黃明陽(yáng)，許守彥，盧曉含，王 生

(1.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

中國(guó)散裂中子源(CSNS)是用于中子散射研究的大型基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺(tái)[1-2]，于2018年3月15日完成工藝驗(yàn)收，2018年8月23日整體完成國(guó)家驗(yàn)收。CSNS包括1臺(tái)80 MeV直線(xiàn)加速器、1臺(tái)1.6 GeV快循環(huán)同步加速器(RCS)、1個(gè)中子靶站和多臺(tái)譜儀[3]。CSNS是發(fā)展中國(guó)家第1臺(tái)散裂中子源，位于世界四大散裂中子源之列[4]。

注入系統(tǒng)是CSNS加速器的核心組成部分，注入效率是決定加速器能否安全運(yùn)行的重要因素。注入過(guò)程決定著循環(huán)束的初始狀態(tài)，對(duì)束流累積和束流加速過(guò)程具有重要的影響。注入束流損失[5]是限制RCS能否在高功率下運(yùn)行的決定性因素之一。CSNS注入系統(tǒng)采用H-剝離技術(shù)和相空間涂抹方案，由4塊水平固定凸軌磁鐵(BC)、4塊水平涂抹凸軌磁鐵(BH)、4塊垂直涂抹凸軌磁鐵(BV)、2塊切割磁鐵(ISEP)和主剝離膜及次剝離膜組成[6-8]。

注入系統(tǒng)束流調(diào)節(jié)是CSNS加速器束流調(diào)節(jié)的重要組成部分。注入束流調(diào)節(jié)的核心內(nèi)容是注入束流損失調(diào)節(jié)。為控制注入束流損失、提高注入效率，本文研究注入束流損失的主要來(lái)源，對(duì)不同來(lái)源的束流損失進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

1 注入束流損失來(lái)源

注入系統(tǒng)是連接直線(xiàn)加速器和RCS的關(guān)鍵設(shè)備。注入系統(tǒng)束流調(diào)節(jié)的最終目標(biāo)是確保直線(xiàn)加速器束流順利進(jìn)入RCS，盡量減小注入束流損失。圖1為注入系統(tǒng)示意圖。提高注入效率、減小注入束流損失是注入束流調(diào)節(jié)好壞的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)。

直線(xiàn)加速器注入到RCS會(huì)產(chǎn)生不同方面來(lái)源的束流損失。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究和分析，注入束流損失來(lái)源主要包括以下幾個(gè)方面：當(dāng)直線(xiàn)加速器注入束流參數(shù)和RCS束流參數(shù)不匹配時(shí)，如相空間坐標(biāo)不匹配、能量不匹配、相位不匹配等，均會(huì)造成大量的束流損失；當(dāng)包括涂抹方式、涂抹范圍、涂抹曲線(xiàn)等注入方式不合適時(shí)，也會(huì)造成注入束流損失；在注入束流穿越主剝離膜時(shí)，會(huì)損失兩個(gè)電子和部分剝離膜散射粒子；由于受溫升范圍限制，主剝離膜的剝離效率總小于100%，這就會(huì)產(chǎn)生一定的未被剝離的粒子損失?？傊?，注入束流損失來(lái)源多樣，要盡量減小束流損失，就需從不同源頭有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)節(jié)。

圖1 CSNS加速器注入系統(tǒng)示意圖Fig.1 Layout of injection system for CSNS accelerator

2 注入束流損失調(diào)節(jié)

在CSNS加速器束流調(diào)節(jié)過(guò)程中，針對(duì)不同的束流損失來(lái)源進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)和優(yōu)化，以滿(mǎn)足直線(xiàn)加速器束流注入到RCS的要求。

2.1 注入?yún)?shù)匹配

在直線(xiàn)加速器束流注入到RCS調(diào)節(jié)初期，由于注入束流相關(guān)參數(shù)還不是很明確，注入系統(tǒng)磁鐵和電源的設(shè)置值只能暫時(shí)按理論值置入，這可能造成直線(xiàn)加速器注入束流參數(shù)和RCS束流參數(shù)不匹配，進(jìn)而產(chǎn)生大量束流損失。因而，需對(duì)注入束流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和匹配。在加速器束流調(diào)節(jié)過(guò)程中，分別在I-Dump和R-Dump兩種機(jī)器模式下測(cè)量注入束流參數(shù)和進(jìn)行注入束流參數(shù)匹配。

為測(cè)量注入束流參數(shù)，得到注入系統(tǒng)磁鐵設(shè)置值，并調(diào)節(jié)好殘余H0粒子進(jìn)入I-Dump的束流傳輸路線(xiàn)，設(shè)計(jì)了I-Dump束線(xiàn)模式。圖2為I-Dump束線(xiàn)示意圖。

圖2 I-Dump束線(xiàn)示意圖Fig.2 Layout of I-Dump beam line

在I-Dump模式下，利用注入?yún)^(qū)4個(gè)多絲靶和LRBPM18測(cè)量得到的束流中心的位置信息可計(jì)算出束流在注入點(diǎn)處的相空間坐標(biāo)[9]，然后通過(guò)調(diào)節(jié)輸運(yùn)線(xiàn)上靠近注入?yún)^(qū)的校正子或微調(diào)INSEP01和INBC，可將束流在注入點(diǎn)處的相空間坐標(biāo)校正到合理范圍，以滿(mǎn)足直線(xiàn)加速器束流精確注入到RCS的要求。圖3為多絲靶INMWS01和INMWS03的測(cè)量結(jié)果，圖3a、b中的兩條線(xiàn)分別描繪出束流水平和垂直形狀，信號(hào)尖峰位置代表束流水平和垂直中心位置偏移量。經(jīng)過(guò)計(jì)算，水平和垂直位置偏移量均小于0.4 mm，角度偏移量均小于0.25 mrad。因而，利用I-Dump模式，可測(cè)量和校正注入束流參數(shù)，得到注入系統(tǒng)直流磁鐵的設(shè)置值。

在R-Dump模式下，發(fā)展兩種方法用于測(cè)量和計(jì)算注入束和循環(huán)束的相空間坐標(biāo)匹配參數(shù)。第1種方法：選擇合理切束模式，采用注入完成瞬時(shí)引出的方案，通過(guò)靠近注入點(diǎn)的多絲靶INMWS02可測(cè)量得到注入束和循環(huán)束的信號(hào)，對(duì)注入束和循環(huán)束的信號(hào)進(jìn)行重新處理，并輔助INMWS01(或LRBPM18)測(cè)量結(jié)果，可得到注入束在注入點(diǎn)處的相空間坐標(biāo)及循環(huán)束相對(duì)參數(shù)信息。第2種方法[10]：選擇合理切束模式，利用RCS上BPM測(cè)量得到的多圈注入的Turn-by-Turn(TBT)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)傅里葉分析計(jì)算可處理得到注入束和循環(huán)束的匹配信息。圖4為以上兩種方法測(cè)量和處理結(jié)果，圖4a為3、8、15、25圈的測(cè)量結(jié)果，圖4a中所有曲線(xiàn)的波峰為循環(huán)束，波谷為注入束。

束流調(diào)節(jié)結(jié)果表明，注入束流參數(shù)匹配調(diào)節(jié)完成后，注入束流損失能有明顯改善。同時(shí)，每次直線(xiàn)加速器束流狀態(tài)明顯改變后均需對(duì)注入束和循環(huán)束的束流參數(shù)匹配進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足直線(xiàn)加速器束流注入到RCS的要求。

2.2 注入方式優(yōu)化

在直線(xiàn)加速器束流注入RCS的束流調(diào)節(jié)初期，由于注入束和循環(huán)束匹配未完全調(diào)節(jié)好，且注入束流功率低，因此注入系統(tǒng)采用定點(diǎn)注入方式，以初步滿(mǎn)足束流累積和束流加速過(guò)程的要求。在束流調(diào)節(jié)過(guò)程中，束流累積過(guò)程損失很大，調(diào)節(jié)多個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)無(wú)明顯改善，最后通過(guò)優(yōu)化BH定點(diǎn)注入曲線(xiàn)，嘗試了約40條BH定點(diǎn)注入曲線(xiàn)，極大優(yōu)化了注入效率、減小了束流損失，并將直流電流傳感器(DCCT)累積束流曲線(xiàn)調(diào)節(jié)成完美的直線(xiàn)，初步完成了RCS束流累積過(guò)程的調(diào)節(jié)，這是加速器束流調(diào)節(jié)非常重要的節(jié)點(diǎn)。圖5為BH定點(diǎn)注入曲線(xiàn)優(yōu)化過(guò)程中DCCT曲線(xiàn)效果圖。

圖3 多絲靶INMWS01和INMWS03測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of INMWS01 and INMWS03

圖4 利用INMWS02測(cè)量注入束和循環(huán)束相對(duì)參數(shù)(a)和利用多圈注入TBT數(shù)據(jù)計(jì)算注入束和循環(huán)束匹配參數(shù)(b)的結(jié)果Fig.4 Measurement result of injection beam and circular beam by using INMWS02 (a) and calculation result of matching parameters between injection beam and circular beam by using TBT numbers (b)

圖5 BH定點(diǎn)注入曲線(xiàn)優(yōu)化前、后的DCCT曲線(xiàn)效果圖Fig.5 RCS DCCT curves before and after optimization of BH fixed point injection curves

在加速器束流調(diào)節(jié)中后期，完成注入束和循環(huán)束參數(shù)匹配、初步完成束流累積和束流加速調(diào)節(jié)后，為控制和優(yōu)化注入?yún)^(qū)和RCS束流損失，需將定點(diǎn)注入方式修改為涂抹注入方式，對(duì)水平和垂直涂抹進(jìn)行調(diào)節(jié)，即對(duì)涂抹曲線(xiàn)和涂抹范圍進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足打靶束流功率不斷提升的要求。圖6為定點(diǎn)注入和涂抹注入時(shí)RCS DCCT曲線(xiàn)示意圖。從圖6可看出，當(dāng)采用定點(diǎn)注入時(shí)，注入初期有個(gè)突然快速束流損失過(guò)程[11]；當(dāng)采用涂抹注入時(shí)[12]，這個(gè)突然快速束流損失過(guò)程消失，注入效率有明顯提高，大概從95%提升到98%左右。

圖6 定點(diǎn)注入和涂抹注入時(shí)RCS DCCT曲線(xiàn)示意圖Fig.6 RCS DCCT curves with fixed point injection and painting injection

總體而言，注入方式的改變、涂抹方式和涂抹范圍的優(yōu)化均能有效減少注入束流損失，提高注入效率，對(duì)打靶束流功率的提升具有重要的作用。

2.3 剝離膜散射研究

剝離膜散射粒子損失是注入束流損失的重要來(lái)源，且隨著加速器功率的提升，剝離膜散射粒子損失越來(lái)越嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)理論模擬和計(jì)算，CSNS一期100 kW打靶束流功率時(shí)剝離膜散射粒子損失約0.3 W[5,8]。但隨著注入束流通過(guò)主剝離膜的平均穿越次數(shù)的增加，剝離膜散射粒子損失也會(huì)急劇增加。

在加速器束流調(diào)節(jié)初期，為盡快初步完成束流累積和束流加速過(guò)程，優(yōu)先確保所有H-粒子被主剝離膜剝離進(jìn)入RCS，采用大剝離膜(40 mm×60 mm)方案，注入束流從主剝離膜的水平中心區(qū)域通過(guò)。但這會(huì)造成循環(huán)束流反復(fù)通過(guò)主剝離膜，極大提高束流通過(guò)主剝離膜的平均穿越次數(shù)，進(jìn)而造成大量的剝離膜散射粒子損失。在加速器束流調(diào)節(jié)中后期，初步完成束流累積和束流加速調(diào)節(jié)后，為減少剝離散射粒子損失，將大剝離膜更改為小剝離膜(20 mm×60 mm)，注入束流從主剝離膜的左下角區(qū)域通過(guò)，這能有效降低束流通過(guò)主剝離膜的平均穿越次數(shù)，進(jìn)而有效減少剝離膜散射粒子損失。圖7為打靶功率14 kW時(shí)分別采用大剝離膜和小剝離膜后注入?yún)^(qū)的束流損失。從圖7可看出，采用小剝離膜后，注入?yún)^(qū)束流損失有一定減少(R4BLM01)，這說(shuō)明剝離膜散射粒子損失減少了。隨著束流功率的提升，剝離膜散射粒子損失會(huì)不斷增加，需采取一定的措施來(lái)減少或屏蔽剝離膜散射造成的束流損失和輻射劑量。

圖7 打靶功率14 kW時(shí)分別采用大剝離膜和小剝離膜的注入?yún)^(qū)束流損失Fig.7 Injection beam loss with large and small stripping foils for 14 kW beam power

2.4 剝離效率優(yōu)化

主剝離膜的剝離效率是影響RCS注入效率的關(guān)鍵因素，未被剝離粒子(H-)和未被完全剝離粒子(H0)均是注入?yún)^(qū)束流損失的重要來(lái)源[13-14]，因而為提高剝離效率、減少注入?yún)^(qū)束流損失，需對(duì)主剝離膜結(jié)構(gòu)和厚度進(jìn)行優(yōu)化。

由于剝離膜生產(chǎn)工藝的原因，單層剝離膜上可能會(huì)有很多針孔，從而造成很多H-粒子直接通過(guò)這些針孔穿過(guò)主剝離膜卻沒(méi)有被剝離成質(zhì)子，這將大幅降低主剝離膜的剝離效率。為減少剝離膜上的針孔，提高剝離效率，采用雙層膜結(jié)構(gòu)的剝離膜，即由兩塊單層膜疊加在一起組成剝離膜，而兩塊膜疊加后的厚度與原來(lái)單層膜結(jié)構(gòu)的厚度相同，這樣降低了兩塊膜上針孔在同一位置的概率，進(jìn)而提高剝離效率。圖8為打靶功率為50 kW時(shí)分別采用單層膜結(jié)構(gòu)和雙層膜結(jié)構(gòu)后注入?yún)^(qū)的束流損失。從圖8可看出，采用雙層膜結(jié)構(gòu)的主剝離膜后，剝離膜后面區(qū)域的束流損失大幅減少(R1BLM01)，剝離效率得到了提高。

理論上，在注入束流能量確定后，剝離膜的材料和厚度是影響剝離效率的主要因素。對(duì)于CSNS剝離膜系統(tǒng)，采用不同厚度的剝離膜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，這對(duì)注入?yún)^(qū)束流損失具有很大影響。計(jì)劃2019年檢修期間進(jìn)行剝離效率測(cè)量系統(tǒng)安裝和調(diào)試[15]，機(jī)器研究期間可對(duì)剝離效率進(jìn)行精確測(cè)量，然后根據(jù)剝離效率對(duì)剝離膜厚度和材料進(jìn)行深入研究和優(yōu)化，以滿(mǎn)足散裂中子源打靶功率不斷提升的要求。

圖8 打靶功率50 kW時(shí)分別采用單層膜結(jié)構(gòu)和雙層膜結(jié)構(gòu)的注入?yún)^(qū)束流損失Fig.8 Injection beam loss with single-layer foil and double-layer foil for 50 kW beam power

在完成了對(duì)不同束流損失來(lái)源進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)和優(yōu)化(包括注入束流參數(shù)匹配調(diào)節(jié)、注入方式優(yōu)化、剝離膜散射優(yōu)化、剝離效率提高)后，注入束流損失明顯減少，注入效率明顯提高。利用直線(xiàn)加速器至RCS的輸運(yùn)線(xiàn)LRBT上的電流傳感器LRCT03和RCS上DCCT，注入效率可得到初步測(cè)量。結(jié)果表明，注入效率約99%，注入束流損失約1%。

3 總結(jié)與討論

本文主要介紹CSNS加速器注入束流損失調(diào)節(jié)的相關(guān)研究。為減少注入束流損失、提高注入效率，首先研究注入束流損失的主要來(lái)源，結(jié)果表明，注入?yún)?shù)不匹配、注入方式選擇、剝離膜散射粒子損失、未被剝離的粒子損失等均會(huì)造成注入束流損失。其次，針對(duì)不同的束流損失來(lái)源進(jìn)行研究，并在加速器的束流調(diào)節(jié)過(guò)程中有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，不斷降低注入束流損失，提高注入效率。在完成注入束流損失調(diào)節(jié)和優(yōu)化后，經(jīng)初步測(cè)量，注入效率約99%，注入束流損失約1%。

在未來(lái)的CSNS束流調(diào)節(jié)過(guò)程中，為進(jìn)一步減少注入束流損失、提高注入效率，首先需對(duì)剝離效率進(jìn)行精確測(cè)量。目前，CSNS剝離效率測(cè)量方案已確定，測(cè)量相關(guān)設(shè)備在緊張研制中，預(yù)計(jì)在2019年檢修期間進(jìn)行安裝和調(diào)試，在機(jī)器研究中對(duì)剝離效率進(jìn)行精確測(cè)量。