试的混合束流强度好于70mA；在LEBT 出口引出60 mA 质子束时，测试的归一化发射度为0.18πmm·mrad，并测试了四电极结构中，抑制电压对发射度的影响。根据实验结果可知，质子源性能测试达到了预定设计指标。

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