羅小為 相新蕾 謝家麟

1（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京 100048）

2（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室 合肥 230027）

傳統(tǒng)電子直線(xiàn)加速器中，電子槍受到廣泛運(yùn)用。將高功率速調(diào)管的用畢束流取代電子槍作為注入束流，則是新型的電子注入方法。電子通過(guò)速調(diào)管輸出腔時(shí)與腔內(nèi)高頻場(chǎng)作用，大多數(shù)電子在輸出腔高頻場(chǎng)減速相區(qū)通過(guò)，其大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為場(chǎng)能；小部分電子在輸出腔場(chǎng)加速相區(qū)通過(guò)，獲得場(chǎng)能而得到加速，產(chǎn)生相位群聚。在速調(diào)管收集極開(kāi)孔，將用畢束流引出，用偏轉(zhuǎn)磁鐵選取群聚的被加速電子作為加速管的注入束流，則可取代傳統(tǒng)電子直線(xiàn)加速器的電子槍及預(yù)聚束系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

模擬分析顯示[1]，較高功率的速調(diào)管可獲得能量高、群聚相位窄的注入電子。但作為一臺(tái)原理驗(yàn)證型裝置，在有限的條件下我們選擇KS4064速調(diào)管作為功率源電子源。該速調(diào)管工作峰值功率為 5 MW，滿(mǎn)功率輸出時(shí)的工作高壓為127 kV，電子注入電流為90 A，工作頻率為2856 MHz。加速管采取 L波段的等阻抗加速結(jié)構(gòu)將電子束加速到 10 MeV，該結(jié)構(gòu)采用38個(gè)SLAC-85#腔[2]，工作在2π/3模式。加速管參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加速管主要參數(shù)Table 1 Accelerating tube parameters.

圖1為裝置結(jié)構(gòu)原理圖，電子在速調(diào)管內(nèi)產(chǎn)生群聚后經(jīng)選能偏轉(zhuǎn)鐵(3)引出，通過(guò)光欄(4)，真空閥(5)以及BCT(8, Beam Current Transformer)后進(jìn)入加速管。真空閥用于系統(tǒng)斷開(kāi)時(shí)保持調(diào)管內(nèi)真空。由于電子束與微波功率同時(shí)產(chǎn)生，速調(diào)管輸出的微波經(jīng)過(guò)大功率移相器后注入加速管中，以調(diào)節(jié)電子束和微波場(chǎng)的相位匹配。系統(tǒng)真空由前級(jí)泵機(jī)組及濺射離子泵系統(tǒng)維持在<1×10–6Pa。

由于KS4064速調(diào)管的用畢束流能量呈連續(xù)譜分布[1]，引出組份在加速群聚區(qū)間可靈活選擇。我們選取高能段的兩處峰值流強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的電子束分別作為注入束團(tuán)進(jìn)行研究。這兩個(gè)束團(tuán)的能量為 170 keV與210 keV。

圖1 裝置原理圖Fig.1 Equipment schematics.

1 束流測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中速調(diào)管工作在118 kV、4.2 MW。通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦線(xiàn)圈與微波相位，可觀測(cè)電子的加速狀況。由圖2波形可以發(fā)現(xiàn)，輸出電子束相對(duì)注入電子束有～0.8 μs的波形損失。這是由于電子束與微波同時(shí)產(chǎn)生，在電子束進(jìn)入加速管后微波填充造成的束流損失。

圖2 170 keV輸入輸出束流流強(qiáng)脈沖波形Fig.2 170 keV input and output pulsed beam intensity.

根據(jù)公式 tF=2Qτ/ω[3]，將 Q=13700，τ=0.41Nb(～4.1 dB)，ω=2πf (f=2856 MHz)代入，可得 tF=626.0 ns。實(shí)際測(cè)試加速管填充時(shí)間為690.5 ns。

束斑截面測(cè)量采取成像靶配合電荷耦合器件(CCD)測(cè)量。靶材料置于加速器鋁窗(75 μm厚)后。試驗(yàn)標(biāo)定電荷密度與成像灰度的s曲線(xiàn)。在顯影線(xiàn)性區(qū)間內(nèi)，用 MATLAB去除本底后對(duì)顯影區(qū)灰度積分，獲得包含90%粒子的束斑包絡(luò)如圖3所示。

圖3 束斑尺寸Fig.3 Beam spot measured at the target.

圖3中，1#為170 keV注入束在注入相位為170°時(shí)的束斑，半徑為4.6 mm。2#為210 keV注入束在注入相位為 210°時(shí)的束斑，半徑為 3.1 mm。3#為170 keV注入束在注入相位為230°時(shí)的束斑，半徑為4.1 mm。6#為加速器輸出窗孔徑。

如圖4，用一塊45°偏轉(zhuǎn)磁鐵測(cè)量能譜，磁鐵中心能量偏轉(zhuǎn)半徑為125 mm，厚3 cm的鉛制束流準(zhǔn)直狹縫置于偏轉(zhuǎn)磁鐵入口和出口位置，以限制束流發(fā)散度。中心位置偏轉(zhuǎn)的束流用電離室和法拉第筒測(cè)量校準(zhǔn)。

圖4 輸出束流能譜測(cè)量裝置Fig.4 Schematics of the beam energy spectrum measurement.

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)作歸一化處理的結(jié)果見(jiàn)圖 5。170 keV和210 keV注入束團(tuán)能量展寬分別為中心能量9.9 MeV，F(xiàn)WHM能散度為14.4%和中心能量10.0 MeV，F(xiàn)WHM 能散度為7.9%。能量測(cè)量的分辨率<0.1 MeV。

流強(qiáng)由兩個(gè) BCT以及法拉第筒的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。210 keV注入束團(tuán)的最大注入宏脈沖流強(qiáng)為8.0 mA，其最大輸出流強(qiáng)為7.0 mA。此束團(tuán)注入工作模式適用于小流強(qiáng)、高束團(tuán)質(zhì)量要求的物理實(shí)驗(yàn)，束團(tuán)的單能性良好、發(fā)射度較小。而在170 keV束團(tuán)組份為注入束時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的偏差較大。測(cè)得的注入最大宏脈沖流強(qiáng)為70.6 mA，對(duì)應(yīng)的輸出最大流強(qiáng)為34.7 mA。雖可通過(guò)減小注入光欄改善注入束能散與注入發(fā)射度而提高束流俘獲率，但輸出宏脈沖流強(qiáng)也隨之減小，遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)預(yù)期的100 mA量級(jí)。

圖5 注入束流在不同光欄孔徑下加速后的能譜Fig.5 Beam energy spectra at 170- and 210-keV injection energy and collimator of 5- or 10-mm width.

2 改進(jìn)分析

造成該偏差的主要原因?yàn)?，普通速調(diào)管的用畢束流是散焦的，電子注入束團(tuán)的旋轉(zhuǎn)發(fā)散動(dòng)量較大。我們?cè)又檬占瘶O聚焦線(xiàn)圈，作用并不理想，在能量選擇磁鐵到加速管入口的無(wú)聚焦自由漂移段中，束流損失嚴(yán)重。用Arsenal-MSU程序模擬了KS40645 MW速調(diào)管在正常工作高壓127 kV、電流89.23 A下的電子輸運(yùn)過(guò)程，跟蹤150個(gè)宏束團(tuán)至收集極開(kāi)口[4]。該程序是2.5維的，描述對(duì)稱(chēng)空間的坐標(biāo)r、z和動(dòng)量Pr、Pc、Pz，其中Pc為旋轉(zhuǎn)動(dòng)量。由對(duì)稱(chēng)空間均勻圓周分布引入Parmela程序所需的θ坐標(biāo)。宏束團(tuán)的粒子數(shù)正比于該宏束團(tuán)的電流組份dI.。為提高模擬的可靠性，我們將宏束團(tuán)數(shù)增加到 750，轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)時(shí)候按 30°均勻分布于圓周，換算成9000個(gè)宏粒子團(tuán)。用Parmela程序描述粒子的偏轉(zhuǎn)、漂移及加速，發(fā)現(xiàn)在原有的聚焦及輸運(yùn)系統(tǒng)下，170 keV組份經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)鐵后為363 mA，經(jīng)8 mm光欄后流強(qiáng)為119.7 mA，漂移過(guò)真空閥到達(dá)加速管入口為35.9 mA。與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。因?yàn)閷?duì)速調(diào)管磁約束場(chǎng)和引出后束流輸運(yùn)及聚焦系統(tǒng)，我們進(jìn)行了重新計(jì)算和設(shè)計(jì)。

在新方案中，將收集極開(kāi)孔半徑由7 mm增至9 mm。通過(guò)磁鐵分層改變磁約束場(chǎng)梯度，用Arsenal-MSU程序?qū)Υ艌?chǎng)分布和強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，在不影響引出微波功率的情況下略微提高速調(diào)管管體約束磁場(chǎng)的強(qiáng)度。在此模型下，程序給出偏轉(zhuǎn)磁鐵入口處的引出宏束團(tuán)坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的流強(qiáng)。所得偏轉(zhuǎn)鐵入口處的宏電子束團(tuán)的能量分布(圖6)。

圖6 收集極出口各宏粒子束團(tuán)能量分布及對(duì)應(yīng)流強(qiáng)Fig.6 Beam energy distribution and intensity at collector exit.

改造 90°偏轉(zhuǎn)磁鐵極面引入邊緣場(chǎng)弱聚焦作用，增加兩個(gè)8°的邊緣場(chǎng)。用Maxwell程序?qū)Υ盆F作改進(jìn)設(shè)計(jì)。在真空閥外增加兩個(gè)聚焦線(xiàn)圈，注入漂移段增加一個(gè)聚焦線(xiàn)圈。同時(shí)將加速管外部的注入段聚焦線(xiàn)圈由9個(gè)減至6個(gè)。比較一系列Parmela

運(yùn)算結(jié)果得到的優(yōu)化情況下，170 keV束流組份經(jīng)過(guò)各漂移段的損失大為減小(表2)。注入加速管電子束團(tuán)經(jīng)加速后輸出流強(qiáng)為92 mA，平均能量為9.6 MeV，F(xiàn)WHM能散度為8.4%。其中86%的電子分布在半徑為4 mm的圓內(nèi)。圖7給出了加速管內(nèi)束團(tuán)橫向包絡(luò)圖。

表2 改進(jìn)方案與原裝置束流(mA)損失對(duì)比(E=170 keV, w=8 mm)Table 2 Beam intensities (in mA) of the improvement at E=170 keV and w=8 mm.

我們?cè)僭谡婵臻y與加速管之間的漂移段引入NdFeB材料的永磁四極透鏡，用Maxwell程序模擬了該永磁四極鐵的場(chǎng)分布。結(jié)果表明，該方案可提高17%的束流輸出，但注入電子的能量卻受該永磁四極鐵限制而不可更改。為進(jìn)一步研究該裝置性能，暫未采取這一方式。

圖7 加速管內(nèi)束團(tuán)橫向包絡(luò)Fig.7 Bunch transverse envelope in acceleration tube.

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)，我們證實(shí)了速調(diào)管用畢束流注入方案的可行性與合理性。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的模擬計(jì)算為我們提供了改進(jìn)裝置性能先進(jìn)的理論依據(jù)，證明該裝置性能還有很大的提高空間。計(jì)算顯示，通過(guò)優(yōu)化裝置宏脈沖流強(qiáng)可達(dá) 90 mA以上的良好工作狀態(tài)。該裝置的低能量高流強(qiáng)注入模式(170 keV注入)和高能量低流強(qiáng)的工作模式(210 keV注入)，可以滿(mǎn)足不同條件的工作需要，具有良好的運(yùn)用前景。

1 王發(fā)芽.高能物理與核物理, 2004, (2): 105–106 WANG Faya.High Energy Physics and Nuclear Physics,2004, (2): 105–106

2 趙籍九, 尹兆升.粒子加速器技術(shù).北京: 高等教育出版社, 2006.469–470 ZHAO Jijiu, YIN Zhaosheng.Particel accelerator technology.Beijing: Higher Education Press, 2006.469–470

3 Lapostolle, Pierre M.Linear accelerators.Amsterdam:North Holland Pub.Co., 1970.55

4 XIE Jialin, WANG Faya, YANG Xueping, et al.Review of Scientific Instruments, 2003, (12): 5053–5057