100 MeV質子回旋加速器二期輻照效應管道設計

楊新宇，郭 剛，彭朝華，張艷文，覃英參，殷 倩，肖舒顏

(1.中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413；2.國防科技工業抗輻照應用技術創新中心，北京 102413)

隨著人類對太空探索不斷深入，空間輻射環境對航天器造成的危害成為一個越來越重要的問題。根據相關統計數據，航天器發生的故障中，與空間輻射環境相關的占故障總數的71%，其中單粒子效應占輻射故障的55%[1]。在地球周圍空間輻射環境中，質子是主要的成分，質子與器件中的硅發生核反應產生的次級產物引發的單粒子效應不可忽略。在單粒子效應研究中，地面模擬實驗是一種重要的方法，而在地面模擬實驗中，大面積均勻束斑的獲取是一關鍵技術[2-3]。

以當前一些主要輻照裝置為例，加拿大TRIUMF輻照裝置的束斑面積為7.5 cm×7.5 cm，不均勻性為±10%[4]；瑞士PSI的輻照裝置束斑為直徑9 cm的圓形束斑，均勻性好于90%[5]；美國印第安納州立大學的輻照裝置IUCF的束斑為直徑2～30 cm連續可調，均勻性好于60%[6]。隨著對單粒子效應研究的深入，對束斑面積和均勻性提出了更高的要求。另外，在美國和歐洲的單粒子實驗標準中，要求束流能散度小于10%，而質子實驗要調節不同的能量，在使用降能片調節能量的過程中必然會引入額外的能散和中子本底，這需要通過降能片的合理設計來保證能散在實驗要求的范圍內。

在當前的輻照裝置中，采取的擴束及均勻化方案主要有3種：小束斑掃描法、雙靶散射法和磁鐵校正法。小束斑掃描法基于李薩茹原理，利用掃描元件將1個較小的束斑在x和y兩個方向上實現周期性移動，兩個方向的運動疊加形成均勻分布[7]，這種方法適用于直流束，而隨著加速器的發展，束流的脈沖化越發嚴重，掃描法與脈沖束的時間結構會產生耦合，影響均勻化的效果。雙靶散射法是利用材料對束流的散射作用，使用兩塊散射靶對束流進行二次散射，最終得到一個均勻分布的束斑[8-9]，這種方法雖然成本較低，但是對于能量較高的質子束會產生較強的活化，需額外增加屏蔽。磁鐵校正法是利用多極磁鐵對高階相差的校正作用，將高斯分布校正為均勻分布，這種方法可在不改變束流時間結構的情況下完成束流的均勻化，且束流利用率較高，產生的次級粒子較少，對實驗干擾較小，是一種較理想的擴束方法，其中應用較多的是八極磁鐵校正法[10]。

在當前的一期輻照管道中，雙靶散射方案和降能片的設計在束流能量較低的情況下帶來較大的能散和中子本底，給實驗帶來較大的干擾。本文將基于中國原子能科學研究院100 MeV強流質子回旋加速器進行八極磁鐵校正法的方案設計，取代當前的雙靶散射方案，通過優化設計，建立二期管道，更好地服務于單粒子效應地面模擬實驗。

1 八極磁鐵校正法原理

八極磁鐵校正法是利用八極磁場對束流高階相差的校正作用，將高斯分布的束流校正為近似均勻分布的束流。八極磁鐵共有8個磁極(圖1)，相鄰的兩個磁極中，一個向內壓縮，另一個向外拉伸，將束流包絡從圓形逐漸變為正方形，最終變為四角星。因此可通過調節八極磁場的強度來得到1個正方形的束斑。

圖1 八極磁鐵對束流的影響Fig.1 Effect of octupole magnet on beam

圖2為有無八極磁鐵時束流的分布，無八極磁鐵時，束流自由漂移，維持原有的高斯分布不變(圖2a)；有八極磁鐵時，兩端的束流向內收縮，與原有束流疊加，形成一近似均勻分布的束斑(圖2b)。

a——校正前；b——校正后圖2 八極磁鐵對束流的校正作用Fig.2 Correction of beam by octupole magnet

2 方案設計

2.1 能量調節方案的設計

在能量調節方面，由于初始束流能量較高，因此計劃采取兩級降能的方式來控制能散度。將主降能片放在偏轉磁鐵前，將能量分為兩檔，再將次降能片置于靶站前，實現每檔內的連續可調。這樣可利用偏轉磁鐵的能量篩選功能降低一部分由降能片帶來的能散[11]，同時，由于偏轉磁鐵不能偏轉中子和γ射線，所以質子束流與偏轉磁鐵前的降能片相互作用產生的中子和γ射線也不會對靶站產生影響。單粒子效應實驗一般要求束流能散度小于10%，使用LISE++軟件計算所需降能片的厚度和相應的能散ΔE，通常以半高寬(FWHM)來表征束流能散，本文降能片材料選擇鋁[12]，結果列于表1。

表1 降能片厚度及能散計算結果Table 1 Degrader thickness and energy dissipation calculation results

可看到能量下限為10 MeV時，無論如何選擇中間的能量分檔點，能散度均會超過10%。而能量下限為20 MeV時，中間的分檔點選在40 MeV和50 MeV均可滿足能散度低于10%的要求?？紤]到偏轉磁鐵有降低能散的作用，則可將能量分檔點選在40 MeV，利用偏轉磁鐵來降低能散，盡量保證靶站處的第2次降能帶來的能散較小。

2.2 光路設計

二期管道將在一期管道的靶站處放置45°偏轉磁鐵，將束流偏轉到南向，考慮到后端束流垃圾桶的設計，偏轉磁鐵到靶站間最多可有16 m的空間。設計目標是靶上束斑面積為30 cm×30 cm，均勻性好于90%，即非均勻度小于5%。這里非均勻度的計算方法為：

在偏轉磁鐵后放置1組雙單元四極磁鐵，便于控制束流包絡，再使用八極磁鐵對束流進行均勻化。這里的思路是將四極磁鐵和八極磁鐵交替使用，利用兩個四極磁鐵將束流在x、y方向分別成腰，再將兩個八極磁鐵分別放在x、y方向的成腰位置，以求達到最好的校正效果。二期管道的物理設計如圖3所示。

考慮到對注量率的要求，需要用一期管道中的狹縫卡掉部分束流，這部分束流與狹縫相互作用產生的中子和γ射線不會被偏轉，大部分沿原方向前進，對靶站的影響較小，可忽略不計。從可調狹縫1開始計算光路，Transport軟件計算的100 MeV下的光路如圖4所示。DM1為新增的偏轉磁鐵，DQ1為一組雙單元四極磁鐵，Q1和Q2為兩個四極磁鐵。對于40 MeV以下的能量，需在偏轉磁鐵前使用主降能片，后續光路按40 MeV能量進行設計，此時保持各磁鐵位置不變，調節四極磁鐵極面場，保證光路不變，再調節八極磁鐵極面場保證校正效果不變，即可在靶上實現同樣的束流分布。100 MeV能量下元件參數列于表2，括號內為40 MeV能量下的值。靶上束流分布如圖5所示。

圖3 二期管道的物理設計Fig.3 Physical design of the second stage beamline

圖4 二期管道的光路Fig.4 Beam envelope of the second stage beamline

表2 二期管道元件參數Table 2 Component parameter of the second stage beamline

設計結果列于表3，可看出，在犧牲一定的束流利用率后，靶上束流的均勻性達到了92%以上，此時仍有42%以上的束流利用率，對于100 MeV的質子來說，這是可接受的結果。根據以往經驗，四極磁鐵和八極磁鐵的極面場需控制在0.7～0.8 T以內，本設計方案中所有磁鐵的極面場均在此范圍內，保證了設計的可行性。

圖5 二期管道靶上束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.5 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) of the second stage beamline target

表3 二期管道設計結果Table 3 Design result of the second stage beamline

2.3 公差分析

以上是理想狀況下的計算結果，實際中會有各種因素對均勻性帶來影響，本文主要討論安裝公差、磁鐵電源波動帶來的影響。

首先考慮安裝公差對靶上均勻性的影響，這里僅考慮四極磁鐵和八極磁鐵的安裝公差。在當前的磁鐵安裝技術下，位置公差可達到0.2 mm以內，角度公差可達到0.3 mrad以內[13]，所以x、y方向的位置公差的范圍取為(-0.2 mm，0.2 mm)，3個方向的角度公差的范圍取為(-0.3 mrad，0.3 mrad)[14]。這里可直接檢驗最極端的情況，即所有的磁鐵同時出現了最大的位置公差和角度公差。

根據Turtle軟件的計算，在以上公差同時出現的情況下，40 MeV的設計中，均勻性會從92%下降至78%，不滿足均勻性好于90%的要求。僅考慮四極磁鐵的安裝公差時，40 MeV的設計中，均勻性為83%，不滿足要求；僅考慮八極磁鐵的安裝公差時，40 MeV的設計中，均勻性為90%，滿足要求。所以安裝過程中應優先保證四極磁鐵的安裝公差。圖6、7分別為四極磁鐵和八極磁鐵安裝公差最劣情況下束流在x和y方向的分布。

對于磁鐵的安裝公差，文獻[15]的研究中給出如下結論：x，y，z3個方向的安裝公差是相互獨立的；同一方向(x或y)位置公差與角度公差同號時，對均勻性影響較大；公差異號時，對均勻性影響較小。對于本次的設計，由Turtle軟件的計算結果還可得出如下結論：1) 在0.3 mrad的誤差內，四極磁鐵和八極磁鐵繞z軸旋轉公差對均勻性的影響可忽略不計；2) 八極磁鐵在x、y方向的位置和角度公差對均勻性的影響小于四極磁鐵。因此在安裝過程中應優先保證四極磁鐵的安裝公差，尤其是x方向的安裝公差。

圖6 四極磁鐵安裝公差最劣情況下束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.6 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) with the worst installation tolerance of quadrupole magnet

圖7 八極磁鐵安裝公差最劣情況下束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.7 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) with the worst installation tolerance of octupole magnet

除安裝公差外，磁鐵電源的波動帶來的場強變化也是要考慮的因素。目前磁鐵的電源穩定度通?？煽刂圃?.1%，而磁鐵的場強和電流是呈線性關系的，因此在線性區內，可認為磁鐵的場強變化也在0.1%以內。根據Turtle軟件的計算，場強變化在0.1%以內時，場強變化對均勻性的影響可忽略不計。

3 結論

本文針對中國原子能科學研究院100 MeV質子回旋加速器上的單粒子效應輻照裝置，采用八極磁鐵校正法進行了二期管道的光學設計。為了降低靶站處的束流能散和中子及γ本底，設計了兩級降能的能量調節方案，將能量分為40～100 MeV和20～40 MeV兩檔，兩檔內的連續可調由靶站前的降能片來實現。八極磁鐵校正法的設計中，選擇四極磁鐵和八極磁鐵相間排列的方案，最大程度地減小了束流在x、y方向之間的耦合，因此可對這兩個方向分別進行調節?？紤]了100 MeV和40 MeV兩個能量點下的設計方案，在均勻性好于90%的要求下，束斑面積可達到30 cm×30 cm，束流利用率達42%以上，滿足了系統級樣品輻照的需求。