14GHz強流質子源的研制與調試

張文慧，武 啟，馬鴻義，郭俊偉，錢 程，王 輝，馬保華，馮玉成，李錫霞，張恒娟，張雪珍，孫良亭，張子民，趙紅衛

（中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

強流質子源及其低能傳輸線是加速器驅動潔凈核能系統（ADS）中至關重要的源頭設備，其性能指標、運行穩定性和可靠性決定著整個加速器系統的束流品質和束流穩定度。為此，世界上幾個著名的實驗室，如法國的CEA／Saclay［1］、美 國 的Los Alamos［2］和 意 大 利 的INFN［3］等，都對強流質子源及其低能傳輸線進行了長期的研究，并取得了一定的成果。各實驗室研制的強流質子源均以2.45GHz為主，其所產生的束流強度可滿足ADS的要求，而最關鍵的問題是長期（按月計算）運行連續強束流的情況下，質子源部分部件如微波窗、引出電極等的壽命和束流的穩定性，特別是在50～100keV的束流能量下如何完全避免引出區高壓打火或等離子體熄弧而引起的瞬間束流中斷。由于IFMIF 工程的驅動，法國CEA／Saclay 實驗室已有近20 年研究和研制2.45GHz強流質子源的積累，也是目前在強流質子源領域領先的實驗室，即使CEA／Saclay研制的強流質子源，目前也無法完全避免引出區高壓打火［1］。

借鑒高電荷態ECR 質子源的運行經驗，高頻率微波與等離子體的耦合遠比2.45 GHz好，且不需自動調諧器，同時高效率的微波耦合可降低微波的反射，也可降低甚至杜絕等離子體息弧引起的束流瞬間中斷，提高束流的穩定性。另外，與大多數2.45GHz ECR 質子源不同，高微波頻率（10～18GHz）ECR 質子源的微波窗不用與等離子體接觸，故可解決微波窗壽命對質子源長期工作的影響，有利于質子束的長期穩定。因此，通過研制新型的10～18GHz強流質子源，并對其場型和結構優化，可進一步研究強流質子束產生及其穩定性。

1 實驗裝置

本項目研制的高頻強流質子源采用的微波頻率為14GHz，由1臺工作頻率可調的行波管微波機提供。質子源的微波系統由微波機、DC-break、微波窗組成，微波通過波導管直接饋入質子源弧腔。質子源工作所需的磁場為0.5T。為保證源體結構的簡單緊湊，同時降低研制成本，采用高磁能積的釹鐵硼永磁鐵來建造源體磁場。圖1 為該質子源的結構示意圖。質子源主體由充磁方向形成一定角度的兩個永磁環和弧腔組成，永磁環和弧腔內的一組鐵軛共同形成適合電子回旋共振的磁場。質子源弧腔內軸向磁場分布如圖2所示。

為避免弧腔內等離子體的熱量對永磁鐵帶來的不利影響，質子源弧腔整體采用導熱性能良好的紫銅，且在弧腔外加有高壓去離子水以交換弧腔所帶出來的熱量。工作氣體經過精密針閥由進氣管進入內襯氮化硼（BN）筒的弧腔，在電子回旋共振的作用下形成高密度等離子體，并被加速減速電極系統引出，加速電壓設計為35kV。圖3示出引出束流為35kV、35mA條件下，用PBGUNS 模擬計算的引出束流傳輸軌跡及電場線分布。質子源引出端陶瓷環后連接一六通真空腔體，其中上端安裝一套分子泵機組，可使真空室腔體內獲得較好的真空度。束流被引出后由一安裝在六通后面的Beam stop接收測量，并經與標準法拉第筒校準，排除二次電子影響。圖4為整個實驗平臺的實物布局。

圖1 質子源體剖面圖Fig.1 Schematic of setup of proton source

圖2 源體軸向磁場分布Fig.2 Axial magnetic field distribution of source body

2 性能調試

圖3 PBGUNS程序模擬計算的引出系統Fig.3 PBGUNS simulation for extraction system

當微波徑向饋入時，波導注入口位于弧腔中心，由于此處存在弧腔內磁場的最低點，這里的磁場變化緩慢，ECR 共振面較大，有利于微波耦合和等離子體的擴散。質子源通過一個φ6mm的等離子體電極引出束流，在徑向饋入微波、引出高壓40kV條件下，實驗引出總束流強度與微波機輸出功率的關系示于圖5。其中，D1為加速極間距；D2為減速極間距。由于微波機反射功率過高等原因，微波輸出無法繼續增加，在220 W時得到3.7mA的質子混合束流。即使如此，Beam stop上接收到的束流隨著輸出功率的增加而增大的趨勢很明顯，從實驗上證實了高頻強流質子源的研制成功。

圖4 質子源及其實驗測試平臺Fig.4 Proton source and experiment platform

圖5 不同極間距下引出總束流強度隨微波功率的變化Fig.5 Total beam intensity vs microwave power and distance between extraction electrodes

在該實驗平臺上還進行了軸向微波饋入實驗，但由于微波機故障未獲得更好的結果。

3 討論和展望

強流質子束的成功引出，說明14GHz強流質子源原理樣機的研制成功，也從原理上證明該設計方案是可行的。為了符合ADS項目的要求，進一步提高引出束流的流強和穩定性，一臺全新磁體結構、更強磁場的強流質子源已設計完成，新源磁場采用常溫水冷線包，弧腔內徑70 mm，最高可工作于18 GHz微波頻率。目前新質子源平臺正在建造中。

［1］ GOBIN R，BEAUVAIS P Y，BENMEZIANE K，et al.Saclay high intensity light ion source status［G／OL］∥Proceedings of EPAC 2002.Paris.http：∥epaper.kek.jp／e02／PAPERS／THPRI003.pdf.

［2］ SHERMAN J D，FIGUEROA T L，HANSBOROUGH L D，et al.A 75keV，140mA proton injector［J］.Review of Scientific Instruments，2002，73：917-921.

［3］ GAMMINO S，CIAVOLA G，CELONA L，et al.Enhancement of ion current from the TRIPS source by means of different electron donors［J］.Review of Scientific Instruments，2006，77：03B511.