高能大功率電子輻照加速器270°偏轉光路設計

李金海，王思力，劉保杰（中國原子能科學研究院核技術應用研究所，北京 102413）

高能大功率電子輻照加速器270°偏轉光路設計

李金海，王思力，劉保杰
（中國原子能科學研究院核技術應用研究所，北京 102413）

摘要：為實現高能大功率電子輻照加速器的一機多用目的，需研制270°偏轉光路支線。本文采用Trace3D程序對270°偏轉光路進行了設計與模擬計算，設計了雙135°偏轉磁鐵和整體270°偏轉磁鐵。對雙135°和整體270°兩種偏轉磁鐵元件進行二維和三維電磁場設計與模擬計算，計算結果表明，整體270°偏轉磁鐵的場分布與光路設計中所要求的物理參數差距較大。由于整體270°偏轉磁鐵的場分布調整較困難，使工程實施中的束流調試難度較大，因此采用雙135°偏轉磁鐵的光路方案。

關鍵詞：高能大功率電子輻照加速器；束流光路；消色散；135°偏轉磁鐵；整體270°偏轉磁鐵

［2014］112號）

高能大功率電子輻照加速器廣泛應用于工業、農業、醫療、衛生、環保等領域，被譽為綠色加工裝置，是符合可持續發展要求的理想輻射源，是輻射加工產業發展的必然趨勢［1－5］。其產生的射線具有可控、能量高、輻照時間短、無核廢物、不會殘留放射性物質、不危害環境等特點。高能大功率電子輻照加速器的運行參數一般為10 MeV電子能量和10kW以上束流功率。

為了充分利用高能大功率電子輻照加速器裝置，很多用戶會要求實現一機多用的目的，這就需研制不同的電子束流應用支線，其中的關鍵部件是270°偏轉磁鐵。國際上很多醫用加速器裝置采用了270°偏轉方案，包括整體270°偏轉磁鐵方案、3個偏轉磁鐵方案、近180°偏轉加近90°偏轉方案等［6］。李泉鳳等［7－10］對醫用加速器的整體270°偏轉磁鐵做過相關研究。高能大功率電子輻照加速器270°偏轉支線的設計需考慮到系統復雜度和實現難度等因素，整體270°磁鐵結構緊湊，而雙135°偏轉磁鐵夾四極透鏡的實現難度低，因此本文對這兩個方案進行設計和模擬計算，比較兩個方案的可行性。

1　光路設計模擬

圖1　 高能大功率電子輻照加速器結構Fig．1 Structure of high power electronirradiation accelerator

高能大功率電子輻照加速器結構如圖1所示，電子束除需常規的下方掃描輻照，還需將束流偏轉270°，將垂直傳輸的束流變為水平傳輸的束流以進行其他應用。光路設計的要求有3點：1）需實現不同能量的電子束270°偏轉；2）需實現消色差的效果，即避免因電子束團的能散導致偏轉后的束斑擴大；3）光路末端束斑滿足用戶需求，并可根據需要調整。光路的模擬計算采用Trace3D程序。

首先針對不同能量和不同光路方案進行光路的設計與計算，圖2為整體270°磁鐵的不同能量的光路束流包絡，磁鐵中間為梯度偏轉場，兩邊為均勻偏轉場，中心線上方的包絡線是束流偏轉平面上的，中心線下方的是垂直束流偏轉平面上的包絡線。計算了5%和10%兩種束流能散的情況，可發現，包絡僅在偏轉磁鐵區域不同，其他區域是相同的，即光路是消色散的。光路末端靶點直徑為1mm左右，即光路基本可滿足要求。

圖2　 整體270°磁鐵6MeV（a）、8MeV（b）、10MeV（c）光路束流包絡Fig．2 6MeV（a），8MeV（b）and 10MeV（c）beam envelopes of 270°bend magnet

圖3為雙135°偏轉磁鐵夾四極透鏡的光路束流包絡，其偏轉區域的包絡更大，有利于能量準直。光路末端靶點直徑亦為1mm左右。

2　偏轉磁鐵設計模擬

本文設計的整體270°偏轉磁鐵參數如下：偏轉半徑，60mm；磁極間隙，14mm／24mm；總偏轉角度，270°；梯度場區偏轉角度，48°；梯度場區場指數，1．16；出入口邊緣角，25°；偏轉磁鐵區內徑，40mm；偏轉磁鐵區外徑，85mm；12MeV電子偏轉所需磁場，0．7T。模擬計算了兩個磁極間隙的場分布情況，磁極間隙分別為14mm和24mm。根據圖2的計算結果，其垂直束流偏轉平面上的束流包絡最大為5mm，磁鐵間隙至少是最大包絡的2倍，考慮到安裝空間和真空盒的厚度，磁鐵間隙設為14mm。由于電子束流的流強很大，其實際包絡一般會大于5mm，為提高工程設計的冗余度，磁鐵間隙增加到24mm。

圖3　 雙135°偏轉磁鐵夾四極透鏡6MeV（a）、8MeV（b）、10MeV（c）光路束流包絡Fig．3 6MeV（a），8MeV（b）and 10MeV（c）beam envelopes of double 135°bend magnet with clamped quadruple

圖4　 梯度場區場分布Fig．4 Field distribution of gradient field

磁場分布的模擬計算首先采用二維場計算程序POISSON對梯度偏轉場區進行設計與計算，所得場分布如圖4所示，可看出，其模擬計算的曲線與理論要求的設計曲線非常接近。由于整體270°磁鐵同時存在均勻偏轉場區的梯度偏轉場區，需對其三維場分布進行模擬計算，其三維建模及三維場分布如圖5、6所示。

圖5　 整體270°磁鐵三維建模Fig．5 Three－dimentional mode of 270°bend magnet

圖6　 整體270°磁鐵三維磁場分布Fig．6 Three－dimentional magnetic field distribution of 270°bend magnet

整體270°偏轉磁鐵的參考離子運動軌道半徑為60mm，在半徑為70mm和50mm的圓周軌道上的一維場分布如圖7所示。可看出，在均勻場區和梯度場區之間存在一過渡區域，這種過渡區域是很難避免的，因為真實的物理場分布曲線必須是可導的。在圖2中的光路計算中，假定了均勻場區和梯度場區之間是臺階躍變的，因此模擬計算的場分布不能完全滿足光路設計的要求。尤其是24mm大間隙磁鐵的場分布，其過渡場區較14mm小間隙磁鐵的大20°的范圍。

圖7　 半徑為70mm（a）和50mm（b）的圓周軌道上的一維場分布Fig．7 One－dimensional field distribution along circles of R＝70mm（a）and R＝50mm（b）

文獻［10］對整體270°偏轉磁鐵出入口的邊緣場問題進行了研究，而對于磁鐵內部均勻場與梯度場之間過渡區的問題，尚未見報道。對于高能大功率電子輻照加速器，小間隙磁鐵易引起束流損失，因此工程上希望采用大間隙的偏轉磁鐵，而大間隙磁鐵的場分布嚴重惡化，目前尚無成熟的軟件對這種過渡區對粒子動力學的影響進行研究。因此，270°整體偏轉磁鐵在高能大功率電子加速器工程實施過程中存在很大的風險，所以采用雙135°偏轉磁鐵夾四極透鏡的光路方案可行性更高。

本工作設計的雙135°偏轉磁鐵參數如下：磁極間距，100 mm；偏轉半徑，200 mm；12MeV偏轉所需磁感應強度，0．21T；線包厚度，52mm；線包長度，403mm；出入口邊緣角，0°。其三維磁場計算結果如圖8、9所示。圖9中的場分布存在磁場的邊緣場區問題，此問題與圖7中的過渡場區不同，因為邊緣場區的磁場雖逐漸降低，但其平行磁鐵邊緣方向上的磁場基本是均勻的；而過渡場區的場分布是從均勻場區過渡到梯度場區，其磁場指數沿粒子運動軌跡是變化的，因此其對束流動力學的影響更為復雜。雙135°偏轉磁鐵夾四極透鏡方案的元件三維布局如圖10所示。

圖8　 雙135°磁鐵三維磁場分布Fig．8 Three－dimentional magnetic field distributionof double 135°bend magnet

圖9　 雙135°磁鐵參考軌道場分布Fig．9 Field distribution along reference orbit of double 135°bend magnet

圖10　 雙135°偏轉磁鐵夾四極透鏡的元件三維布局Fig．10 Arrangement of double 135°bend magnet with clamped quadruple

3　結論

在光路設計中，整體270°偏轉和雙135°偏轉均可實現光路的匹配，達到用戶要求。但模擬計算結果顯示，整體270°偏轉磁鐵的場分布過渡場區太大，而過渡場區對束流動力學的影響目前還無合適的軟件對其進行模擬計算，且整體270°偏轉的梯度場區的調整僅能改變機械結構參數，不能連續多次調整，因此導致工程實施難度和風險很大。雙135°偏轉磁鐵在實現光路設計目標的同時，可實現參數即時連續調整，其大間距磁極可接收大包絡的強流電子束，因此對高功率束流的傳輸匹配非常有利。

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Design of 270°Bend Branch for High Power Electron Irradiation Accelerator

LI Jin－hai，WANG Si－li，LIU Bao－jie
（China Institute of Atomic Energy，P．O．Box275－17，Beijing102413，China）

Abstract：In order to realize the multi－usage on one high power electron irradiation accelerator，the 270°bend branch is needed to be researched．The beam dynamic design and calculation were done for 270°bend branch with the Trace3Dcode．Two schemes of bend magnet were designed．One is 270°bend and the other is double 135°bend．The design and calculation of the 270°and double 135°bend magnets were done by using two－dimensional and three－dimensional electro－magnetic field calculation code．The calculation result shows that there is a big difference between the simulation and the beam dynamic demand of the field distribution of 270°bend magnet．Because it is very difficult to adjust the field of 270°bend magnet during the commissioning，the double 135°bend magnet is preferred to be used．

Key words：high power electron irradiation accelerator；beam optics；de－dispersion；135°bend magnet；270°bend magnet

作者簡介：李金海（1974—），男，山東高密人，研究員，博士，核技術及應用專業

基金項目：國家自然科學基金資助項目（91126003）；中國核工業集團公司“重點科技專項和優先發展技術”項目資助（中核科發

收稿日期：2014－04－01；修回日期：2014－11－30

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1529

文章編號：1000－6931（2015）08－1529－05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TL501．5；TL503．8