基于100 MeV緊湊型強流質子回旋加速器的束流切割器研制

黃 鵬，李鵬展，安世忠，宋國芳，鄭 俠，葛 濤，紀 彬，張天爵

(中國原子能科學研究院 核技術綜合研究所，北京 102413)

中國原子能科學研究院建成的100 MeV強流質子回旋加速器(CYCIAE-100)是我國建成的能量最高、流強最強的強流質子回旋加速器，通過剝離引出的方式引出能量為75～100 MeV、最高流強為520 μA的連續波質子束[1-3]。該加速器于2014年首次出束，2016年通過國家驗收，束流功率達到52 kW[4]。CYCIAE-100為四扇等時性緊湊型回旋加速器，直徑6.16 m，總重量為475 t，是國際上建成的最大的緊湊型強流質子回旋加速器，也是中國目前自主創新、自行研制的能量最高的質子回旋加速器。CYCIAE-100采用外部離子源軸向注入，具有結構緊湊、注入流強大、引出效率高且可雙向同時引出束流等優點。CYCIAE-100建成后的一個重要應用是進行100 MeV能區的核數據測量。為了滿足核數據測量的應用需求，需對CYCIAE-100進行脈沖化技術研究，使其具備提供脈沖束的能力。束流脈沖化系統中，利用束流切割器可將連續的直流束形成具有超短時間結構和寬度的脈沖束，這種基于超短時間結構脈沖束在核數據測量、核物理試驗等研究等領域均有非常重要的應用[5]。

基于100 MeV強流質子回旋加速器的束流切割器的研究，是國際上第1個在100 MeV能區的剝離引出類型回旋加速器上開展的實現MHz量級重復頻率的束流脈沖化技術研究，其成功對于100 MeV回旋加速器的核數據測量及相關應用具有非常大的價值。為了在緊湊空間內實現束流切割器裝置的安裝，中國原子能科學研究院研制了一臺尺寸較小、功耗較低的2.8 MHz直流束流切割器裝置。該切割器具有結構緊湊、螺旋諧振器Q值相對較高、加載切割電壓較高且功率損耗低、無需水冷等特點，同時配套研制了一套開口形狀為正方形的選束狹縫裝置。本文主要介紹基于100 MeV強流質子回旋加速器的2.8 MHz束流切割器裝置的研制過程，并進行實驗測試，最終獲得能量為100 MeV、重復頻率為5.6 MHz的脈沖質子束。

1 切割器裝置設計

1.1 基于CYCIAE-100的切割器裝置設計的難點及總體考慮

核數據測量對脈沖束流的功率、脈沖寬度和重復頻率都有嚴格的要求。一般地，對于高壓型加速器，由于加速和引出的束流不受高頻周期的影響，切割器相對容易設計，切割器頻率在1～1.5 MHz、切割電壓一般不超過3 kV，比如中國原子能科學研究院的基于高壓倍加器CPNG的單能快中子發生器[6]和北京大學重離子物理研究所在其4.5 MV靜電加速器上研制的脈沖化系統[7]。

對于外部離子源注入的回旋加速器，可在低能注入線上使用切割器，在切割器的作用下，離子源引出的連續束被轉化為脈沖束，再被注入到加速器中。與直線加速器和同步加速器不同，回旋加速器的多圈引出會影響注入束流的時間結構。能量低、加速圈數少或采用靜電偏轉引出的回旋加速器在引出時基本上沒有圈重疊，則束流單圈引出后時間結構不變，這對于切割器的研制技術要求也不是很大，如加拿大EBCO的9 MeV氘離子緊湊型回旋加速器[8]、日本6.25 MeV/u的JAEA AVF回旋加速器[9]，切割器電壓均在3 kV以下，切割器最高的重復頻率可到1 MHz。JAEA AVF回旋加速器除了使用注入線的切割器P-chopper外，還在引出后安裝了另一個切割器S-chopper，但是這種方法的制約條件是加速器能量不能太高，因為切割器電壓和能量正相關[10]。

當回旋加速器引出區出現圈重疊而無法實現單圈引出時，需要考慮多圈引出對脈沖寬度的展寬，特別是剝離引出類型的緊湊型回旋加速器，引出圈重疊將非常嚴重，這對于切割器的研制提出了較大的挑戰。CYCIAE-100采用外部離子源軸向注入，加速H-離子，通過剝離引出的方式引出連續波質子束，引出束流圈數達50多圈(即圈重疊)[11]。因此對于100 MeV中能回旋加速器，要實現MHz量級快脈沖的脈沖束是較困難的，也無成熟的方案可借鑒，只能通過大量的理論研究和實驗研究來完成。CYCIAE-100加速器加速的束流相寬為40°，則要求直流束流經過切割后的脈沖寬度小于10 ns。CYCIAE-100要獲得MHz量級以上的重復頻率的脈沖束，這要求切割器的頻率非常高(1～8 MHz)而切割后的脈沖寬度非常窄(小于10 ns)，即要獲得很高的切割電壓；由于已有的直流束流注入線空間非常有限，大大限制了切割器的尺寸，同時還需考慮切割器切割后的脈沖束的相位要與回旋加速器加速的相位嚴格匹配，這些都對切割器的研制提出了非常大的挑戰。本文對切割器的多個設計方案做了模擬對比，最后同時加工了兩套切割器并進行了實驗測試比對，得到最終的優化設計方案。

為了獲得100 MeV能量的脈沖質子束，中國原子能科學研究院從2007年就開始了基于強流脈沖化技術研究，并建立了基于強流回旋加速器綜合實驗裝置(CRM)的脈沖化注入線實驗裝置，通過該裝置，在低能注入線上獲得了能量為40 keV、重復頻率為4.4 MHz、脈沖寬度為9.6 ns的脈沖束[12-15]。100 MeV回旋加速器的高頻主頻率為44.8 MHz，聚束器的頻率采用相同頻率。束流切割器裝置安裝在低能注入線上，可將離子源產生的直流低能負氫束流進行脈沖化，然后將脈沖化后的脈沖束傳輸到回旋加速器進行注入和加速。為了得到重復頻率為1～8 MHz之間的100 MeV脈沖質子束，切割器的波形選擇為正弦波，頻率選擇為回旋加速器主頻率的16分頻，即2.8 MHz。則在一個掃描切割周期內，由于束流往程和回程二次掃過狹縫，因此一個掃描周期內可產生兩個束流脈沖，即最終產生的低能脈沖束的重復頻率為5.6 MHz。

1.2 切割器切割板上加載的電壓計算

為了獲得足夠高的切割電壓，切割器的切割波形采用正弦波波形的技術方案。束流切割器裝置主要包括螺旋諧振器部分、切割板部分及選束狹縫等3部分。圖1為束流切割及選束示意圖，在切割板上施加高頻電壓，使脈沖寬度外的束流發生偏移，僅脈沖寬度內的束流通過狹縫。使用正弦波時，在一個掃描周期內產生兩個束流脈沖，即頻率為f的切割器產生重復頻率2f的脈沖束。通過選擇合適的狹縫寬度，可得到所需脈沖寬度的脈沖束。當切割器使用正弦波波形時，所需要的切割電壓幅值Vm應滿足關系：

(1)

其中：E0為粒子能量；dp為切割板長度；g為切割板的間隙；dL為切割板到狹縫之間的距離；b=r+a，a為狹縫處束流的半寬度，r為狹縫的半徑；τ為切割后的脈沖寬度；ω=2πf。

圖1 束流切割及選束示意圖Fig.1 Schematic diagram of beam chopping and beam selection

對于CYCIAE-100，離子源引出負氫直流束流能量為40 keV，最高流強為15 mA，加速器的高頻接受度為40°。參照文獻[12]和[16]的計算方法，綜合考慮離子源引出的束流尺寸、切割器的安裝位置及尺寸等方面的限制，最終切割器的切割板之間的間距g為3 cm，切割板長度dp選擇為10 cm，切割器與選束狹縫的距離dL選擇為50 cm。切割后的束團長度最終控制在10 ns以內，則切割器的正弦波電壓幅值需6 kV[13]。為了盡可能獲得準單圈引出后的脈沖束，需將加速的束流相寬從40°壓縮到12°以內[11]，這就要求切割器的正弦波電壓幅值需要提升到16 kV，其對2.8 MHz的切割器是一個非常大的挑戰。

1.3 2.8 MHz切割器裝置模擬仿真

1) 切割器裝置的總體結構

2.8 MHz切割器裝置總體結構包括螺旋諧振器、切割板、選束狹縫等，如圖2所示。螺旋諧振器由功率饋入端口、耦合線圈、螺線管線圈、電容微調極板、屏蔽外殼、絕緣支撐固件等構成，用于阻抗匹配和切割電壓建立，其電壓端通過傳輸線與束流切割器一個偏轉板相連，另一偏轉板接地。選束狹縫設計為開口較接近圓形的正方形開口，通過反向絲杠實現開口尺寸調節。螺旋諧振器由螺旋狀的內導體和圓柱狀的屏蔽外殼構成。其中，內導體一端接地，另一端開路或接電容負載。螺旋諧振器結構穩定，抗電磁干擾能力強，溫度系數可達2.5 ppm/℃。其既有常規集總參數器件尺寸小，又有同軸腔損耗小即Q值高的優點[17]，因此非常適合用在空間小、功率大、損耗低的場合。設計時首先選擇合適的線圈、支撐骨架和屏蔽外殼材料，減小損耗，再根據品質因數確定螺旋諧振器的體積。

圖2 束流切割器結構及選束狹縫示意圖Fig.2 Structure diagram of beam chopper and beam selection slit

2) 螺旋形諧振器方案設計比較

由于100 MeV強流質子回旋加速器的注入線空間非常狹小，而且要求的切割電壓要高于16 kV，則束流切割器的方案在結構上盡量保證緊湊，體積不能過大，同時要將設備的整體功耗控制在可接受的范圍內。根據物理計算需求，切割器裝置的束流切割板尺寸已固定，因此切割器裝置的設計核心是螺旋諧振器的方案。為此，提出4種不同規格的螺旋諧振器設計方案并進行理論分析和仿真驗證，具體參數列于表1。另外，為了實現對螺旋諧振器頻率的調整，在螺旋諧振器高電壓端設計了頻率調節電容極板，通過微調極板位置的變化改變相應的等效電容，從而實現頻率微調。除此之外，在耦合線圈處加裝了伸縮桿，通過伸縮桿的前后移動實現耦合度的調節。

表1 螺旋諧振器設計方案Table 1 Design parameter of helical resonator

功耗一方面決定束流切割器的效率，另一方面決定了最終裝置的散熱方式及螺旋諧振器的冷卻結構。因此在設計過程中應在保證切割器整體尺寸結構相對較小的條件下盡量提高螺旋諧振器的Q值，降低設備的功率損耗。

(2)

其中，L為螺旋諧振器的電感，μH。

根據式(2)計算出等效并聯阻抗R，在此基礎上計算出在切割板上建立幅值10 kV的射頻電壓所需的功率。考慮到傳輸線的電感量較小，可予以忽略。螺旋諧振器的電感計算可利用經驗公式計算得到：

(3)

其中：Nc為線圈匝數；D0為螺旋線圈(內)直徑，cm；L0為線圈修正系數，其是與線圈長度和直徑有關的量。線圈修正系數L0曲線如圖3[18]所示，其中橫坐標為線圈長度和線圈(內)直徑的比值m。

3) 模擬仿真分析

根據上述理論計算，針對方案1～4提出的4組設計參數，分別通過CST Microwave studio軟件建立相應的等效模型，并選擇合適的網格剖分精度，對模型進行本征模求解，得到腔體仿真模型內的電場分布，如圖4所示，螺旋諧振器右側為高電壓端，通過同軸傳輸線連接切割器一個電極，并在切割器兩電極之間建立切割電壓。

圖3 線圈修正系數L0曲線[18]Fig.3 Curve of coil correction factor L0[18]

圖4 束流切割器仿真模型及電場分布Fig.4 Simulation model and electric-field distribution of beam chopper

根據表1中設計方案1～4對屏蔽外殼尺寸、線圈導線直徑、線圈螺距、匝數(等效線圈匝數Neq取整或半圈)、無載品質因數Q0、功耗P、等效并聯阻抗等參數進行了相應的仿真計算，仿真結果列于表2。對于方案2、3、4，根據仿真結果分析可知，本征模仿真頻率和理論目標頻率2.8 MHz已接近，故證明理論計算的螺旋諧振器尺寸等參數是可取且基本準確。對于方案1，按照理論設計匝數37.5進行仿真得出的頻率為2.942 MHz，偏離目標值2.8 MHz稍大，這是剖分不夠精細導致。另外，針對方案1，在理論計算匝數的基礎上增加匝數為39.5和40的兩組仿真情況，仿真頻率結果分別為2.815 MHz和2.718 MHz。同時考慮到微調電容的設計，等效電容的增大將導致諧振頻率下降，因此線圈匝數可繼續按理論值進行繞制。根據切割板上電場分布，在仿真結果中對兩切割板間的電場進行積分可得相應切割板電壓，再將該電壓對應的功率損耗折算成切割板加載12 kV的峰值電壓時的功耗，即為根據仿真結果最終得到的功耗。

表2 不同設計方案仿真結果Table 2 Simulation result of different design schemes

根據以上仿真結果并結合理論設計分析，不同設計方案因結構尺寸的不同其Q值和功耗也不盡相同，尺寸越大功耗越小。切割板上加載正弦波電壓幅值為10 kV情況下，方案1的螺旋諧振器整體尺寸最小但是功耗最高為11.7 W；方案4的功耗最小，但尺寸較大。綜合考慮實際安裝過程及運行時的功耗，首先考慮使用方案2中的參數對切割器進行加工設計，其中線圈導線選取壁厚為1.5 mm、直徑為8 mm的銅管繞制，這樣能降低線圈繞制過程中的難度和回彈。其次，按照方案1中的參數加工作為備用，其中線圈導線選取直徑為3 mm的銅線。

1.4 選束狹縫的研制

中國原子能科學研究院在基于強流脈沖化技術研究過程中建立了基于強流回旋加速器綜合實驗裝置10 MeV中心區實驗臺架(CRM)的脈沖化注入線實驗裝置，該裝置的狹縫是手動調節的兩個平行板。為了更好地將切割器切割后的脈沖束注入到回旋加速器中，則需將切割后的束流經過選束狹縫后的橫截面選擇為接近圓形，同時還需增加遠程控制裝置。為此，新卡束狹縫開口設置為直角開口形狀，通過擋片對束流阻擋實現脈沖寬度和粒子總數的選擇。選束狹縫主要由卡束擋片、驅動裝置、水冷回路、信號引出端子等構成。其中，兩個卡束擋片呈90°開口組成正方形，前后緊貼安裝，通過反向絲杠前后移動的方式實現選束尺寸的調節。驅動機構主要為步進電機和驅動器，同時通過安裝在擋片上的位置反饋裝置，即直線電位器實現狹縫開口尺寸的閉環控制，控制系統框圖如圖5所示。

圖5 選束狹縫控制系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of beam selection slit control system

針對選束狹縫的遠程控制，使用LabVIEW實現上位控制界面軟件的開發，最終卡束擋板的前后運動位置精度控制在±50 μm以內。又由于兩個狹縫同步運動，因此運動控制過程是一致的。最終狹縫的直線行程為0～21.21 mm，對應開口尺寸為0～30 mm。

2 實驗及結果分析

根據仿真結果，螺旋諧振器結構的最終尺寸定為766 mm×483 mm×483 mm，采用φ8 mm的銅管繞制，線圈繞制25圈。束流切割器裝置經仿真計算的Q值為2 241，功耗為5.65 W，無需水冷結構設計。功率源采用1～3 MHz的500 W固態功率源。在切割器加工完成后，分別進行冷測和熱測實驗，對切割器的頻率匹配、功率饋入等進行了測試。首先使用網絡分析儀測量諧振器S11參數，通過微調諧振器側面的微調電容極板到螺旋線圈的距離改變分布電容的大小，得到所需諧振頻率，并通過拉桿調節耦合線圈和螺線管線圈間的距離降低回波損耗。螺旋諧振器的品質因數與其體積、材料、介質損耗、制造工藝等有關。在一定體積的條件下，腔體品質因數的提高依賴于工藝制造水平。根據前期經驗，通過腔體開縫工藝、腔體電拋光工藝和螺旋腔內導體接地工藝的改進，有效地保證了比較高的螺旋諧振器無載品質因數。最終測得諧振器頻率為2.8 MHz，回波損耗為-25.336 dB，螺旋諧振器S11參數測試結果如圖6所示。

圖6 螺旋諧振器S11參數測試Fig.6 S11 parameter of helical resonator

圖7 切割器測試系統結構圖Fig.7 Structure of chopper test system

冷測完成后，將切割器安裝在100 MeV強流回旋加速器的低能注入線上，進行阻抗匹配、頻率調整和功率加載測試。切割器測試系統結構圖如圖7所示，基準信號源采用加速器高頻同頻率信號44.812 5 MHz，其中一路基準信號經分頻器進行16分頻，并經功率放大器后加載到螺旋諧振器；基準信號源的另外一路經過0°～360°移相器后，作為高頻系統的驅動信號進入低電平控制系統。該移相器用于切割器高頻與加速器高頻系統的相位微調，而大范圍的調整通過改變信號線長實現。束流切割器安裝在加速器主體下方的束流線上，最后通過示波器及頻譜儀測量加速器外靶上的束流信號。

切割器最終測試結果列于表3。根據測試和計算，切割器的等效阻抗約為2.59 MΩ，則切割器建立6 kVp電壓，其功耗僅為6.95 W，略大于仿真計算值，無需外加水冷。實驗結果顯示螺旋諧振器取樣信號幅值為1.00 Vpp時，切割板上加載功率為17.70 W，加載切割板上的電壓約為10 kV。實驗調試結果表明，在CYCIAE-100實驗終端上測到了能量為100 MeV脈沖質子束，通過頻譜儀測得脈沖束重復頻率為5.6 MHz，與理論分析的預期和模擬計算結果相吻合。

表3 切割器最終測試結果Table 3 Final test result of beam chopper

3 結論

為了進行束流脈沖化技術研究，中國原子能科學研究院研制了一套基于CYCIAE-100的束流切割器裝置。本文介紹了束流切割器裝置的組成結構、理論設計、結構仿真及實驗調試。研制的束流切割器裝置主要包括螺旋諧振器、束流切割板、選束狹縫等。該裝置具有結構緊湊體積小、Q值相對較高的螺旋諧振器、加載切割電壓較高且功率損耗低、無需水冷等特點。實驗調試獲得了重復頻率為5.6 MHz、能量為100 MeV的脈沖質子束，為開展100 MeV能區的重復頻率在MHz量級的核數據測試奠定了基礎。目前脈沖化實驗使用的信號波形為正弦波，為了繼續對束流脈沖化進行研究，考慮將來采取方波的脈沖化實驗和測試。