朱 飛 彭朝華 胡躍明 焦學(xué)勝 陳東風(fēng) 曹亞麗

1（中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所 北京 102413）

2（環(huán)境保護部核與輻射安全中心 北京 100082）

HI-13串列加速器重離子輻照束流線的物理設(shè)計

朱 飛1彭朝華1胡躍明1焦學(xué)勝1陳東風(fēng)1曹亞麗2

1（中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所 北京 102413）

2（環(huán)境保護部核與輻射安全中心 北京 100082）

重離子微孔膜是一種新型的過濾材料，其在醫(yī)療和生物制劑、電子工業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)用中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器提供的32S輻照聚酯薄膜研制微孔膜，其微孔均勻度由束流流強的均勻度決定，要求得到微孔均勻度好于90%。本文采用八極磁鐵校正法對高斯分布束流進行校正，校正后的束流可近似得到均勻分布。設(shè)計計算了輻照束流線光路參數(shù)，并分析了光學(xué)元件安裝準(zhǔn)直公差對束流均勻度的影響。結(jié)果表明，安裝準(zhǔn)直公差會對束流中心軌跡偏移造成很大影響，破壞輻照均勻度，運用導(dǎo)向磁鐵調(diào)束可以滿足均勻度要求。本研究為重離子微孔濾膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種實踐可行的方法，具有很好的實用性。

微孔膜，八極磁鐵，束流均勻度

重離子微孔膜是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的技術(shù)，利用加速器加速的單能重離子束輻照聚酯(PC/PET)膜材，沿離子的軌跡造成輻射損傷，損傷區(qū)域經(jīng)化學(xué)蝕刻后，生成穿透的微孔，孔的數(shù)量和孔形分別由照射劑量和蝕刻條件控制[1]。在生產(chǎn)工藝中，束流輻照均勻度是產(chǎn)品成品率和質(zhì)量的關(guān)鍵。

現(xiàn)有輻照裝置采用的是散焦輻照技術(shù)[2]和掃描輻照技術(shù)[3]。散焦輻照技術(shù)采用的是雙單元磁四極透鏡在Y方向上對束流進行連續(xù)兩次散焦，將束流大面積展開，但展開后的束流仍為高斯分布，輻照均勻度達不到較高要求。掃描輻照技術(shù)采用的是二維電磁掃描法將束流展開，由于靶膜有傳動速度，此種方式對輻照均勻度的穩(wěn)定性難以控制，且容易出現(xiàn)明暗相間的斑馬條紋。針對以上兩種輻照方式的不足，新的輻照技術(shù)采用八極磁鐵校正法，利用八極磁鐵對高階相差的校正作用把具有高斯分布的束流校正成近似均勻分布的束流，極大提高了束流的均勻性。輻照采用能量為140 MeV的32S12+離子，要求輻照寬度為500 mm，束流均勻度好于90%。

1 八極磁鐵校正法原理

八極磁鐵原理圖如圖1所示。N、S為八極磁鐵的八塊磁極，其圍繞中心原點交替對稱放置，圖中實心箭頭指向為磁場強度方向，空心箭頭指向為受力方向。通過受力分析可以看出，八極磁鐵對束流的校正作用是通過磁場力將束流中心部分向兩邊推，束流兩端則受到向中心擠的磁場力；通過調(diào)節(jié)磁場強度，可將成高斯分布束流近似地校準(zhǔn)成均勻分布，從而達到束流均勻化的目的。

圖1 八極磁鐵原理圖Fig.1 Schematic diagram of octupole magnet.

2 八極磁鐵校正法束流線光路設(shè)計

在輻照過程中，聚酯膜材是沿X向以一定速率傳動，其輻照均勻度由Y向束流強度分布決定，則只需一塊八極磁鐵對Y向上束流分布進行校正。光路的起點為串列加速器束流線上分析磁鐵的物點，束流依次經(jīng)過1組雙單元磁四極透鏡、開關(guān)磁鐵、一組雙單元磁四極透鏡、磁四極透鏡，最后用八極磁鐵校正打在靶上。其中磁四極透鏡，八極磁鐵位于串列碉堡區(qū)外的實驗大廳中，束流初始發(fā)射度為1.5 mm×2 mrad。采用了八極磁鐵的重離子輻照束流線布局如圖2所示。

其中KP1為分析磁鐵像點，KP2為束流成腰點，KP3為束流束斑最小點，KP4為八極磁鐵中心點。

應(yīng)用八極磁鐵對Y向束流進行校正時，在八極磁鐵中心處希望束流Y向包絡(luò)較大且X向包絡(luò)盡量小。為此，在八極磁鐵前部安裝一塊磁四極透鏡Q3，其原理見圖3。

圖2 采用八極磁鐵重離子輻照束流線布局Fig.2 Layout of heavy ion irradiation beam line with octupole magnet.

圖3 四極磁鐵原理圖Fig.3 Schematic diagram ofquadrupole magnet.

圖中實心箭頭指向為磁場強度方向，空心箭頭指向為受力方向。通過受力分析可以看出，四極透鏡Q3是對束流Y向散焦X向聚焦，使得八極磁鐵可以較好地對束流進行校正。應(yīng)用TRANSPORT束流光學(xué)計算軟件得出光路束流包絡(luò)如圖4所示。

通過調(diào)節(jié)四極透鏡Q3、八極磁鐵場強及束流從八極磁鐵到靶膜終端的漂移段距離，可得到滿足設(shè)計要求的束斑大小。光路參數(shù)見表1。

圖4 光路束流包絡(luò)圖Fig.4 Beam envelope.

表1 光路參數(shù)Table1 Main parameters of beam line.

圖5給出了有無八極磁鐵時靶上的束流分布。由圖5，八極磁鐵對束流的校正作用明顯，高斯分布束流近似變?yōu)榫鶆蚍植迹瑯O大地提高了束流均勻度。在圖5(b)中束流分布兩端凸起處，可用光闌加在輻照窗前擋去，光闌開口寬度為500 mm(圖6)。

圖5 靶上束流分布(a)無八極磁鐵(b)有八極磁鐵Fig.5 Beam distribution on target (a) without octupole magnet (b) with octupole magnet.

光闌加入會損失掉一部分束流，使得束流的分布寬度變窄。因此在設(shè)計時，通過調(diào)節(jié)磁場強度將束流分布寬度略大于設(shè)計寬度，才能滿足設(shè)計要求。

圖6 有光闌時束流分布圖Fig.6 Beam distribution with diaphragm.

3 公差分析

由八極磁鐵原理結(jié)構(gòu)圖中可以看出，八極磁鐵的八塊磁極是圍繞中心原點對稱分布的，其產(chǎn)生的磁場也為對稱分布。八極磁鐵中心原點處即為束流軌跡中心。因此，在使用八極磁鐵對束流進行校正時，束流中心軌跡必須與八極磁鐵中心原點嚴格重合，才能保證磁場力對束流對稱校正。當(dāng)出現(xiàn)軌跡偏差，校正后的束流分布將產(chǎn)生畸變，此時很難保證束流均勻度(圖7)。

圖7 束流分布畸變圖Fig.7 Distortion of beam distribution.

根據(jù)設(shè)計要求，將在開關(guān)磁鐵后端束流線上加裝一組雙單元磁四極透鏡Q2，一個磁四極透鏡Q3和一個八極磁鐵，任何一個光學(xué)元件都存在安裝公差，這將導(dǎo)致束流中心軌跡的偏移。公差包括5個方面：即水平平面的平移、豎直平面的平移、水平平面的傾斜、豎直平面的傾斜和圍繞縱軸的旋轉(zhuǎn)。就公差種類來說，除了圍繞縱軸的旋轉(zhuǎn)公差之外，其他公差在一級近似下都只影響束流的中心軌跡，而不影響束流的包絡(luò)和成腰位置。而旋轉(zhuǎn)公差則造成束包絡(luò)的變化，同時還造成中心軌跡的偏移[4]。

在實際設(shè)計中，靶膜是沿X方向移動，四極透鏡和八極磁鐵的縱向旋轉(zhuǎn)公差主要影響對束流的聚散焦和校正能力，對束流均勻度影響較小。在八極磁鐵中心處，當(dāng)束流中心軌跡出現(xiàn)豎直平面平移(y)傾斜(y')公差時，會對束流均勻度產(chǎn)生很大影響，通過調(diào)節(jié)四極透鏡Q3及八極磁鐵場強可以對束流均勻度進行修正。但此種調(diào)束方式其范圍有限，在磁鐵場強調(diào)至極限情況下，且束流均勻度需滿足好于90%的設(shè)計要求，即不均勻度要控制在±5%之內(nèi)時，運用Turtle束流光學(xué)計算軟件模擬可以得出束流中心軌跡在八極磁鐵中心處允許偏離極限值。采用數(shù)據(jù)與其均值的絕對偏差的平均值來定義靶上束流分布的不均勻度：

圖8為模擬公差散點分布圖。邊界公差點所引起的不均勻度為±5%，只要公差點落在此封閉區(qū)域內(nèi)，其所引起的不均勻度可通過調(diào)節(jié)磁場強度使得束流分布滿足設(shè)計要求。

圖8 公差分布圖Fig.8 Tolerance distribution.

由圖8，封閉區(qū)域為一近似平行四邊形，當(dāng)y、y'異號時，公差范圍較廣；當(dāng)y、y'同號時，公差范圍較窄；當(dāng)y、y'同號滿足要求時，y、y'異號也必將滿足要求。其中y、y'同號是指平移傾斜公差為同向，y、y'異號是指平移傾斜公差為反向。現(xiàn)取y、y'同號時進行公差分析。束流中心在八極磁鐵處的偏移是由三個光學(xué)元件的安裝公差造成，每個光學(xué)元件的影響因子不一。運用Turtle束流光學(xué)計算軟件來探測光學(xué)元件安裝公差對束流中心軌跡偏移影響，經(jīng)分析雙單元四極透鏡Q2公差Y、Y'在八極磁鐵中心處對束流中心軌跡偏差貢獻約為10倍和4倍關(guān)系；四極透鏡Q3公差Y、Y'在八極磁鐵中心處對束流中心軌跡偏差貢獻約為2倍和1.25倍關(guān)系；八極磁鐵公差Y、Y'對束流中心軌跡偏差貢獻均為1倍關(guān)系。對影響因子進行加權(quán)計算，則換算至每個光學(xué)元件上其公差應(yīng)當(dāng)控制在Y=y/13和Y'=y'/6.25之內(nèi)。取平行四邊形第一象限散點做線性擬合，其大致滿足直線方程y=-2.5(x-4)，現(xiàn)取直線上各點作為計算值，計算結(jié)果見表2。

表2 公差計算Table2 Tolerance calculation.

計算結(jié)果表明，取不同極點進行公差分配，對光學(xué)元件安裝公差要求不一。若希望Y向偏移安裝余量較大，則Y向傾斜安裝余量必然較小，反之亦然。由計算結(jié)果可知，對安裝精度要求較高且考慮到如機械振動，磁極電流波動，磁極加工公差等因素都會對束流均勻度產(chǎn)生影響，故整體安裝余量較小。此外束流中心軌跡偏移會導(dǎo)致束流利用率降低較多，因此可在雙單元四極透鏡Q2和四極透鏡Q3之間安裝Y向?qū)虼盆F，用于調(diào)節(jié)束流在八極磁鐵處的位置和角度偏差。

導(dǎo)向磁鐵由兩個小的二極磁鐵構(gòu)成，兩個二極磁鐵的磁場方向和大小均可任意調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)磁場的方向和大小，對偏離的束流中心軌跡進行修正。兩個二極磁鐵有效長度均為100 mm，磁鐵間距離為100 mm，磁間隙為40 mm，最大場強為2 kG時，調(diào)節(jié)范圍約為y=±5.5 mm，y'=±20 mrad，場強越大調(diào)節(jié)范圍越廣。

4 結(jié)語

利用八極磁鐵校正法將本是高斯分布的束流校正成近似均勻分布束流，通過分析論證，八極磁鐵對束流校正作用明顯，校正后的束流可以達到對輻照生產(chǎn)重離子微孔膜的產(chǎn)品要求，且極大地提高了束流均勻度及束流利用率，有效地降低了生產(chǎn)成本。但八極磁鐵校正法對束流中心軌跡偏移公差較為嚴格，運用導(dǎo)向磁鐵調(diào)束可以滿足設(shè)計要求。

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2 秦久昌, 張桂蓮, 崔心煒, 等. HI-13串列加速器核孔膜輻照專用束流線的研制[J].原子能科學(xué)技術(shù), 2000, 34(6): 550-552

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3 張燦哲, 侯德義, 張桂蓮, 等. HI-13串列加速器重離子掃描輻照裝置[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 1997, 31(5): 390-394

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CLCTL52

Physics design of heavy-ion irradiation beam line on HI-13 tandem accelerator

ZHU Fei1PENG Zhaohua1HU Yueming1JIAO Xuesheng1CHEN Dongfeng1CAO Yali2
1(Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection of China, Beijing 100082, China)

Background: Heavy-ion microporous membrane is a new kind of filter material, which has prosperous application in the fields of medical and biological agents, electronic, food, environmental science, materials science, etc. Purpose: Polyester membranes were irradiated with32S produced by HI-13 tandem accelerator to develop a microporous membrane at CIAE, and the irradiation uniformity is determined by the beam distribution, also the microporous uniformity is required higher than 90%. Methods: An octupole magnet was used to correct the beam distribution from Gauss to uniform. Meanwhile, main parameters of beam line were given, and the alignment tolerances for optical elements were also analyzed. Results: Alignment tolerance of the optical elements could cause great influence on the beam center deviation in the process of correction, which would destroy the irradiation uniformity. Steering magnet was applied to meet with the design requirements. Conclusion: This study provides a practical and feasible way for industrial production of heavy-ion microporous membrane.

Microporous membrane, Octupole magnet, Beam uniformity

TL52

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.020204

朱飛，男，1988年出生，2010年畢業(yè)于南華大學(xué)，現(xiàn)為南華大學(xué)碩士研究生，研究領(lǐng)域：粒子加速器束流光學(xué)

曹亞麗，E-mail: cyljjf@gmail.com

2013-11-11，

2013-12-03