50MeV束流輸運線及其電磁元件設計

魏素敏 安世忠 呂銀龍 關鐳鐳

摘 ? 要：中國原子能科學研究院回旋中心正在研制一套中能質子輻照裝置，提供能量范圍在10MeV～50MeV的質子束流，以模擬對航天器有重要影響的空間質子輻射環境。在50MeV緊湊型回旋加速器的基礎上，設計了質子束流輸運系統，將回旋加速器引出的質子束流，通過降能器等元器件調整到用戶所需能量，降能后的質子束經過聚焦、偏轉后傳輸到用戶終端。為在靶上得到均勻的大直徑束斑，束流線上安裝了旋轉掃描磁鐵，將靶上的質子束流均勻掃開，最終在靶上得到能量10MeV～50MeV可調，質子流強最大10?A，尺寸20cm×20cm的束斑。

關鍵詞：質子束流線 ?偏轉磁鐵 ?四極透鏡

中圖分類號：TL52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0091-04

Abstract： The cyclotron Center at CIAE is now developing a medium-energy proton irradiation device that provides a proton beam with an energy range of 10 MeV to 50 MeV to simulate a space proton radiation environment， which has a significant impact on spacecraft. Based on the 50MeV compact cyclotron a proton beam transport system is designed. The proton beam extracted from the cyclotron is adjusted to the energy required by using the degrader， then the proton beam is bended and focused to transmitted to the user terminal. In order to obtain uniform large-diameter beam spot on the target， a wobbling magnet is installed on the beam line to uniformly sweep the proton beam on the target and finally obtain the proton beam with energy of 10MeV-50MeV， current of 10 μA and beam spot of 20 cm×20 cm on the target.

Key Words： Proton beam line; Bending magnet; Quadrupole

質子是空間輻射環境的主要成分，會造成航天器材料和器件的輻射損傷，以及誘發單粒子效應，嚴重威脅衛星安全，尤其是科學衛星載荷對空間質子導致的損傷更加敏感。中國原子能科學研究院回旋加速器研究設計中心設計了一套中能質子輻照裝置，主要由50MeV質子回旋加速器、束流輸運線與實驗終端等構成。該中心已研制了多臺緊湊型回旋加速器及質子束流線設備[1-4]，此臺50MeV回旋加速器設計為緊湊型結構，引出質子的能量范圍為30MeV～50MeV，更低的能量區間由束流線上的降能器提供。

1 ?50MeV輻照專用質子束流輸運系統布局

50MeV輻照專用質子束流輸運系統如圖1所示，由于該加速器引出的質子能量在30MeV～50MeV區間可調節，因此設計了一臺引出開關磁鐵放置于磁軛內部，將不同能量的束流傳輸至相同的管道中。圖中FC、SS、BPM分別為法拉第筒、熒光靶及束流剖面測量元件，用于測量束流的流強及剖面;D1為降能器，利用不同厚度的石墨將加速器引出的最低能量為30MeV質子束流降能至u最低能量10MeV;C為準直器;B1和B2為兩個45°偏轉磁鐵，共將質子束流偏轉90°;Q為四極透鏡，用于質子束流的聚焦;SXY為導向磁鐵，用于將偏離管道中心粒子矯正到管道中心;T為真空泵機組，用于管道真空的獲得;W為旋轉掃描磁鐵，產生周期變換的垂直于束流運動方向的二極磁場，使得靶上束流周期性旋轉掃描，進而提高靶上束斑均勻度[5]。

該束流線總長約12m，束流管道的內徑為Φ78mm，材料為防銹鋁。質子束流管道上電磁元件的具體設計將在后文中詳細給出。

2 ?光學模擬結果

50MeV緊湊型質子回旋加速器采用剝離引出的方式引出質子束流，引出束流的能量范圍是30MeV～50MeV，最大流強10μA，最小流強10nA，剝離膜后的束流經過引出開關磁鐵被輸運到束流管道中。整個質子束流管道光學匹配的初始輸入參數為該加速器引出系統提供的剝離膜上的束流的σ矩陣（通過COMA程序計算得到）和剝離膜到引出開關磁鐵出口的束流傳輸矩陣（通過GOBLIN程序計算得到，并經過STRIPUBC程序進行了驗證）。束流的光學匹配所選用的軟件是TRACE 3-D，該程序利用矩陣相乘來得到傳輸線上任意截面的束流特性。

束流線上的元件布局如圖1所示，其中各診斷元件（法拉第筒、熒光靶及剖面測量裝置）用于加速器引出束流的調試;兩個45°的偏轉磁鐵的作用有二，一是將質子束偏轉至所需位置，二是進行降能器后束流的能量選擇，將能散過大的質子偏轉掉。

匹配中分別對10MeV-50MeV，10?A的質子束進行了模擬，在匹配中調節各四極透鏡參數，將靶上束斑尺寸調節為Ф20mm。

圖2為30MeV和50MeV的質子束流匹配結果，在這個能量段的質子可以直接從加速器引出，無需降能，匹配是從加速器出口開始。圖中顯示了x、y兩個方向的質子半包絡，其中各個四極透鏡的磁場梯度變化見表1，靶上束斑尺寸見表2，其中X、Y分別表示兩個橫向方向上的束流半尺寸，X、Y分別表示相應的偏角，單位分別為mm、mrad。

由于加速器引出的最低能量為30MeV，因此更低能量的束流需要降能器實現，降能器后質子束流的參數通過準直器確定。匹配中，取降能器后束流參數為x=y=8 mm，x=y=3 mrad進行匹配，匹配起始點為降能器出口。20MeV及10MeV質子束流光學匹配結果見圖3所示，其中各個四極透鏡的磁場梯度變化及靶上束斑尺寸見表1及表2。

綜上所述，我們針對用戶終端的需求，設計了質子束流管道的元件布局，并且通過調節各個光學元件的不同參數，得到滿足設計要求的束流能量、束斑尺寸、包絡大小等參數。

3 ?偏轉磁鐵設計

該束流線上共有兩個45°偏轉磁鐵，將10MeV～50MeV質子束流偏轉到終端靶站。50MeV質子的磁剛度為1.034Tm，取偏轉半徑1m，可得磁鐵中磁場最大需要1.034T。磁鐵設計時取最大磁場1.1T。根據質子束流在磁鐵中的包絡尺寸，要求該磁鐵好場區范圍±25mm，磁場均勻度好于5*10-4。

該磁鐵的截面尺寸如圖4所示，該圖為磁鐵截面的1/4模型，為提高磁場均勻度，在磁極面兩側增加了墊補，圖4還顯示了磁場在磁鐵中的分布情況。計算得到磁鐵內的磁場分布如圖5所示，計算得到，在好場區±25mm內，磁場的均勻度為1.28*10-4，滿足設計要求。

4 ?四極透鏡設計

在已知道場梯度、有效長度和磁鐵內孔徑的情況下，我們可以確定磁鐵的極面寬度和極面形狀以及磁軛厚度。根據這些基本參數，我們使用二維計算磁場計算程序POSSION程序設計了四極磁鐵。

基于準確的磁場數值分析，并根據以往經驗，在這里我們選擇極尖斷面為折線的四極透鏡結構來代替理論上的雙曲線結構，這樣的結構具有加工簡單、易于安裝定位等優點，設計的難點在于通過準確的磁場數值分析，精確設計磁極的形狀。

由于四極磁鐵是軸對稱元件，所以在磁鐵設計過程中，我們選擇了1/8模型設計計算磁鐵，其具體結構如圖6所示，該圖中還顯示了1/8磁鐵的磁場分布。

5 ?結語

本文在中國原子能科學研究院回旋中心正在研制一臺50MeV緊湊型回旋加速器的基礎上，設計了一條輻照專用質子束流傳輸線，將加速器產生的質子束流降能、偏轉、聚焦，傳輸到用戶終端。最后通過旋轉掃描磁鐵將靶上束斑掃開，產生用戶所需的大尺寸質子束流。

參考文獻

[1] ZHANG Tianjue， LI Zhenguo， AN Shizhong， et al. The cyclotron development activities at CIAE[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A， 2011， 269（24）： 2 863-2 870.

[2] ZHANG T， YANG J. The beam commissioning of BRIF and future cyclotron development at CIAE [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B， 2016（376）：434-439.

[3] WEI Sumin， LV Yinlong， ZHANG Tianjue， et al. Beam line design for a 100 MeV high intensity proton cyclotron at CIAE[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B， 2007（261）： 65-69.

[4] WEI Sumin， AN Shizhong， ZHANG Tianjue， et al. Transfer beamline design after stripping[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B， 2008（266）：4697-4701.

[5] 賈先祿，張天爵，呂銀龍，等. 30 MeV醫用回旋加速器束流輸運線上旋轉掃描磁鐵的研制[J].高能物理與核物理，2007，31（3）：292-295.