西安200 MeV質子應用裝置的建設及調試

王忠明， 陳 偉， 邱孟通， 閆逸花，張 輝， 王敏文，王百川,， 楊 業,， 王 迪， 劉臥龍， 王茂成，呂 偉， 趙銘彤， 趙 晨， 魏崇陽， 王學武， 關遐令，鄭曙昕， 邢慶子， 姚紅娟， 程 誠， 杜泰斌，張化一， 雷 鈺， 王 丹， 杜暢通， 馬鵬飛， 劉曉宇， 李 巖， 葉文博， 于旭東

(1. 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024； 2. 西北核技術研究所， 西安 710024；3. 粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室， 北京 100084； 4. 清華大學 先進輻射源及應用實驗室， 北京 100084; 5. 清華大學 工程物理系， 北京 100084)

衛星和航天器工作在帶電粒子構成的空間輻射環境中。空間輻射環境中的高能帶電粒子在半導體器件中誘發的輻射效應,可導致器件工作性能退化、工作狀態突變甚至永久性損傷，嚴重影響衛星和航天器的可靠性及壽命。

宇航抗輻射器件屬于西方國家嚴格禁運產品，我國必須形成自主可控能力。近年來，我國已投入大量科研經費用于實現宇航器件的國產化。這些器件具有明確的抗輻射加固指標，需要開展地面抗輻射性能研究與考核評估。長期以來，我國一直缺乏專用的空間單粒子效應考核的質子輻照實驗裝置。西安200 MeV質子應用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)正是基于上述重大需求提出的。該裝置的核心是一臺最高能量為200 MeV的質子加速器，建成后可開展宇航級抗輻射電子器件的空間輻射效應及輻射探測技術等方面的研究工作。

XiPAF采用以直線加速器作為注入器的同步加速器技術路線。7 MeV的直線加速器由負氫離子源、低能束流輸運線(low energy beam transport, LEBT)、射頻四極加速器(radio frequency quadrupole, RFQ)、漂移管直線加速器(drift tube linac, DTL)及射頻功率源組成，總長約7 m，為同步加速器提供低發射度和低能散度的注入束流。同步加速器采用六折對稱的磁聚焦結構，周長約30 m，由6塊二極磁鐵、12塊四極磁鐵、4塊六極磁鐵、1套高頻加速腔和1套注入引出系統組成。同步加速器采用慢引出模式，利用三階共振原理，將質子束流在1～10 s內均勻引出到實驗終端供用戶使用。設計引出能量在60～200 MeV之間連續可調，每個周期環中存儲的最大粒子數為2×1011，引出到終端的束流強度在105～108cm-2·s-1之間連續可調。實驗終端采用階梯場磁鐵獲得面積在100 cm2范圍內均勻分布的束流，并配備樣品輻照支架和束流監測系統，適宜于開展各種類型的質子輻照實驗。XiPAF的主要設計指標如表1所列，加速器的布局如圖1所示[1-2]。

表1 XiPAF主要設計指標Tab.1 Main design parameters of XiPAF

圖1 XiPAF加速器布局的3維模型Fig.1 3D model of XiPAF accelerator

2014年，XiPAF建設正式立項，經過總體方案設計、初步設計、詳細設計、分系統研制和整機安裝調試5個階段的建設，在2020年初實現了首次成功出束，又經近一年的束流調試，目前已基本達到設計指標，并開展了2輪小規模用戶實驗，驗證了裝置對外提供束流實驗的技術能力。2021年，裝置將正式對外開放運行。本文簡要介紹該裝置的基本情況和建設進展。

1 XiPAF概述

1.1 負氫離子源

XiPAF裝置采用1套2.45 GHz微波驅動的體效應負氫離子源，圖2為XiPAF負氫離子源結構示意圖。源體分為微波饋入、初級等離子體區、磁簾、等離子體引出區和帶電子吸收的引出區5個部分。

圖2 XiPAF負氫離子源結構示意圖Fig.2 Sketch map of XiPAF H- ion source

等離子體引出區設計有“肩”結構，電子流的吸收在引出電極內進行。另外，在磁簾區安裝了柵網，用于阻斷微波在離子源放電室中的傳輸，減少負氫離子區的電子被加熱的概率，抑制該區域電子溫度的增長，獲得更多的低能電子。離子源為無銫結構，各區域磁場由永磁鐵產生。引出系統由等離子體電極與地電極構成，利用2個電極之間的高壓電場把負氫離子加速到50 keV后引出[3]。

1.2 低能束流輸運線

LEBT的主要設計目標為： 1)實現RFQ入口處Twiss參數的匹配； 2)實現束流脈沖寬度可調，由于離子源引出機制的限制及LEBT負氫離子束空間電荷中和的要求，離子源引出的束流脈沖寬度為300～500 μs，大于整體加速器對束流脈沖寬度的要求，需要在LEBT中添加斬波器(chopper)，使到達RFQ入口位置的束流脈沖寬度為10～40 μs； 3)盡量減少束流發射度的增長和束流損失。

LEBT的主體設計采用了2套螺線管透鏡、2套導向磁鐵和1套斬波器。LEBT的束流診斷系統包括位于第一診斷室的法拉第筒、位于第二診斷室的1套雙狹縫發射度儀及位于出口處的1套交流電流變壓器(ACCT)。LEBT的整體物理設計長度為1.8 m，圖3為LEBT元件布局圖。

圖3 LEBT元件布局圖Fig.3 Layout of XiPAF LEBT

1.3 射頻四極加速器

RFQ采用變電壓設計，出口能量為3 MeV，總長度約為3 m。通過增大孔徑和加速梯度，在RFQ長度盡量縮短的情況下保證了高的傳輸效率。聚焦強度不為常數，增大了設計的靈活性，通過調整RFQ高能端的聚焦常數，實現了RFQ和DTL之間的直接橫向和縱向匹配。圖4為RFQ主要設計參數隨縱向位置的變化關系[4]。

圖4 RFQ主要參數隨縱向位置的變化Fig.4 RFQ design parameters vs. longtudinal position

1.4 漂移管直線加速器

XiPAF采用1套交叉指型H模DTL(interdigital H-mode DTL, IHDTL)，出口能量為7 MeV，設計的最高峰值電流為15 mA，總長度約為1.2 m。IHDTL采用一種修正的KONUS束流動力學設計，沿縱向分為聚束段、0°加速段和散束段。這種設計的優點有2個，一是聚束段采用較大的RF相位，可接受較大的縱向相寬；二是0°加速段后接散束段，在限制束團橫向包絡增長的同時，增大了IHDTL出口的相位寬度，可減小與下游散束器的距離。設計的聚束段的同步相位為-80°，加速間隙(gap)個數為3；0°加速段的入口相位為8°，能量跳變系數(同步粒子的能量與束團中心能量的比值)為0.945，gap個數為13；散束段的同步相位為10°，gap個數為5。圖5為IHDTL模型結構示意圖[5]。

圖5 IHDTL模型示意圖Fig.5 Sketch map of XiPAF IHDTL

1.5 射頻功率源

XiPAF采用2套4616型四極管為RFQ和DTL分別提供射頻功率。圖6為射頻功率源組成原理框圖。射頻功率源以固態推動級和末級功率放大器兩級功率放大鏈路為核心，配置供電分系統、監控保護分系統、冷卻裝置及功率傳輸和監測單元。末級腔體放大器選用BURLE公司的4616V4型電子管及為其專配的Y1413型同軸輸入輸出腔，輸出功率在20～500 kW之間連續可調。2套電子管共用1套陽極高壓電源和監控保護系統。

圖6 射頻功率源系統組成原理框圖Fig.6 Principle diagram of XiPAF linac RF system

1.6 同步環磁聚焦結構

XiPAF同步環的主要技術特點為：

1) 采用負氫剝離注入和橫向相空間涂抹技術，可有效抑制注入階段低能質子的空間電荷效應；

2) 采用六折對稱的磁聚焦結構(lattice)，簡化了磁鐵元件設計，工作點調節能力強；

3) 采用磁合金加載的高頻加速腔，提供了自適應的寬帶調諧能力，不需要額外的調諧機構；

4) 采用三階共振慢引出技術，可穩定、均勻的將質子束從環中引出到實驗終端用于用戶實驗。

XiPAF同步環采用一種稱為missing-dipole的聚焦結構設計，其基本單元是用1個漂移節代替了1個聚焦-漂移-散焦-漂移(FODO)單元中的1塊二極鐵。這個長的漂移節可用于安裝注入引出元件、加速元件和束流診斷元件。圖7為同步環的平面布局和Twiss參數沿全環的分布(其中β為包絡函數，D為色散函數)。表2列出了同步環的主要設計參數。

(a) Lattice design of XiPAF synchrotron

表2 同步環的主要設計參數Tab.2 Main parameters of XiPAF synchrotron

1.7 同步環注入、引出系統

XiPAF同步環注入系統采用剝離注入和相空間涂抹方法，可克服劉維定理的限制，有效提高注入束流強度。注入系統包括3塊Chicane磁鐵、2塊快脈沖的凸軌磁鐵、1塊注入切割鐵和1套剝離膜系統。3塊Chicane磁鐵提供1個固定的閉合軌道凸起，2套凸軌磁鐵在30 μs的下降沿上提供最大2.4 cm的軌道凸起，在凸軌下降的過程中實現注入相空間的涂抹。

XiPAF同步環引出系統為三階共振慢引出系統，采用三整數共振和射頻踢軌(RF-KO)方法將環中的束流在1～10 s內均勻的引出到實驗終端供用戶使用，采用1套束流反饋系統以調節引出束流的時間均勻性。引出系統包括4塊六極磁鐵、1套靜電偏轉板、2塊引出切割磁鐵和1套RF-KO系統。RF-KO系統采用射頻信號激勵環中工作點位于三整數共振線附近的束流，使包絡逐漸增大，位于包絡外側的粒子將率先進入靜電偏轉板的引出通道。

1.8 同步環高頻加速系統

XiPAF同步環高頻加速系統采用磁合金材料加載的寬頻帶高頻腔系統。由于磁合金材料的特性，系統具有很好的帶寬和較高的飽和磁通特性。每個磁合金環采用1個獨立的固態放大器提供射頻功率輸入。寬頻帶高頻腔可提供不小于800 V的加速電壓，帶寬在1～7 MHz之間自適應調節。圖8為磁合金腔結構示意圖，表3列出了磁合金腔系統主要設計參數[6-7]。

圖8 磁合金腔結構示意圖Fig.8 Sketch map of XiPAF magnetic alloy loadedRF acceleration system

表3 磁合金腔的主要設計參數Tab.3 Main design parameters of magnetic alloyloaded RF acceleration system

2 XiPAF項目建設進展

XiPAF項目屬于典型的大型科學裝置類建設項目，技術難度大，實施周期長。該項目自2010年開始論證，2014年正式立項，2014年8月完成總體方案評審，2015年11月完成初步設計評審，2017年底完成各分系統500余臺/套設備的研發。2018年6月，項目進入整機安裝調試階段，2019年12月基本完成現場設備安裝，圖9為XiPAF裝置安裝現場照片。

圖9 XiPAF裝置安裝現場照片Fig.9 Photo of XiPAF assembly area

2.1 直線加速器調束進展

2.1.1 離子源束流調試

2014年，XiPAF的負氫離子源開始研制，完成后陸續在測試平臺上開展了大量針對源體自身性能的實驗和改進，最終達到的技術指標為：在束流能量50 keV，重復頻率100 Hz，脈沖寬度為500 μs條件下，負氫束流的峰值電流達到了8.5 mA，歸一化均方根發射度為0.25π mm·mrad。負氫離子源束流強度及發射度測試結果如圖10所示。

(a) Beam current

2.1.2 LEBT束流調試

為測試LEBT出口處的發射度和RFQ的匹配程度，除在LEBT第二診斷室布置1套發射度儀外，在LEBT末端布置了1套可拆卸式的移動式雙狹縫發射度儀，可在2個縱向位置上分別測量束流在2個方向上的發射度，為反推離子源出口Twiss參數和精確推算RFQ入口處的發射度提供更多的測量手段。LEBT測試實驗束線布局如圖11所示。

圖11 LEBT測試實驗束線布局Fig.11 Layout of XiPAF LEBT test beamline

在LEBT調試工作中，通過掃描螺線管和導向磁鐵電流，尋找LEBT傳輸效率的變化規律，同時在一些特定參數下測量第二診斷室和第三診斷室發射度。經過參數掃描發現，LEBT中的整體傳輸效率最高約60%，略低于設計值。由于負氫離子的損失機制比較復雜，對該結果的分析目前還沒有明確結論。此外，在不同參數下，經過多次發射度測量并反推離子源出口處的Twiss參數，找到了與理論模型比較吻合的一組結果，圖12為第二診斷室發射度測量和模擬結果，圖13為移動式發射度儀的測量結果和模擬結果。由圖12和圖13可見，實驗中2個不同位置發射度的測量結果與模擬結果都符合較好。

由于移動式發射度儀的測量位置比RFQ入口要靠后一些，所以測得的相圖是發散的，將該相圖逆推回RFQ入口處，得到的相圖如圖14所示。由圖14可見，LEBT出口處束流與RFQ的接受度基本匹配，束流的相空間存在一定的拖尾現象，理論模擬顯示這是由于束流在進入第一個螺線管時散角偏大，進入螺線管透鏡孔徑邊緣的非線性場導致的。這些束暈中的雜散粒子會對RFQ的傳輸效率帶來一定影響。

2.1.3 RFQ束流調試

為滿足RFQ調試要求，在RFQ調束前安裝了一條臨時測量束線，包括1套雙狹縫發射度儀、1套ACCT和2套束流位置探測器(BPM)[8-10]，分別測量RFQ出口處的發射度、束流強度和能量，實驗束線布局如圖15所示。

圖15 RFQ測試實驗束線布局Fig.15 Experimental beamline layout for RFQ test

RFQ調試的目的是通過調節離子源引出高壓、LEBT上2個螺線管透鏡、4個導向鐵的電流及RFQ饋入功率等參數，使RFQ傳輸效率達到最佳，并測量出口束流參數和各元件工作參數的關系，找到與DTL加速器接受度匹配的工作參數。在進行導向鐵參數掃描、螺線管透鏡參數掃描、RFQ饋入功率掃描和導向鐵參數二次掃描之后，得到了RFQ的最高傳輸效率約為88%，測量得到RFQ出口的發射度與理論模擬結果相近，水平和垂直方向歸一化RMS發射度分別為0.47π mm·mrad和0.40π mm·mrad ，基本滿足DTL加速器的注入要求。圖16為RFQ傳輸效率隨RF饋入功率變化關系，圖17為RFQ傳輸效率隨螺線管電流的變化關系。

圖16 RFQ傳輸效率隨RF饋入功率變化關系Fig.16 RFQ transmission efficiency vs. the RF feed power

圖17 RFQ傳輸效率隨螺線管電流的變化關系Fig.17 RFQ transmission efficiency evolutionwith two solenoid currents

2.1.4 IHDTL束流調試

7 MeV IHDTL的調束可分為縱向和橫向2個方面，縱向是調節IHDTL的饋入功率和相位，橫向是調節入口Twiss參數和偏心。目的是通過掃描射頻功率源(RF)的場強和相位，使DTL出口能量和動量分散滿足能量大于7 MeV，95%粒子動量分散度好于±3%的后續注入要求。并通過掃描LEBT和RFQ的工作參數，使IHDTL的傳輸效率滿足設計指標要求。除IHDTL外，臨時安裝的束測線上還包括3塊四極磁鐵、1套發射度儀、1套散束器、3套BPM、1套ACCT、1套分析磁鐵、2套分析狹縫和1套法拉第筒，IHDTL測試實驗束線布局如圖18所示。

圖18 IHDTL測試實驗束線布局Fig.18 Layout of IHDTL beam experiment line

為尋找IHDTL的相位工作點，將入射功率按電場強度的設計值進行歸一化，采用Tracewin程序模擬了IHDTL傳輸效率隨腔體歸一化入射功率和參考粒子進入IHDTL時的RF相位的變化關系，如圖19所示。

圖19 利用Tracewin程序模擬得到的IHDTL傳輸效率隨腔體歸一化入射功率和參考粒子進入IHDTL時的RF相位的變化關系Fig.19 Simulated IHDTL transmission efficiency along withthe RF phase and cavity power change

由圖19可見，IHDTL的傳輸效率存在一個明顯的高傳輸效率區域，實驗中，通過尋找這個特征，可較容易找到IHDTL的工作點，即圖19中的黑點。

在實驗過程中，根據冷測得到的Q值可計算出腔體的功率損耗，再根據束流負載，可估算出IHDTL饋入功率的工作點在220 kW附近。在這個功率附近取幾組值，進行RF相位掃描，得到IHDTL的傳輸效率隨RF相位的變化關系。圖20為饋入功率為222 kW時， 掃描RF相位得到的IHDTL傳輸效率。通過和理論模擬對比，可找到當前狀態下IHDTL的工作點。

圖20 饋入功率222 kW時，掃描RF相位得到的IHDTL傳輸效率Fig.20 IHDTL transmission efficiency with the RFphase at an input power of 220 kW

在找到IHDTL的工作點后，繼續開展IHDTL出口束流參數的測量，束流參數包括傳輸效率、束團中心能量、能量分散度及束流發射度等。采用TOF方法測量得到的IHDTL出口束團的中心能量，如表4所列。

表4 利用TOF方法測量得到IHDTL出口束團的中心能量Tab.4 Beam energy measured by TOF at IHDTL exit

利用下游的雙狹縫發射度儀可測量IHDTL出口的發射度。由于發射度儀安裝在3塊四極磁鐵后，因此實驗中測量了四極磁鐵不加電(drift)和加電(triplet)2種情況下的發射度。圖21為IHDTL出口橫向發射度測量值。將測量得到的束流相空間分布逆推到IHDTL出口處，得到的束團RMS相橢圓的測量結果，測量結果與模擬結果整體上比較吻合。

2.2 同步加速器調束進展

2.2.1 束流注入調試

在同步加速器調束過程中，首先開展束流注入調試。圖22為注入點處質子在環上轉一圈后熒光屏的束斑。調束初期，采用2個熒光屏查看束流第一圈注入情況，然后通過調整二極磁鐵和注入切割磁鐵電流使直流流強探測器(DCCT)束流最大化，優化后得到DCCT上最高束流強度達到了47 mA，對應的粒子數為2.5×1011，總注入效率達到58%，在MEBT出口束流強度未達設計指標5 mA的情況下，實現了注入后粒子數大于等于2×1011的目標。

(a) At the injection point

在初步注入調試成功后，分別研究了注入束流軌道與循環束流軌道、注入點束斑尺寸與Twiss參數、凸軌涂抹曲線、注入圈數與延時及注入時環的工作點等不同參數對注入效率的影響。研究結果表明，在相同的注入條件下，與注入束流的束斑大小相比，Twiss參數匹配對注入效率影響更大；凸軌鐵延時對注入束流強度的影響比較顯著，注入束流從凸軌鐵下降沿起始位置前約30 μs注入得到的累積束流強度最高，有效注入圈數約為20圈。實驗中，分別采用指數下降曲線、線性下降曲線和2組優化的平滑下降曲線研究不同凸軌曲線形狀和延時下的注入束流強度情況。結果表明，指數下降曲線的注入效率相對較高。圖23為凸軌磁鐵采用指數下降曲線時，不同脈沖寬度和凸軌鐵延時條件下DCCT的最大電流。

(a) Injection beam current vs. pulse width of the bump

2.2.2 束流俘獲調試

俘獲調試的目的是調節高頻頻率和二極鐵磁場強度，使其與束流能量相匹配，實現束流的正常聚束。俘獲后束團為單束團模式，可為后續的線性光學測量和加速提供條件。

俘獲優化的過程主要是調節同步環的二極鐵電流和高頻頻率，通過快速流強變壓器(FCT)、BPM信號及俘獲過程的束流損失綜合判斷俘獲效果。圖24為俘獲效率較高的1組實驗中DCCT和FCT的測量結果。由圖24可見最大俘獲效率約為51%。

(a) DCCT

2.2.3 線性光學測量與校正

線性光學函數是指同步環lattice的一些參數，包括工作點、β函數、色散及色品等，在俘獲完成后束流聚束成團，具備了開展上述參數測量的條件。準確測量這些參數并進行物理模型的校正是下一步開展加速調試和慢引出調試的基礎。因此，在加速調試前首先開展了線性光學的測量與校正。

在測量過程中，水平工作點采用BPM逐圈數據進行FFT得到，垂直方向由于橫向振蕩幅度較小，工作點主要采用頻譜儀進行測量。圖25為1組典型加速過程中橫向工作點變化的測量結果。

(a) Working point from FFT of BPM signal

色散函數和色品分別表征了偏能粒子閉合軌道和工作點的偏差，在測試時采用緩慢掃頻的方式改變束流能量，根據閉軌變化和工作點變化測量色散和色品。水平方向和垂直方向的色散測量結果如表5所列，水平方向色品為0.33，垂直方向色品為-2.83。

表5 水平方向和垂直方向的色散測量結果Tab.5 The horizontal and vertical dispersionat different BPM locations

利用校正鐵逐個添加1 mrad激勵，記錄每個BPM測量的閉軌變化量，測量了束流對于校正鐵的12×12的橫向閉軌響應矩陣。該矩陣包含了線性光學的各種信息，通過LOCO方法可以將測量結果和理論模型進行擬合，在匹配過程中對模型進行修正，得到與實際加速器匹配的模型及所有線性光學函數[11-12]。與原有模型給出的響應矩陣相比，修正模型的相對偏差小于5%。

β函數反映的是環上不同位置處束流的最大包絡，是同步環上最重要的lattice參數之一。通過校正鐵激勵法和四極鐵激勵法，分別測量了全環的β函數。圖26為修正模型給出的β函數和色散函數與實驗測量結果的對比。

由圖26可見，測量結果與修正后的線性光學預測的結果吻合較好，證明了模型和測量的準確性。

2.2.4 束流加速調試

束流的加速調試是指通過調節高頻及磁鐵的上升曲線來實現將束流加速到指定能量，加速后的束流可用于慢引出及用戶實驗。

剛開始進行加速調試時，加速過程中束流的損失比較嚴重，通過觀察閉軌情況發現在加速過程中閉軌一直在變化。采用BPM測量的閉軌數據的變化量計算出頻率的變化量，對頻率曲線進行修正和迭代，并利用校正鐵進行精細的軌道調節之后，加速效率顯著提高。

此外，加速過程中的橫向運動也可能導致束流損失。測量得到的加速過程中工作點的變化曲線如圖27所示。

(a) The movement of working point

由圖27可見，100 ms時工作點正好經過差共振線，這是之前發現的在100 ms前后束流損失較為嚴重和束流強度快速下降的原因。通過調整四極鐵的延時和曲線，讓工作點盡量避開共振線，束流得到較好的加速，加速過程中的陡降現象消失，俘獲效率較高，且加速過程中DCCT曲線上幾乎看不出粒子損失，加速效率最高達到了82%，加速后最大粒子數為1×1011，基本達到了設計指標。

2.2.5 束流慢引出調試

慢引出調試階段需要對三階共振慢引出系統進行調試，將束流引出至HEBT并使引出束流的時間結構盡可能均勻。圖28為理想條件下引出粒子最后3圈的運動軌跡。

圖28 理想情況下引出前不同能量的發射度最大的粒子最后3圈軌跡Fig.28 The trace of last 3 turns before extraction for particleswith different energy and maximum emittance in ideal condition

引出前，首先需要將閉軌校正到0附近，保證束流在引出前不會在其他位置丟失。引出前環上閉合軌道校正結果如圖29所示。然后，通過調節四極鐵增益將水平工作點調節到設計值1.678附近，偏差控制在±0.005以內。當工作點確定后，通過調節共振六極鐵強度調節穩定三角形大小。

圖29 引出前環上閉合軌道校正結果Fig.29 The corrected closed orbit before extraction

圖30為共振六極鐵強度合適時，環上DCCT電流隨時間的變化關系。六極鐵強度增加，DCCT電流稍有下降，說明穩定區大小是合適的。通過RFKO幅度曲線及引入幅度反饋，使引出束流波形整體較均勻[13-14]。最后掃描靜電偏轉器和2臺引出切割鐵參數，使引出束線傳輸效率最高。

圖30 共振六極鐵強度合適時環上DCCT束流強度Fig.30 DCCT beam current when the resonancesextrupole′s strength is suitable

圖31為1組在60 MeV條件下開展的慢引出實驗結果。由圖31可見，在不同時間點上的引出效率均達到了70%左右，引出束流在時間結構上也比較均勻。

(a) DCCT intensity

2.3 用戶實驗開展情況

在裝置研制完成后，項目組邀請中國空間技術研究院、中國科學院新疆理化所和工信部電子五所等5家單位開展了首輪國內用戶實驗。先后開展了28 nm SRAM，65 nm CPU，ASIC，28 nm觸發器測試電路和脈寬測試電路及64 nm國產5K×5K大面陣CMOS圖像傳感器等50余款核心電子器件的單粒子效應和位移損傷效應實驗，為這些器件的研制提供了有力支撐，同時也驗證了平臺對外提供實驗機時的技術能力。

上述工作的完成標志著裝置主體建設工作已基本完成，具備了對外開放運行條件。圖32為首輪用戶試驗開展情況。

圖32 首輪用戶實驗開展情況Fig.32 The first round of user experiment

3 小結

XiPAF歷經近10年的論證、設計和建設，在2020年初實現了首次成功出束。經過多輪次調試，目前引出質子能量在10～200 MeV之間可調，在不同能量下環中存儲粒子數均大于1×1011，每周期引出粒子數大于5×1010，基本達到了設計的指標，可滿足用戶實驗要求。該裝置填補了我國在空間質子輻射模擬實驗專用裝置方面的空白，也是亞洲第一臺滿足空間單粒子效應考核指標要求的質子實驗裝置。未來幾年，XiPAF將逐步提高運行穩定性，增加對外開放機時，并繼續開展物理調束，不斷提升裝置性能指標，為我國宇航器件的抗輻射加固技術研究提供重要技術支撐。