CSRe分子離子研究裝置低能傳輸線物理設計

嚴曉軍，姚澤恩,*，夏佳文，張小虎，張金泉，楊建成，盧小龍

(1.蘭州大學 核科學與技術學院，甘肅 蘭州 730000；

2.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

分子離子的復合離解是星云和天體分子形成的基本過程，廣泛存在于恒星、地球、行星及其衛星的電離層和大氣層中。對分子離子復合離解的研究，可有效獲取天體形成和演化的重要科學信息。為研究分子離子的復合離解過程，需建立分子離子研究裝置。

重離子冷卻儲存環由于具有獨特的電子-離子共線布局，是研究分子離子復合離解的強有力工具。目前國際上具有分子離子束線的重離子冷卻儲存環有3個——丹麥的ASTRID環、瑞典的CRYRING環和德國的TSR環，這3個環的磁剛度在1.4～1.5 T·m范圍，利用這3個裝置已在化學、天體物理、大氣物理和等離子體物理方面開展了一系列與分子離子復合離解相關的研究[1-6]。但由于這3個裝置磁剛度偏低，無法對質量數A高于70的分子離子進行注入及儲存。

中國科學院近代物理研究所重離子冷卻儲存實驗環CSRe的周長為128.8 m，磁剛度為9.4 T·m[7]，適合對高質量數的分子離子進行儲存和研究。若為CSRe建一條分子離子注入線，將CSRe改造成分子離子復合解離的研究裝置(molecular ion dissociative recombination research facility，MIRF)，將能對質量數高于70的分子離子開展相關研究，這將使CSRe成為世界上分子離子研究的重要實驗裝置。

基于在中國科學院近代物理研究所CSRe上建立分子離子注入線的研究任務，本文進行CSRe分子離子研究裝置低能傳輸線(LEBT)的物理設計。

1 CSRe分子離子研究裝置總體設計方案

圖1為CSRe分子離子研究裝置結構示意圖，即在現有的CSRe上建一條分子離子注入線，使離子源引出的分子離子束經過以倍壓型高壓加速器為主的低能傳輸線和以RFQ加速器為主的中能傳輸線注入到CSRe中。CSRe的詳細結構見文獻[8]。離子源引出的分子離子束流能量為20 keV，由150 kV倍壓型高壓加速器將束流能量提高到170 keV，經第1組三單元四極透鏡聚焦并由雙聚焦分析磁鐵分離出所需的分子離子束后，由第2組三單元四極透鏡對束流聚焦匹配注入RFQ中，并由RFQ加速器將束流能量加速到3 MeV后注入CSRe。

1——高壓電極；2——離子源；3——加速管；4——第1組三單元四極透鏡；5——分析磁鐵；6——分析狹縫及束流診斷系統；7——第2組三單元四極透鏡；8——RFQ

本文主要是設計RFQ加速器前的低能傳輸線，要求經過低能傳輸線獲得的分析束流在RFQ入口處的束斑半徑小于0.4 cm，Twiss參數約為α=0.5、β=10 cm/rad。

2 分子離子研究裝置低能傳輸線整體設計

分子離子研究裝置低能傳輸線主要由150 kV倍壓型高壓加速器、第1組三單元四極透鏡、90°雙聚焦分析磁鐵、束流診斷系統、第2組三單元四極透鏡等元件組成。通過Trace-3D和Beampath程序對低能傳輸線中的束流包絡模擬確定各元件的設計參數。分子離子研究裝置的離子源采用瑞典Manne Siegbahn實驗室的分子離子源[9]，參考其引出的束流品質數據，在傳輸線模擬設計時離子源初始參數取值為：能量Ek=20 keV，發射度ε=105 πmm·mrad，α=-0.5，β=15 cm/rad。此外，CSRe分子離子研究裝置的設計目標是開展質量數為70～150的分子離子相關研究，故在模擬時以質量數上限為150的分子離子作為參考離子。

模擬得到的分子離子研究裝置低能傳輸線的束流包絡如圖2所示。由圖2可得出，150 kV倍壓型高壓加速器的加速管具有較好的聚焦性能，加速管出口的束斑半徑約0.75 cm；在距90°雙聚焦分析磁鐵出口約69 cm的焦平面上，x方向束流包絡半徑約為0.3 cm，這有利于在此處設置狹縫光闌以分析所需質量數的分子離子，束流經第2組三單元四極透鏡聚焦后，在距其出口約32 cm處形成束腰，其束流包絡半徑約0.18 cm，α=0.3，β=8 cm/rad，滿足RFQ注入條件，此處可設置為RFQ入口。

1——高壓加速器；2——第1組三單元四極透鏡；3——分析磁鐵；4——分析狹縫；5——第2組三單元四極透鏡；6——RFQ入口

3 低能傳輸線各元件設計

3.1 150 kV倍壓型高壓加速器

150 kV倍壓型高壓加速器的結構如圖3所示，其由高壓電極、分子離子源、加速管、離子源電源隔離供電系統、環氧絕緣支撐柱、150 kV倍壓型高壓電源等組成。其中，高壓電極與地電極間的絕緣高度為60 cm。加速管由4個絕緣瓷環和相應的均壓環及兩間隙加速電極組成，通過均壓電阻將150 kV高壓平均分配在均壓環上，環與環之間的電位差為37.5 kV。

采用Poisson/Superfish軟件對高壓加速器的電場進行模擬，圖4為模擬得到的關鍵部件加速管內的空間電場等位面分布，模擬結果顯示：1) 處在大氣中的加速管高壓電極最大電場強度約為6.25 kV/cm，遠低于大氣擊穿電場強度30 kV/cm的限值；2) 加速管內為高真空區域，該區域內的最大電場強度約為25 kV/cm，遠低于高真空擊穿電場強度100 kV/cm的限值。加速管加速區軸線上的電場強度分布如圖5所示。從圖5可知，電場有效加速長度約30 cm，最大加速電場強度約12 kV/cm。圖2中的束流包絡顯示出此加速場對高質量數的分子離子束具有較強的聚焦性能，能保證束流被加速并以較小的包絡傳輸出加速管。此外，在加速管出口處設置了-1 000 V電位的圓筒型電極作為電子抑制電極，用來抑制高壓加速器外的次級電子進入加速管被反向加速。

1——高壓電極；2——分子離子源；3——離子源引出電極；4——加速管；5——電子抑制電極；6——地電極；7——隔離變壓器環氧絕緣筒；8——環氧絕緣支撐柱

圖4 高壓加速管內電場等位面分布

3.2 三單元四極透鏡

通過束流包絡的模擬，設計的兩組三單元四極透鏡的結構示意圖如圖6所示。

第1組三單元四極透鏡位于分析磁鐵前，其主要功能是實現分析磁鐵的注入匹配，透鏡的內切圓半徑為5.5 cm，第1單元透鏡寬度為25 cm，安匝數為5 108；第2單元透鏡寬度為30 cm，安匝數為6 484；第3單元透鏡寬度為25 cm，安匝數為3 536。三單元透鏡之間的間距為12 cm。

圖5 加速區軸線電場強度分布

1——第1單元透鏡；2——第2單元透鏡；3——第3單元透鏡；4——線包；5——束流管道

第2組三單元四極透鏡位于分析狹縫后，其主要功能是實現RFQ的注入匹配，透鏡內切圓半徑為5.5 cm，此三單元四極透鏡的第1單元透鏡寬度為30 cm，安匝數為5 344；第2單元透鏡寬度為40 cm，安匝數為6 525；第3單元透鏡寬度為30 cm，安匝數為5 890。三單元透鏡之間的間距為15 cm。

為保證有足夠的調節量，在三單元四極透鏡加工時安匝數可統一取為7 000。

3.3 分析磁鐵

以質量數上限為150的分子離子為參考離子，通過束流傳輸的模擬，設計的雙聚焦分析磁鐵參數如下：曲率半徑為150 cm，偏轉角為90°，入口和出口的旋轉角均為24°，磁間隙為10 cm，分析磁鐵磁間隙的磁感應強度為0.869 54 T。

參考離子質荷比為150，由分子離子源引出并經高壓加速器加速后的混合束中存在質荷比接近的其他離子束，要求所設計的分析磁鐵有高的質量分辨。為考察所設計的分析磁鐵的分辨率，采用Beampath程序模擬了電荷態為+1，質量數為149、150、151的3種混合分子離子束在分析磁鐵中的傳輸狀態，給出了分析磁鐵后狹縫光闌處(z=69 cm處)3種離子的實空間分布及(x，px)相平面和(y，py)相平面上的相圖(p為相空間物理量，無單位)，結果分別如圖7、8所示。

圖7 分析狹縫處3種離子的束斑

圖8 分析狹縫處3種離子的相空間分布

由圖7中的實空間離子分布可看出，在z=69 cm處，質量數為149、150、151的3種離子束斑半徑約為0.3 cm，束斑中心間距約為0.9 cm，3種分子離子束明顯分離，當x方向狹縫光闌寬度取0.8 cm時，即能從混合束中分離出A=150的分子離子束。圖8顯示，狹縫光闌處A=150的分子離子束在(x，px)相平面x方向上形成束腰，A=149的分子離子束處于散焦狀態，A=151的分子離子束處于聚焦狀態，因此，此處適合安裝狹縫光闌。3種分子離子束在(y，py)相平面重合，即3種分子離子束在管道y方向均處于聚焦狀態。由上述分析可看出，設計的分析磁鐵對質量數為150左右的混合束有足夠的質量分辨，對質量數小于150的混合分子離子束將具有更高的質量分辨率。

4 結論

通過束流傳輸的模擬，完成了分子離子研究裝置低能傳輸線的物理設計，給出了各元件設計方案和參數：1) 對倍壓型高壓電場的模擬顯示，所設計的倍壓型高壓加速器的各關鍵區域電場強度均遠低于擊穿電場強度，加速區電場對分子離子束具有較強的聚焦效應，保證了束流的加速和傳輸；2) 束流包絡模擬顯示，所設計的第1組三單元四極透鏡達到了分析磁鐵的注入匹配要求，分析磁鐵具有足夠的質量分辨；3) 束流經第2組三單元四極透鏡聚焦后，在距其出口約32 cm處形成了束腰，束包絡半徑約0.18 cm，α=0.3，β=8 cm/rad，滿足RFQ注入條件。下一步將開展以RFQ直線加速器為主的中能傳輸線的設計，以實現CSRe的注入匹配。

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