CSRm 束流準直器模型腔設計

李 朋，原有進，楊建成，蒙 峻，毛瑞士，柴 振，康新才，李 敏，2，鄭文亨，2，姜培勇，2

（1.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049）

近年來，放射性束流物理、等離子體物理、高能天體物理等物理學的研究急需重離子加速器提供高能強流重離子束流［1］。如在等離子體物理實驗中，為了在Au材料上實現1 MJ／g的能量沉積率以探測物質內部結構，在束斑尺寸為1mm 的條件下，需提供1.5×1012（粒子數／脈沖）的鈾離子束，且束流能量需達到1GeV／u以上。如此之高的重離子累積數和能量將對加速器的設計提出嚴峻挑戰，因為在重離子加速器中累積的離子數受限于束流本身的空間電荷限，與A／q2（A 為質量數，q 為電荷態）呈正比，加速器只能采用中間電荷態的離子（如U28＋）進而得到較高電荷態（如U73＋）高6.8 倍的累積率才能滿足物理實驗的需求。因此，中間電荷態的重離子束的累積、加速和引出將成為高能強流重離子加速器發展的必然趨勢。

但在高能強流重離子加速器中，中間電荷態束流的穩定運行面臨多方面困難，該電荷態的離子與真空中殘余氣體的反應截面較大，容易誘發各種損失機制，如束流俘獲或剝離相應數量的電子，引起部分束流電荷態的變化［2］。電荷態變更的離子經過加速器中二極磁鐵偏轉時運動方向改變，與真空管道壁碰撞進而從腔體表面解吸出一定數量的分子和離子，解吸出的粒子增加了真空中殘余氣體的密度，改變了系統真空度，進而再次提高離子的損失率，形成惡性循環，最終引起離子束流壽命下降［3-4］、累積和加速不成功，甚至直接導致加速器停機、實驗終止，離子損失過程參考文獻［5］。

在高能強流重離子加速器中，為了既能運行中間電荷態的離子以提高束流累積數，又必須避免系統真空度的惡化造成的束流損失，通常采用的方法是：首先分析束流損失機制，準確計算離子損失位置，而后利用低解吸率材料制作的準直器阻擋損失的離子，并建立動態真空系統，快速高效地將解吸出的粒子抽除，保持系統的真空度，減小損失率，且在加速器設計初始時就需優化多種Lattice結構以提高準直器刮除損失離子的效率，避免離子損失位置處無法安裝準直器的情況［2］。

加速器中安裝準直器的前提是確定該設備的鍍膜材料，選擇一種低解吸率材料才能有效降低由于束流損失引起的真空度的變化。通過束流實驗測量不同處理工藝、鍍膜厚度的多種材料的解吸率。因此在加速器上開展準直器不同鍍膜材料的解吸率測量實驗能夠為防止束流損失、維持真空系統的穩定提供強有力的實驗數據支持。本文以測量的材料解吸率為基礎，詳細計算束流損失條件下真空系統的變化，確定準直器的安裝位置和數量，為高能強流重離子加速器的高效運行提供重要的理論依據和工程設計經驗。

1 CSRm 準直系統設計

為能模擬同步加速器中由于電荷交換引起的束流損失及動態真空效應，開發了新的模擬計算軟件ColBeam，以冷卻儲存環主環（CSRm）在2011 年累積的離子束238U32＋為目標粒子計算了該電荷態的離子在CSRm 中的損失分布［5-6］。通常用于阻止損失離子與真空管壁碰撞的束流準直器安裝在束流損失概率大的位置，以此為標準確定了準直器模型腔的安裝位置為CSRm 第3 象限的兩塊二極磁鐵之間的區域，安裝位置如圖1 所示，總長度為1 120mm。

圖1 準直器模型腔安裝位置Fig.1 Installation position for prototype collimator

目前在這段區域中安裝了1臺束流位置探測器，兩臺鈦升華泵和1臺濺射離子泵。濺射離子泵的抽速通常為200～400L／s，能有效抽除非蒸汽型氣體（如甲烷和氬氣）。鈦升華泵擁有高達5 000cm2吸氣表面，形成對于氫氣的抽速接近5 000L／s［7］。準直系統概念性測試腔和法蘭由不銹鋼304L和316LN 制造。將來安裝準直器時，將保留鈦升華泵和濺射離子泵，且安裝真空計用于測量系統真空度的變化趨勢。同時在該腔體上安裝四極質譜儀用于分析損失束流碰撞真空管壁解吸出的分子和離子的組成成分。伺服電機控制的橫向準直器將安裝在模型腔橫向平面的兩端，束流位置探測器與腔體臨近安裝，準直器模型腔的真空腔如圖2所示。

圖2 準直器模型腔的真空腔Fig.2 Vacuum chamber for prototype collimator

安裝在真空測試腔中的準直器將由兩個橫向可移動的銅制擋塊構成，其中一塊將鍍20nm的金和一定厚度的防止擴散層鎳材料，另一塊將不鍍任何材料用于對比。根據CSRm近幾年來離子束的累積流強和能量，利用軟件LISE計算了擋塊的縱向阻擋深度，同時銅制擋塊的橫向尺寸由安裝位置的束流包絡決定，因此兩個銅制擋塊的尺寸為50 mm×50 mm×100mm，重量為2.23kg。在擋塊的背部和尾部安裝有溫度傳感器和電流傳感器，用于測量損失束流的強度和引起的溫度變化，準直器擋塊的機械設計如圖3所示。

圖3 準直器擋塊的機械設計示意圖Fig.3 Mechanical design diagram of collimator block

為能有效避免準直器的擋塊與CSRm 中存儲束流的碰撞，準直器將由伺服電機控制使得擋塊能夠在橫向平面移動，橫向的移動范圍為-100～100 mm，該機械結構的前后均安裝限位開關用于準直器橫向移動的限制和防護。步進電機的控制系統采用基于超高速以太網EtherCAT 技術的網絡控制系統［8］，整套系統需1臺實時工業控制計算機、1 個符合Ether-CAT 技術的耦合端口EK1100、1 個伺服電機控制器、兩臺伺服電機驅動裝置和一些配套設備。此外，新的CSRm 真空采集程序已編寫完成，能同時采集束流的流強和系統的真空度，用于分析束流損失條件下流強的變化。

2 測試計劃

準直器模型腔的測試將分為3個步驟。

1）準直器模型腔加工完成后，利用超聲波、離子水技術對其進行清洗，然后進行烘烤，完成離線真空系統的相關檢測和參數標定。安裝準直器，利用伺服電機控制擋塊移動，完成該模型腔控制系統的離線測試。

2）將準直器模型腔安裝在CSRm 的PISA束流終端，從CSRm 引出束流到終端并進入該腔體，與銅制擋塊碰撞，利用真空計測量并記錄該腔體內真空度的變化，利用式（1）計算兩種材料（銅和金）的解吸率。

其中：Δp 為腔體內壓強的變化；V 為腔體的體積；N 為入射離子束的數目；T 為腔體的溫度；kb為波爾茲曼常數。利用解吸率確定不同束流能量和流強下損失束流引起的真空系統的變化率。

3）將準直器模型腔安裝在CSRm 第3象限后，通過電機控制銅制擋塊在橫向空間移動，同時測量損失束流強度和真空系統的變化，與同步加速器中其他位置真空系統的穩定度進行對比。

3 總結

為了能夠將束流累積到更高流強以滿足物理實驗的需求和為新的高能強流重離子加速器累積設計經驗，本文設計了束流準直器模型腔用于測試束流損失率的變化和真空解吸率隨束流能量、強度的變化趨勢。目前，CSRm 束流損失的模擬計算、準直器控制系統設計、準直器和腔體的機械設計已完成，該腔體隨后將交付相關企業進行加工。新的準直器模型腔計劃將于2015進行離線測試以完成帶束測試的準備，預計于2015年底完成CSRm 的安裝和束流測試。

感謝德國重離子研究中心（GSI）的Lars Bozyk博士提供的有關束流損失計算、準直效率模擬方面的幫助，Peter Spiller博士提供的參與準直器模型腔測試的機會。

［1］ FAIR 2006 Baseline Technical Report［R／OL］.（2006）［2015］.http：∥www.fair-center.eu／forusers／publications／fair.html.

［2］ OMET C，STADLMANN P S J，HOFFMANN D H H.Charge change-induced beam losses under dynamic vacuum conditions in ring accelerators［J］.New Journal of Physics，2006，8：284-302.

［3］ SPILLER P.Towards the high intensity limit in the FAIR project present status and future challenges［C］∥Proceedings of HB2010.Morschach，Switzerland：［s.n.］，2010.

［4］ SPILLER P，BLASCHE K，STADLMANN B F J，et al.Optimization of the SIS100lattice and a dedicated collimation system for ionization losses［C］∥3rd ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams.［S.l.］：［s.n.］，2005.

［5］ LI Peng，YUAN Youjin，YANG Jiancheng，et al.Beam loss distribution calculation and collimation efficiency simulation of a cooler storage ring in a heavy ion research facility［J］.Physical Review Special Topics：Accelerators and Beams，2014，17：084201.

［6］ LI Peng，YUAN Youjin，YANG Jiancheng，et al.The conceptual design of collimation system for CSRm［C］∥The 12th Symposium on Accelerator Physics.Lanzhou：［s.n.］，2014.

［7］ YANG X T，ZHANG J H ，ZHANG X J，et al.The ultra-high vacuum system of HIRFL-CSR［J］.Vacuum，2001，61：55-60.

［8］ Beckhoff EtherCAT.（2009）［2015］.http：∥www.beckhoff.com.cn／.