于旭東，馬鵬飛，王百川，劉臥龍，雷 鈺， 郭乾坤，李 巖，王 帥，劉 坤，邢慶子?， 鄭曙昕，關(guān)遐令，王學武，王忠明

(1.粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室，北京100084；2.清華大學先進輻射源及應(yīng)用實驗室，北京 100084；3.清華大學工程物理系，北京100084；4.強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西安710024)

西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility，XiPAF)是一臺宇航用核心電子器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究與考核評估的專用輻射模擬試驗裝置。裝置的核心是一臺最高能量為230 MeV的質(zhì)子加速器，主要包含7 MeV的負氫離子直線加速器作為注入器[1]及1臺質(zhì)子同步加速器作為主加速器。負氫離子源引出的粒子束流經(jīng)過射頻四極加速器(RFQ)和漂移管直線加速器(DTL)進行初步加速，并通過中能束流傳輸段(MEBT)將束流傳輸?shù)酵郊铀倨鞯淖⑷朦c。

RFQ作為直線注入器的一個重要組成部分，對從離子源引出的低能離子起到了聚焦、聚束和加速的作用。XiPAF RFQ的工作頻率為325 MHz，采用變電壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，與其后的DTL之間進行了橫向相移匹配設(shè)計，束流傳輸效率的模擬值為98.4%，峰值結(jié)構(gòu)損耗理論計算值為388 kW，無載品質(zhì)因數(shù)的理論計算值為8 600。這臺RFQ安裝有一個功率耦合器，采用環(huán)耦合的方式向腔體饋入功率，已完成了冷測調(diào)諧[2]、高功率老練及束流調(diào)試工作。

1XiPAF RFQ的物理設(shè)計

RFQ將LEBT匹配傳輸過來的脈沖負氫離子束，進行加速、聚焦和聚束，使能量達到3 MeV后直接注入到后面的DTL加速器中。RFQ入口位置束流匹配參數(shù)由動力學設(shè)計給出，出口束流參數(shù)要滿足其后Alvarez型DTL對束流強度和能量的要求。RFQ腔體總長約為3 m，主要設(shè)計參數(shù)如表1所列。

表1 XiPAF RFQ主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of XiPAF RFQ

RFQ的設(shè)計需同時滿足粒子動力學和場穩(wěn)定性要求。動力學設(shè)計需設(shè)計每個加速單元的具體參數(shù)，包括翼間電壓、平均孔徑、調(diào)制系數(shù)和同步相位等。RFQ的束流傳輸效率是一個重要的判據(jù)，RFQ的整體束流傳輸效率的設(shè)計指標應(yīng)在95%以上。RFQ將采用變電壓設(shè)計，即翼間電壓隨離子能量的增加而增加。對于3 MeV的RFQ，長度可縮短到3 m，增強了場穩(wěn)定性，無需共振耦合結(jié)構(gòu)[3]。設(shè)計中增大了孔徑和加速梯度，在RFQ長度縮短的情況下保證高傳輸效率。聚焦強度不為常數(shù)，增大了設(shè)計的靈活性，通過調(diào)整RFQ高能端的聚焦常數(shù)，實現(xiàn)RFQ和DTL之間電流無關(guān)的橫向和縱向匹配，使RFQ和其后的DTL之間無需使用束流匹配段。

RFQ和其后的DTL之間不使用MEBT，兩者之間需要實現(xiàn)電流無關(guān)的匹配。因此，通過降低RFQ末端的聚焦系數(shù)，將RFQ末端的橫向、縱向相移常數(shù)設(shè)計為和DTL初始端相同。聚焦系數(shù)沿RFQ縱向變化關(guān)系，同時翼間電壓將沿RFQ縱向逐漸升高，平均孔徑也不再是常數(shù)。圖1為RFQ橫向和縱向單位長度零電流相移隨縱向坐標的變化關(guān)系。由圖1可見，RFQ末端單位長度零電流橫向相移為300 (°)·m-1，縱向相移為200 (°)·m-1。

圖1 RFQ橫向和縱向單位長度零電流 相移隨縱向坐標的變化關(guān)系Fig.1 The transverse and longitudinal zero current phase advance per unit length along the longitudinal position

RFQ腔內(nèi)最大電場強度在很大程度上取決于翼的形狀，電極極頭橫向曲率半徑ρ和平均孔徑r0的比值ρ/r0及翼間距離。為確保加速器峰值電場強度和多極場的最優(yōu)化設(shè)計，將比值ρ/r0取為0.8，且自始至終基本不變。由于r0是變化的，ρ將在不同縱向位置處取不同的值，腔體截面結(jié)構(gòu)參數(shù)也將隨縱向坐標變化而變化。使用PARMTEQM程序設(shè)計出RFQ總長約為3 m，主要參數(shù)隨縱向坐標的變化關(guān)系，如圖2所示。

圖2 RFQ主要參數(shù)隨縱向坐標的變化關(guān)系Fig.2 Various parameters of RFQ vs. longitudinal position

圖2中，B為聚焦強度；X為聚焦作用參數(shù)；A為加速作用參數(shù)；W為同步粒子動能；Φs為同步相位；m為調(diào)制因子；a為最小孔徑。

從離子源出口至RFQ出口進行Start-to-end動力學模擬計算，取離子源出口束流強度為10 mA;橫向twiss參數(shù)α=0;β=0.65 mm·rad-1;歸一化RMS發(fā)射度為0.2π mm·mrad。經(jīng)過一段長為1.8 m的包括雙螺線管透鏡的LEBT，束流峰值流強降低為6 mA，LEBT出口的twiss參數(shù)α=0.98，β=0.76 mm·rad-1。LEBT設(shè)計中使用了刮束光闌，使LEBT出口的橫向發(fā)射度比RFQ接受度小很多，歸一化RMS發(fā)射度為0.14π mm·mrad。在以上入射束流參數(shù)條件下，動力學計算得到RFQ出口束流橫向歸一化RMS發(fā)射度為0.17π mm·mrad，束流峰值流強為5.96 mA，對應(yīng)的傳輸效率為99.3%。圖3為RFQ出口橫向相空間分布圖；圖4為RFQ出口縱向相空間分布圖和橫向束斑；圖5為離子源出口至RFQ出口的束流橫向全包絡(luò)變化。

(a) x direction

(b) y direction

(a) Longtitude phase space distribution

(b) Transverse beam spot

(a) x direction

(b) y direction

圖6為Toutatis程序模擬計算得到的RFQ傳輸效率隨注入束流的束流強度、RMS發(fā)射度、能量和能散的變化關(guān)系。由圖6可見，注入負氫離子峰值束流強度不超過48 mA，RMS發(fā)射度小于0.56π mm·mrad及能散小于12%條件下，模擬計算給出的RFQ傳輸效率大于95%。當束流注入能量為51 keV時，RFQ傳輸效率最高。

(a)Injected beam current

(b)Emittance

(c)Energy

(d)Energy spread

2RFQ的冷測與調(diào)諧

XiPAF RFQ腔體分為3段，每段長約為1 m。共有48個調(diào)諧器分布在腔體的4個象限上，每段腔體包含16個調(diào)諧器，用于調(diào)節(jié)RFQ的電場分布及諧振頻率。2端法蘭上各焊接4個二極模穩(wěn)定桿[4]，用于調(diào)節(jié)四極工作模式與相鄰二極模式的頻率間隔。RFQ第2段腔體中部安裝一臺同軸功率耦合器，通過耦合環(huán)以磁耦合的方式向腔體饋入功率，通過旋轉(zhuǎn)耦合環(huán)的角度調(diào)整耦合度。腔體組裝后[5]，利用針規(guī)對極頭間隙進行測量，測量值與設(shè)計值的偏差如圖7所示。由圖7可見，大部分測量位置極頭間隙與設(shè)計值的偏差都在±50 μm內(nèi)。

圖7 XiPAF RFQ加速器極頭間隙測量值與設(shè)計值的偏差Fig.7 Deviation of the gap distance between two adjacent vane tips in four quadrants of the RFQ

圖8為裝配后的RFQ腔體。使用拉小珠的方法進行RFQ場分布的測量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一端口接在功率耦合器上,另一端口接在一根磁探針上，探針通過調(diào)諧器上的小孔插入到腔體中實現(xiàn)對S12信號的測量。使用空心金屬小珠作為微擾體穿在魚線上，在步進電機的帶動下依次通過4個象限磁場最強的區(qū)域，再通過測量S12的相位變化獲得場分布。

圖8 裝配完成后的XiPAF RFQ腔體Fig.8 Assembled XiPAF RFQ cavity

在XiPAF RFQ的冷測調(diào)諧[6]過程中，首先需要確定二極模式穩(wěn)定桿的長度。通過改變桿的長度可調(diào)整四極工作模式和最鄰近二極模式之間的頻率間隔。圖9為四極工作模式與最近二極模式之間的頻率間隔隨桿長度的變化關(guān)系。為使模式頻率間隔達到最大，二極模式穩(wěn)定桿的長度最終確定為15 cm，此時，四極工作模式與最近二極模式的頻率間隔達到5.2 MHz。

圖9 XiPAF RFQ 四極工作模式與最近二極模式 頻率的間隔隨二極模式穩(wěn)定桿長度的變化關(guān)系Fig.9 Measured frequency interval between the operating mode and nearest dipole model vs. rod length

確定二極模穩(wěn)定桿的長度后進行RFQ加速器的場分布調(diào)諧。場分布調(diào)諧的主要目的是通過改變調(diào)諧器的插入深度使RFQ的場分布測量值與設(shè)計值之間的相對偏差小于±3%。圖10為調(diào)諧前的腔體中四極模式和二極模式的歸一化場分布；圖11為調(diào)諧前腔體中四極場測量值與設(shè)計值的相對偏差和二極場分量占比隨縱向坐標的變化關(guān)系。由圖10和圖11可見，由于存在加工和安裝誤差，在調(diào)諧前，四極工作模式的場分布與設(shè)計值之間的相對偏差達到±25%，并且二極模式分量占四極模式的比值達到±12.8%。

圖10 調(diào)諧前的四極模式和二極模式的歸一化場分布圖Fig.10 Normalized field distribution of the quadrupole and dipoles before tuning

圖11 調(diào)諧前的四極場測量值與設(shè)計值的相對偏差 和二極場分量占比隨縱向坐標的變化關(guān)系Fig.11 Relative deviation between measured value and the designed value of quadrupole and the dipole component vs. longitudinal coordinate before tuning

經(jīng)過幾輪場分布調(diào)諧迭代之后，場分布偏差達到要求。調(diào)諧過程中逐步將鋁調(diào)諧器替換為具有固定插入深度的銅調(diào)諧器。圖12為調(diào)諧后的腔體中四極模式和二極模式的歸一化場分布；圖13為調(diào)諧后腔體中四極場測量值與設(shè)計值的相對偏差和二極場分量占比隨縱向坐標的變化關(guān)系。由圖12和圖13可見，調(diào)諧后四極工作模式的場分布與設(shè)計值之間的相對偏差在±2.7%以內(nèi)，二極模式分量占比在±1.9%以內(nèi)。圖14為調(diào)諧完成后XiPAF RFQ前12個模式的頻率分布。

圖12 調(diào)諧后的四極模式和二極模式的歸一化場分布圖Fig.12 Normalized field distribution of the quadrupole and dipoles after tuning

圖13 調(diào)諧后的四極場測量值與設(shè)計值的相對偏差和 二極場分量占比隨縱向坐標的變化關(guān)系Fig.13 Relative deviation between measured value and the designed value of quadrupole and the dipole component vs. longitudinal coordinate after tuning

圖14 調(diào)諧完成后XiPAF RFQ加速器 前12個模式的頻率分布Fig.14 Frequency distributing of the first 12 modes of XiPAF RFQ after tuning

經(jīng)過焊后調(diào)諧，RFQ的頻率為324.9 MHz(實驗條件為23.5 ℃、腔體通入氮氣)，該條件下頻率的計算值為324.9 MHz，頻率測量值與目標值一致。XiPAF RFQ的無載品質(zhì)因數(shù)Q0測量值為7 300，設(shè)計值為8 600，盡管Q0冷測量值僅為設(shè)計值的85%，但在后續(xù)老練過程中上升到了8 900，略高于設(shè)計值。功率耦合器的耦合度測量值為1.03。

3高功率測試與束流測試結(jié)果

XiPAF RFQ高功率老練的策略是以60 μs脈寬、1 Hz重頻的325 MHz射頻功率脈沖饋入腔體，從小于100 kW的低功率開始，逐步提升入腔功率，提升入腔功率的條件是保持10 min不發(fā)生打火。經(jīng)過高功率老練，最終實現(xiàn)在饋入RFQ峰值功率達到470 kW時，保持30 min以上不發(fā)生打火。老練完成后重新進行RFQ冷測，腔體的無載品質(zhì)因數(shù)Q0由老練前的7 300提升到了8 900。圖15為RFQ老練過程中射頻功率的入射波形與反射波形。

圖15 RFQ老練過程中射頻功率的入射 波形(紫色)與反射波形(綠色)Fig.15 Incident RF pulse (purple) and reflected RF pulse (green) during the conditioning of RFQ

在RFQ老練完成后，建立了臨時測試束線進行RFQ的束流測量工作[7],圖16為XiPAF RFQ測試束線布局。RFQ低能端與LEBT對接，將診斷室接在RFQ出口測量束流發(fā)射度相圖。在RFQ入口和出口分別使用一個ACCT測量束流強度，通過2個ACCT的測量結(jié)果計算RFQ的傳輸效率。在診斷室前后分別安裝一個BPM來測量RFQ的束流能量。

圖16 RFQ測試束線布局Fig.16 Test beamline layout for RFQ

通過對LEBT導向鐵電流、螺線管電流及RFQ入射功率參數(shù)的掃描最終獲得RFQ的最佳工作點。在調(diào)束過程中，首先，掃描4個導向鐵電流，得到導向鐵電流的初始最佳工作點；然后，依次掃描RFQ入射饋入功率和2個螺線管電流，得到各自的最佳工作點；最后，重新掃描4個導向鐵電流，得到最終的導向鐵電流最佳工作點。當RFQ注入束流強度為1.3 mA時，實驗測量得到的RFQ傳輸效率隨RF饋入功率和螺線管電流的變化關(guān)系分別如圖17和圖18所示。

圖17 RFQ傳輸效率隨RF饋入功率的變化關(guān)系Fig.17 RFQ transmission efficiency vs. RF feed power

圖18 RFQ傳輸效率隨螺線管電流的變化關(guān)系Fig.18 RFQ transmission efficiency vs. solenoid currents

在最佳工作點下LEBT入口束流強度為2.3 mA，RFQ入口和出口束流強度分別為1.3 mA和1.22 mA， RFQ傳輸效率為94%。對該條件下RFQ出口束流的橫向發(fā)射度進行測量，得到水平和垂直方向歸一化RMS發(fā)射度分別為0.47π mm·mrad和0.40π mm·mrad。由于LEBT出口束流強度未達到6 mA，沒有在LEBT中使用限束光闌，LEBT出口束流發(fā)射度比模擬結(jié)果要大，因此，RFQ出口對應(yīng)的束流發(fā)射度也比模擬結(jié)果大。使用LEBT出口測量得到的束流分布作為RFQ加速器入口束流分布進行模擬，可看到束流相空間分布與測量結(jié)果基本一致。束流橫向相空間分布的測量值和模擬值，如圖19所示，對最佳工作點下RFQ的出口能量使用BPM進行測量，通過測量BPM1和BPM2之間的相位差及BPM之間的距離可算出RFQ出口的束流能量為2.96 MeV。

(a)Simulated of x-x′

(b)Simulated of y-y′

(c)Measured of x-x′

(d)Measured y-y′

4結(jié)論

經(jīng)過RFQ腔體的高功率老練，RFQ能夠在60 μs脈寬、1 Hz重頻和440 kW峰值功率下連續(xù)30 min不發(fā)生打火，腔體老練后Q0進一步提升到了8 900。在RFQ的束流測試中，成功找到了RFQ的工作點，在該工作點下RFQ的傳輸效率達到94%，出口能量為2.96 MeV。目前XiPAF RFQ已作為直線注入器的重要部分，為同步加速器正常供束。