中國散裂中子源加速器注入束流損失調節研究

黃明陽，許守彥，盧曉含，王 生

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

中國散裂中子源(CSNS)是用于中子散射研究的大型基礎科學研究平臺[1-2]，于2018年3月15日完成工藝驗收，2018年8月23日整體完成國家驗收。CSNS包括1臺80 MeV直線加速器、1臺1.6 GeV快循環同步加速器(RCS)、1個中子靶站和多臺譜儀[3]。CSNS是發展中國家第1臺散裂中子源，位于世界四大散裂中子源之列[4]。

注入系統是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行的重要因素。注入過程決定著循環束的初始狀態，對束流累積和束流加速過程具有重要的影響。注入束流損失[5]是限制RCS能否在高功率下運行的決定性因素之一。CSNS注入系統采用H-剝離技術和相空間涂抹方案，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]。

注入系統束流調節是CSNS加速器束流調節的重要組成部分。注入束流調節的核心內容是注入束流損失調節。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源，對不同來源的束流損失進行調節和優化。

1 注入束流損失來源

注入系統是連接直線加速器和RCS的關鍵設備。注入系統束流調節的最終目標是確保直線加速器束流順利進入RCS，盡量減小注入束流損失。圖1為注入系統示意圖。提高注入效率、減小注入束流損失是注入束流調節好壞的重要判斷標準。

直線加速器注入到RCS會產生不同方面來源的束流損失。經過仔細研究和分析，注入束流損失來源主要包括以下幾個方面：當直線加速器注入束流參數和RCS束流參數不匹配時，如相空間坐標不匹配、能量不匹配、相位不匹配等，均會造成大量的束流損失；當包括涂抹方式、涂抹范圍、涂抹曲線等注入方式不合適時，也會造成注入束流損失；在注入束流穿越主剝離膜時，會損失兩個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%，這就會產生一定的未被剝離的粒子損失?？傊?，注入束流損失來源多樣，要盡量減小束流損失，就需從不同源頭有針對性地進行優化和調節。

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

2 注入束流損失調節

在CSNS加速器束流調節過程中，針對不同的束流損失來源進行相應調節和優化，以滿足直線加速器束流注入到RCS的要求。

2.1 注入參數匹配

在直線加速器束流注入到RCS調節初期，由于注入束流相關參數還不是很明確，注入系統磁鐵和電源的設置值只能暫時按理論值置入，這可能造成直線加速器注入束流參數和RCS束流參數不匹配，進而產生大量束流損失。因而，需對注入束流參數進行測量和匹配。在加速器束流調節過程中，分別在I-Dump和R-Dump兩種機器模式下測量注入束流參數和進行注入束流參數匹配。

為測量注入束流參數，得到注入系統磁鐵設置值，并調節好殘余H0粒子進入I-Dump的束流傳輸路線，設計了I-Dump束線模式。圖2為I-Dump束線示意圖。

圖2 I-Dump束線示意圖Fig.2 Layout of I-Dump beam line

在I-Dump模式下，利用注入區4個多絲靶和LRBPM18測量得到的束流中心的位置信息可計算出束流在注入點處的相空間坐標[9]，然后通過調節輸運線上靠近注入區的校正子或微調INSEP01和INBC，可將束流在注入點處的相空間坐標校正到合理范圍，以滿足直線加速器束流精確注入到RCS的要求。圖3為多絲靶INMWS01和INMWS03的測量結果，圖3a、b中的兩條線分別描繪出束流水平和垂直形狀，信號尖峰位置代表束流水平和垂直中心位置偏移量。經過計算，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，可測量和校正注入束流參數，得到注入系統直流磁鐵的設置值。

在R-Dump模式下，發展兩種方法用于測量和計算注入束和循環束的相空間坐標匹配參數。第1種方法：選擇合理切束模式，采用注入完成瞬時引出的方案，通過靠近注入點的多絲靶INMWS02可測量得到注入束和循環束的信號，對注入束和循環束的信號進行重新處理，并輔助INMWS01(或LRBPM18)測量結果，可得到注入束在注入點處的相空間坐標及循環束相對參數信息。第2種方法[10]：選擇合理切束模式，利用RCS上BPM測量得到的多圈注入的Turn-by-Turn(TBT)數據，經過傅里葉分析計算可處理得到注入束和循環束的匹配信息。圖4為以上兩種方法測量和處理結果，圖4a為3、8、15、25圈的測量結果，圖4a中所有曲線的波峰為循環束，波谷為注入束。

束流調節結果表明，注入束流參數匹配調節完成后，注入束流損失能有明顯改善。同時，每次直線加速器束流狀態明顯改變后均需對注入束和循環束的束流參數匹配進行調整，以滿足直線加速器束流注入到RCS的要求。

2.2 注入方式優化

在直線加速器束流注入RCS的束流調節初期，由于注入束和循環束匹配未完全調節好，且注入束流功率低，因此注入系統采用定點注入方式，以初步滿足束流累積和束流加速過程的要求。在束流調節過程中，束流累積過程損失很大，調節多個設備和系統無明顯改善，最后通過優化BH定點注入曲線，嘗試了約40條BH定點注入曲線，極大優化了注入效率、減小了束流損失，并將直流電流傳感器(DCCT)累積束流曲線調節成完美的直線，初步完成了RCS束流累積過程的調節，這是加速器束流調節非常重要的節點。圖5為BH定點注入曲線優化過程中DCCT曲線效果圖。

圖3 多絲靶INMWS01和INMWS03測量結果Fig.3 Measurement results of INMWS01 and INMWS03

圖4 利用INMWS02測量注入束和循環束相對參數(a)和利用多圈注入TBT數據計算注入束和循環束匹配參數(b)的結果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定點注入曲線優化前、后的DCCT曲線效果圖Fig.5 RCS DCCT curves before and after optimization of BH fixed point injection curves

在加速器束流調節中后期，完成注入束和循環束參數匹配、初步完成束流累積和束流加速調節后，為控制和優化注入區和RCS束流損失，需將定點注入方式修改為涂抹注入方式，對水平和垂直涂抹進行調節，即對涂抹曲線和涂抹范圍進行優化，以滿足打靶束流功率不斷提升的要求。圖6為定點注入和涂抹注入時RCS DCCT曲線示意圖。從圖6可看出，當采用定點注入時，注入初期有個突然快速束流損失過程[11]；當采用涂抹注入時[12]，這個突然快速束流損失過程消失，注入效率有明顯提高，大概從95%提升到98%左右。

圖6 定點注入和涂抹注入時RCS DCCT曲線示意圖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化均能有效減少注入束流損失，提高注入效率，對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源，且隨著加速器功率的提升，剝離膜散射粒子損失越來越嚴重。經過理論模擬和計算，CSNS一期100 kW打靶束流功率時剝離膜散射粒子損失約0.3 W[5,8]。但隨著注入束流通過主剝離膜的平均穿越次數的增加，剝離膜散射粒子損失也會急劇增加。

在加速器束流調節初期，為盡快初步完成束流累積和束流加速過程，優先確保所有H-粒子被主剝離膜剝離進入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域通過。但這會造成循環束流反復通過主剝離膜，極大提高束流通過主剝離膜的平均穿越次數，進而造成大量的剝離膜散射粒子損失。在加速器束流調節中后期，初步完成束流累積和束流加速調節后，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域通過，這能有效降低束流通過主剝離膜的平均穿越次數，進而有效減少剝離膜散射粒子損失。圖7為打靶功率14 kW時分別采用大剝離膜和小剝離膜后注入區的束流損失。從圖7可看出，采用小剝離膜后，注入區束流損失有一定減少(R4BLM01)，這說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不斷增加，需采取一定的措施來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時分別采用大剝離膜和小剝離膜的注入區束流損失Fig.7 Injection beam loss with large and small stripping foils for 14 kW beam power

2.4 剝離效率優化

主剝離膜的剝離效率是影響RCS注入效率的關鍵因素，未被剝離粒子(H-)和未被完全剝離粒子(H0)均是注入區束流損失的重要來源[13-14]，因而為提高剝離效率、減少注入區束流損失，需對主剝離膜結構和厚度進行優化。

由于剝離膜生產工藝的原因，單層剝離膜上可能會有很多針孔，從而造成很多H-粒子直接通過這些針孔穿過主剝離膜卻沒有被剝離成質子，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，采用雙層膜結構的剝離膜，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單層膜結構的厚度相同，這樣降低了兩塊膜上針孔在同一位置的概率，進而提高剝離效率。圖8為打靶功率為50 kW時分別采用單層膜結構和雙層膜結構后注入區的束流損失。從圖8可看出，采用雙層膜結構的主剝離膜后，剝離膜后面區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。對于CSNS剝離膜系統，采用不同厚度的剝離膜進行測試，結果表明，這對注入區束流損失具有很大影響。計劃2019年檢修期間進行剝離效率測量系統安裝和調試[15]，機器研究期間可對剝離效率進行精確測量，然后根據剝離效率對剝離膜厚度和材料進行深入研究和優化，以滿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時分別采用單層膜結構和雙層膜結構的注入區束流損失Fig.8 Injection beam loss with single-layer foil and double-layer foil for 50 kW beam power

在完成了對不同束流損失來源進行相應調節和優化(包括注入束流參數匹配調節、注入方式優化、剝離膜散射優化、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。利用直線加速器至RCS的輸運線LRBT上的電流傳感器LRCT03和RCS上DCCT，注入效率可得到初步測量。結果表明，注入效率約99%，注入束流損失約1%。

3 總結與討論

本文主要介紹CSNS加速器注入束流損失調節的相關研究。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源，結果表明，注入參數不匹配、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造成注入束流損失。其次，針對不同的束流損失來源進行研究，并在加速器的束流調節過程中有針對性地進行調節和優化，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節和優化后，經初步測量，注入效率約99%，注入束流損失約1%。

在未來的CSNS束流調節過程中，為進一步減少注入束流損失、提高注入效率，首先需對剝離效率進行精確測量。目前，CSNS剝離效率測量方案已確定，測量相關設備在緊張研制中，預計在2019年檢修期間進行安裝和調試，在機器研究中對剝離效率進行精確測量。