李金海，王思力，劉保杰（中國原子能科學(xué)研究院核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413）

高能大功率電子輻照加速器270°偏轉(zhuǎn)光路設(shè)計(jì)

李金海，王思力，劉保杰
（中國原子能科學(xué)研究院核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413）

摘要：為實(shí)現(xiàn)高能大功率電子輻照加速器的一機(jī)多用目的，需研制270°偏轉(zhuǎn)光路支線。本文采用Trace3D程序?qū)?70°偏轉(zhuǎn)光路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)了雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵和整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵。對雙135°和整體270°兩種偏轉(zhuǎn)磁鐵元件進(jìn)行二維和三維電磁場設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵的場分布與光路設(shè)計(jì)中所要求的物理參數(shù)差距較大。由于整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵的場分布調(diào)整較困難，使工程實(shí)施中的束流調(diào)試難度較大，因此采用雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵的光路方案。

關(guān)鍵詞：高能大功率電子輻照加速器；束流光路；消色散；135°偏轉(zhuǎn)磁鐵；整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵

［2014］112號(hào)）

高能大功率電子輻照加速器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、衛(wèi)生、環(huán)保等領(lǐng)域，被譽(yù)為綠色加工裝置，是符合可持續(xù)發(fā)展要求的理想輻射源，是輻射加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢［1－5］。其產(chǎn)生的射線具有可控、能量高、輻照時(shí)間短、無核廢物、不會(huì)殘留放射性物質(zhì)、不危害環(huán)境等特點(diǎn)。高能大功率電子輻照加速器的運(yùn)行參數(shù)一般為10 MeV電子能量和10kW以上束流功率。

為了充分利用高能大功率電子輻照加速器裝置，很多用戶會(huì)要求實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的，這就需研制不同的電子束流應(yīng)用支線，其中的關(guān)鍵部件是270°偏轉(zhuǎn)磁鐵。國際上很多醫(yī)用加速器裝置采用了270°偏轉(zhuǎn)方案，包括整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵方案、3個(gè)偏轉(zhuǎn)磁鐵方案、近180°偏轉(zhuǎn)加近90°偏轉(zhuǎn)方案等［6］。李泉鳳等［7－10］對醫(yī)用加速器的整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵做過相關(guān)研究。高能大功率電子輻照加速器270°偏轉(zhuǎn)支線的設(shè)計(jì)需考慮到系統(tǒng)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度等因素，整體270°磁鐵結(jié)構(gòu)緊湊，而雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵夾四極透鏡的實(shí)現(xiàn)難度低，因此本文對這兩個(gè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算，比較兩個(gè)方案的可行性。

1　光路設(shè)計(jì)模擬

圖1　 高能大功率電子輻照加速器結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of high power electronirradiation accelerator

高能大功率電子輻照加速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，電子束除需常規(guī)的下方掃描輻照，還需將束流偏轉(zhuǎn)270°，將垂直傳輸?shù)氖髯優(yōu)樗絺鬏數(shù)氖饕赃M(jìn)行其他應(yīng)用。光路設(shè)計(jì)的要求有3點(diǎn)：1）需實(shí)現(xiàn)不同能量的電子束270°偏轉(zhuǎn)；2）需實(shí)現(xiàn)消色差的效果，即避免因電子束團(tuán)的能散導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)后的束斑擴(kuò)大；3）光路末端束斑滿足用戶需求，并可根據(jù)需要調(diào)整。光路的模擬計(jì)算采用Trace3D程序。

首先針對不同能量和不同光路方案進(jìn)行光路的設(shè)計(jì)與計(jì)算，圖2為整體270°磁鐵的不同能量的光路束流包絡(luò)，磁鐵中間為梯度偏轉(zhuǎn)場，兩邊為均勻偏轉(zhuǎn)場，中心線上方的包絡(luò)線是束流偏轉(zhuǎn)平面上的，中心線下方的是垂直束流偏轉(zhuǎn)平面上的包絡(luò)線。計(jì)算了5%和10%兩種束流能散的情況，可發(fā)現(xiàn)，包絡(luò)僅在偏轉(zhuǎn)磁鐵區(qū)域不同，其他區(qū)域是相同的，即光路是消色散的。光路末端靶點(diǎn)直徑為1mm左右，即光路基本可滿足要求。

圖2　 整體270°磁鐵6MeV（a）、8MeV（b）、10MeV（c）光路束流包絡(luò)Fig．2 6MeV（a），8MeV（b）and 10MeV（c）beam envelopes of 270°bend magnet

圖3為雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵夾四極透鏡的光路束流包絡(luò)，其偏轉(zhuǎn)區(qū)域的包絡(luò)更大，有利于能量準(zhǔn)直。光路末端靶點(diǎn)直徑亦為1mm左右。

2　偏轉(zhuǎn)磁鐵設(shè)計(jì)模擬

本文設(shè)計(jì)的整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵參數(shù)如下：偏轉(zhuǎn)半徑，60mm；磁極間隙，14mm／24mm；總偏轉(zhuǎn)角度，270°；梯度場區(qū)偏轉(zhuǎn)角度，48°；梯度場區(qū)場指數(shù)，1．16；出入口邊緣角，25°；偏轉(zhuǎn)磁鐵區(qū)內(nèi)徑，40mm；偏轉(zhuǎn)磁鐵區(qū)外徑，85mm；12MeV電子偏轉(zhuǎn)所需磁場，0．7T。模擬計(jì)算了兩個(gè)磁極間隙的場分布情況，磁極間隙分別為14mm和24mm。根據(jù)圖2的計(jì)算結(jié)果，其垂直束流偏轉(zhuǎn)平面上的束流包絡(luò)最大為5mm，磁鐵間隙至少是最大包絡(luò)的2倍，考慮到安裝空間和真空盒的厚度，磁鐵間隙設(shè)為14mm。由于電子束流的流強(qiáng)很大，其實(shí)際包絡(luò)一般會(huì)大于5mm，為提高工程設(shè)計(jì)的冗余度，磁鐵間隙增加到24mm。

圖3　 雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵夾四極透鏡6MeV（a）、8MeV（b）、10MeV（c）光路束流包絡(luò)Fig．3 6MeV（a），8MeV（b）and 10MeV（c）beam envelopes of double 135°bend magnet with clamped quadruple

圖4　 梯度場區(qū)場分布Fig．4 Field distribution of gradient field

磁場分布的模擬計(jì)算首先采用二維場計(jì)算程序POISSON對梯度偏轉(zhuǎn)場區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，所得場分布如圖4所示，可看出，其模擬計(jì)算的曲線與理論要求的設(shè)計(jì)曲線非常接近。由于整體270°磁鐵同時(shí)存在均勻偏轉(zhuǎn)場區(qū)的梯度偏轉(zhuǎn)場區(qū)，需對其三維場分布進(jìn)行模擬計(jì)算，其三維建模及三維場分布如圖5、6所示。

圖5　 整體270°磁鐵三維建模Fig．5 Three－dimentional mode of 270°bend magnet

圖6　 整體270°磁鐵三維磁場分布Fig．6 Three－dimentional magnetic field distribution of 270°bend magnet

整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵的參考離子運(yùn)動(dòng)軌道半徑為60mm，在半徑為70mm和50mm的圓周軌道上的一維場分布如圖7所示。可看出，在均勻場區(qū)和梯度場區(qū)之間存在一過渡區(qū)域，這種過渡區(qū)域是很難避免的，因?yàn)檎鎸?shí)的物理場分布曲線必須是可導(dǎo)的。在圖2中的光路計(jì)算中，假定了均勻場區(qū)和梯度場區(qū)之間是臺(tái)階躍變的，因此模擬計(jì)算的場分布不能完全滿足光路設(shè)計(jì)的要求。尤其是24mm大間隙磁鐵的場分布，其過渡場區(qū)較14mm小間隙磁鐵的大20°的范圍。

圖7　 半徑為70mm（a）和50mm（b）的圓周軌道上的一維場分布Fig．7 One－dimensional field distribution along circles of R＝70mm（a）and R＝50mm（b）

文獻(xiàn)［10］對整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵出入口的邊緣場問題進(jìn)行了研究，而對于磁鐵內(nèi)部均勻場與梯度場之間過渡區(qū)的問題，尚未見報(bào)道。對于高能大功率電子輻照加速器，小間隙磁鐵易引起束流損失，因此工程上希望采用大間隙的偏轉(zhuǎn)磁鐵，而大間隙磁鐵的場分布嚴(yán)重惡化，目前尚無成熟的軟件對這種過渡區(qū)對粒子動(dòng)力學(xué)的影響進(jìn)行研究。因此，270°整體偏轉(zhuǎn)磁鐵在高能大功率電子加速器工程實(shí)施過程中存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，所以采用雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵夾四極透鏡的光路方案可行性更高。

本工作設(shè)計(jì)的雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵參數(shù)如下：磁極間距，100 mm；偏轉(zhuǎn)半徑，200 mm；12MeV偏轉(zhuǎn)所需磁感應(yīng)強(qiáng)度，0．21T；線包厚度，52mm；線包長度，403mm；出入口邊緣角，0°。其三維磁場計(jì)算結(jié)果如圖8、9所示。圖9中的場分布存在磁場的邊緣場區(qū)問題，此問題與圖7中的過渡場區(qū)不同，因?yàn)檫吘増鰠^(qū)的磁場雖逐漸降低，但其平行磁鐵邊緣方向上的磁場基本是均勻的；而過渡場區(qū)的場分布是從均勻場區(qū)過渡到梯度場區(qū)，其磁場指數(shù)沿粒子運(yùn)動(dòng)軌跡是變化的，因此其對束流動(dòng)力學(xué)的影響更為復(fù)雜。雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵夾四極透鏡方案的元件三維布局如圖10所示。

圖8　 雙135°磁鐵三維磁場分布Fig．8 Three－dimentional magnetic field distributionof double 135°bend magnet

圖9　 雙135°磁鐵參考軌道場分布Fig．9 Field distribution along reference orbit of double 135°bend magnet

圖10　 雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵夾四極透鏡的元件三維布局Fig．10 Arrangement of double 135°bend magnet with clamped quadruple

3　結(jié)論

在光路設(shè)計(jì)中，整體270°偏轉(zhuǎn)和雙135°偏轉(zhuǎn)均可實(shí)現(xiàn)光路的匹配，達(dá)到用戶要求。但模擬計(jì)算結(jié)果顯示，整體270°偏轉(zhuǎn)磁鐵的場分布過渡場區(qū)太大，而過渡場區(qū)對束流動(dòng)力學(xué)的影響目前還無合適的軟件對其進(jìn)行模擬計(jì)算，且整體270°偏轉(zhuǎn)的梯度場區(qū)的調(diào)整僅能改變機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，不能連續(xù)多次調(diào)整，因此導(dǎo)致工程實(shí)施難度和風(fēng)險(xiǎn)很大。雙135°偏轉(zhuǎn)磁鐵在實(shí)現(xiàn)光路設(shè)計(jì)目標(biāo)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)即時(shí)連續(xù)調(diào)整，其大間距磁極可接收大包絡(luò)的強(qiáng)流電子束，因此對高功率束流的傳輸匹配非常有利。

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Design of 270°Bend Branch for High Power Electron Irradiation Accelerator

LI Jin－h(huán)ai，WANG Si－li，LIU Bao－jie
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－17，Beijing102413，China）

Abstract：In order to realize the multi－usage on one high power electron irradiation accelerator，the 270°bend branch is needed to be researched．The beam dynamic design and calculation were done for 270°bend branch with the Trace3Dcode．Two schemes of bend magnet were designed．One is 270°bend and the other is double 135°bend．The design and calculation of the 270°and double 135°bend magnets were done by using two－dimensional and three－dimensional electro－magnetic field calculation code．The calculation result shows that there is a big difference between the simulation and the beam dynamic demand of the field distribution of 270°bend magnet．Because it is very difficult to adjust the field of 270°bend magnet during the commissioning，the double 135°bend magnet is preferred to be used．

Key words：high power electron irradiation accelerator；beam optics；de－dispersion；135°bend magnet；270°bend magnet

作者簡介：李金海（1974—），男，山東高密人，研究員，博士，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91126003）；中國核工業(yè)集團(tuán)公司“重點(diǎn)科技專項(xiàng)和優(yōu)先發(fā)展技術(shù)”項(xiàng)目資助（中核科發(fā)

收稿日期：2014－04－01；修回日期：2014－11－30

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1529

文章編號(hào)：1000－6931（2015）08－1529－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TL501．5；TL503．8