100 MeV質(zhì)子回旋加速器二期輻照效應(yīng)管道設(shè)計(jì)

楊新宇，郭 剛，彭朝華，張艷文，覃英參，殷 倩，肖舒顏

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413；2.國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 102413)

隨著人類對太空探索不斷深入，空間輻射環(huán)境對航天器造成的危害成為一個越來越重要的問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，航天器發(fā)生的故障中，與空間輻射環(huán)境相關(guān)的占故障總數(shù)的71%，其中單粒子效應(yīng)占輻射故障的55%[1]。在地球周圍空間輻射環(huán)境中，質(zhì)子是主要的成分，質(zhì)子與器件中的硅發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級產(chǎn)物引發(fā)的單粒子效應(yīng)不可忽略。在單粒子效應(yīng)研究中，地面模擬實(shí)驗(yàn)是一種重要的方法，而在地面模擬實(shí)驗(yàn)中，大面積均勻束斑的獲取是一關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。

以當(dāng)前一些主要輻照裝置為例，加拿大TRIUMF輻照裝置的束斑面積為7.5 cm×7.5 cm，不均勻性為±10%[4]；瑞士PSI的輻照裝置束斑為直徑9 cm的圓形束斑，均勻性好于90%[5]；美國印第安納州立大學(xué)的輻照裝置IUCF的束斑為直徑2～30 cm連續(xù)可調(diào)，均勻性好于60%[6]。隨著對單粒子效應(yīng)研究的深入，對束斑面積和均勻性提出了更高的要求。另外，在美國和歐洲的單粒子實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，要求束流能散度小于10%，而質(zhì)子實(shí)驗(yàn)要調(diào)節(jié)不同的能量，在使用降能片調(diào)節(jié)能量的過程中必然會引入額外的能散和中子本底，這需要通過降能片的合理設(shè)計(jì)來保證能散在實(shí)驗(yàn)要求的范圍內(nèi)。

在當(dāng)前的輻照裝置中，采取的擴(kuò)束及均勻化方案主要有3種：小束斑掃描法、雙靶散射法和磁鐵校正法。小束斑掃描法基于李薩茹原理，利用掃描元件將1個較小的束斑在x和y兩個方向上實(shí)現(xiàn)周期性移動，兩個方向的運(yùn)動疊加形成均勻分布[7]，這種方法適用于直流束，而隨著加速器的發(fā)展，束流的脈沖化越發(fā)嚴(yán)重，掃描法與脈沖束的時間結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生耦合，影響均勻化的效果。雙靶散射法是利用材料對束流的散射作用，使用兩塊散射靶對束流進(jìn)行二次散射，最終得到一個均勻分布的束斑[8-9]，這種方法雖然成本較低，但是對于能量較高的質(zhì)子束會產(chǎn)生較強(qiáng)的活化，需額外增加屏蔽。磁鐵校正法是利用多極磁鐵對高階相差的校正作用，將高斯分布校正為均勻分布，這種方法可在不改變束流時間結(jié)構(gòu)的情況下完成束流的均勻化，且束流利用率較高，產(chǎn)生的次級粒子較少，對實(shí)驗(yàn)干擾較小，是一種較理想的擴(kuò)束方法，其中應(yīng)用較多的是八極磁鐵校正法[10]。

在當(dāng)前的一期輻照管道中，雙靶散射方案和降能片的設(shè)計(jì)在束流能量較低的情況下帶來較大的能散和中子本底，給實(shí)驗(yàn)帶來較大的干擾。本文將基于中國原子能科學(xué)研究院100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器進(jìn)行八極磁鐵校正法的方案設(shè)計(jì)，取代當(dāng)前的雙靶散射方案，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立二期管道，更好地服務(wù)于單粒子效應(yīng)地面模擬實(shí)驗(yàn)。

1 八極磁鐵校正法原理

八極磁鐵校正法是利用八極磁場對束流高階相差的校正作用，將高斯分布的束流校正為近似均勻分布的束流。八極磁鐵共有8個磁極(圖1)，相鄰的兩個磁極中，一個向內(nèi)壓縮，另一個向外拉伸，將束流包絡(luò)從圓形逐漸變?yōu)檎叫危罱K變?yōu)樗慕切?。因此可通過調(diào)節(jié)八極磁場的強(qiáng)度來得到1個正方形的束斑。

圖1 八極磁鐵對束流的影響Fig.1 Effect of octupole magnet on beam

圖2為有無八極磁鐵時束流的分布，無八極磁鐵時，束流自由漂移，維持原有的高斯分布不變(圖2a)；有八極磁鐵時，兩端的束流向內(nèi)收縮，與原有束流疊加，形成一近似均勻分布的束斑(圖2b)。

a——校正前；b——校正后圖2 八極磁鐵對束流的校正作用Fig.2 Correction of beam by octupole magnet

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 能量調(diào)節(jié)方案的設(shè)計(jì)

在能量調(diào)節(jié)方面，由于初始束流能量較高，因此計(jì)劃采取兩級降能的方式來控制能散度。將主降能片放在偏轉(zhuǎn)磁鐵前，將能量分為兩檔，再將次降能片置于靶站前，實(shí)現(xiàn)每檔內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。這樣可利用偏轉(zhuǎn)磁鐵的能量篩選功能降低一部分由降能片帶來的能散[11]，同時，由于偏轉(zhuǎn)磁鐵不能偏轉(zhuǎn)中子和γ射線，所以質(zhì)子束流與偏轉(zhuǎn)磁鐵前的降能片相互作用產(chǎn)生的中子和γ射線也不會對靶站產(chǎn)生影響。單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)一般要求束流能散度小于10%，使用LISE++軟件計(jì)算所需降能片的厚度和相應(yīng)的能散ΔE，通常以半高寬(FWHM)來表征束流能散，本文降能片材料選擇鋁[12]，結(jié)果列于表1。

表1 降能片厚度及能散計(jì)算結(jié)果Table 1 Degrader thickness and energy dissipation calculation results

可看到能量下限為10 MeV時，無論如何選擇中間的能量分檔點(diǎn)，能散度均會超過10%。而能量下限為20 MeV時，中間的分檔點(diǎn)選在40 MeV和50 MeV均可滿足能散度低于10%的要求?？紤]到偏轉(zhuǎn)磁鐵有降低能散的作用，則可將能量分檔點(diǎn)選在40 MeV，利用偏轉(zhuǎn)磁鐵來降低能散，盡量保證靶站處的第2次降能帶來的能散較小。

2.2 光路設(shè)計(jì)

二期管道將在一期管道的靶站處放置45°偏轉(zhuǎn)磁鐵，將束流偏轉(zhuǎn)到南向，考慮到后端束流垃圾桶的設(shè)計(jì)，偏轉(zhuǎn)磁鐵到靶站間最多可有16 m的空間。設(shè)計(jì)目標(biāo)是靶上束斑面積為30 cm×30 cm，均勻性好于90%，即非均勻度小于5%。這里非均勻度的計(jì)算方法為：

在偏轉(zhuǎn)磁鐵后放置1組雙單元四極磁鐵，便于控制束流包絡(luò)，再使用八極磁鐵對束流進(jìn)行均勻化。這里的思路是將四極磁鐵和八極磁鐵交替使用，利用兩個四極磁鐵將束流在x、y方向分別成腰，再將兩個八極磁鐵分別放在x、y方向的成腰位置，以求達(dá)到最好的校正效果。二期管道的物理設(shè)計(jì)如圖3所示。

考慮到對注量率的要求，需要用一期管道中的狹縫卡掉部分束流，這部分束流與狹縫相互作用產(chǎn)生的中子和γ射線不會被偏轉(zhuǎn)，大部分沿原方向前進(jìn)，對靶站的影響較小，可忽略不計(jì)。從可調(diào)狹縫1開始計(jì)算光路，Transport軟件計(jì)算的100 MeV下的光路如圖4所示。DM1為新增的偏轉(zhuǎn)磁鐵，DQ1為一組雙單元四極磁鐵，Q1和Q2為兩個四極磁鐵。對于40 MeV以下的能量，需在偏轉(zhuǎn)磁鐵前使用主降能片，后續(xù)光路按40 MeV能量進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時保持各磁鐵位置不變，調(diào)節(jié)四極磁鐵極面場，保證光路不變，再調(diào)節(jié)八極磁鐵極面場保證校正效果不變，即可在靶上實(shí)現(xiàn)同樣的束流分布。100 MeV能量下元件參數(shù)列于表2，括號內(nèi)為40 MeV能量下的值。靶上束流分布如圖5所示。

圖3 二期管道的物理設(shè)計(jì)Fig.3 Physical design of the second stage beamline

圖4 二期管道的光路Fig.4 Beam envelope of the second stage beamline

表2 二期管道元件參數(shù)Table 2 Component parameter of the second stage beamline

設(shè)計(jì)結(jié)果列于表3，可看出，在犧牲一定的束流利用率后，靶上束流的均勻性達(dá)到了92%以上，此時仍有42%以上的束流利用率，對于100 MeV的質(zhì)子來說，這是可接受的結(jié)果。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，四極磁鐵和八極磁鐵的極面場需控制在0.7～0.8 T以內(nèi)，本設(shè)計(jì)方案中所有磁鐵的極面場均在此范圍內(nèi)，保證了設(shè)計(jì)的可行性。

圖5 二期管道靶上束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.5 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) of the second stage beamline target

表3 二期管道設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Design result of the second stage beamline

2.3 公差分析

以上是理想狀況下的計(jì)算結(jié)果，實(shí)際中會有各種因素對均勻性帶來影響，本文主要討論安裝公差、磁鐵電源波動帶來的影響。

首先考慮安裝公差對靶上均勻性的影響，這里僅考慮四極磁鐵和八極磁鐵的安裝公差。在當(dāng)前的磁鐵安裝技術(shù)下，位置公差可達(dá)到0.2 mm以內(nèi)，角度公差可達(dá)到0.3 mrad以內(nèi)[13]，所以x、y方向的位置公差的范圍取為(-0.2 mm，0.2 mm)，3個方向的角度公差的范圍取為(-0.3 mrad，0.3 mrad)[14]。這里可直接檢驗(yàn)最極端的情況，即所有的磁鐵同時出現(xiàn)了最大的位置公差和角度公差。

根據(jù)Turtle軟件的計(jì)算，在以上公差同時出現(xiàn)的情況下，40 MeV的設(shè)計(jì)中，均勻性會從92%下降至78%，不滿足均勻性好于90%的要求。僅考慮四極磁鐵的安裝公差時，40 MeV的設(shè)計(jì)中，均勻性為83%，不滿足要求；僅考慮八極磁鐵的安裝公差時，40 MeV的設(shè)計(jì)中，均勻性為90%，滿足要求。所以安裝過程中應(yīng)優(yōu)先保證四極磁鐵的安裝公差。圖6、7分別為四極磁鐵和八極磁鐵安裝公差最劣情況下束流在x和y方向的分布。

對于磁鐵的安裝公差，文獻(xiàn)[15]的研究中給出如下結(jié)論：x，y，z3個方向的安裝公差是相互獨(dú)立的；同一方向(x或y)位置公差與角度公差同號時，對均勻性影響較大；公差異號時，對均勻性影響較小。對于本次的設(shè)計(jì)，由Turtle軟件的計(jì)算結(jié)果還可得出如下結(jié)論：1) 在0.3 mrad的誤差內(nèi)，四極磁鐵和八極磁鐵繞z軸旋轉(zhuǎn)公差對均勻性的影響可忽略不計(jì)；2) 八極磁鐵在x、y方向的位置和角度公差對均勻性的影響小于四極磁鐵。因此在安裝過程中應(yīng)優(yōu)先保證四極磁鐵的安裝公差，尤其是x方向的安裝公差。

圖6 四極磁鐵安裝公差最劣情況下束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.6 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) with the worst installation tolerance of quadrupole magnet

圖7 八極磁鐵安裝公差最劣情況下束流在x方向(a)和y方向(b)的分布Fig.7 Distribution of beam in x direction (a) and y direction (b) with the worst installation tolerance of octupole magnet

除安裝公差外，磁鐵電源的波動帶來的場強(qiáng)變化也是要考慮的因素。目前磁鐵的電源穩(wěn)定度通?？煽刂圃?.1%，而磁鐵的場強(qiáng)和電流是呈線性關(guān)系的，因此在線性區(qū)內(nèi)，可認(rèn)為磁鐵的場強(qiáng)變化也在0.1%以內(nèi)。根據(jù)Turtle軟件的計(jì)算，場強(qiáng)變化在0.1%以內(nèi)時，場強(qiáng)變化對均勻性的影響可忽略不計(jì)。

3 結(jié)論

本文針對中國原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器上的單粒子效應(yīng)輻照裝置，采用八極磁鐵校正法進(jìn)行了二期管道的光學(xué)設(shè)計(jì)。為了降低靶站處的束流能散和中子及γ本底，設(shè)計(jì)了兩級降能的能量調(diào)節(jié)方案，將能量分為40～100 MeV和20～40 MeV兩檔，兩檔內(nèi)的連續(xù)可調(diào)由靶站前的降能片來實(shí)現(xiàn)。八極磁鐵校正法的設(shè)計(jì)中，選擇四極磁鐵和八極磁鐵相間排列的方案，最大程度地減小了束流在x、y方向之間的耦合，因此可對這兩個方向分別進(jìn)行調(diào)節(jié)?？紤]了100 MeV和40 MeV兩個能量點(diǎn)下的設(shè)計(jì)方案，在均勻性好于90%的要求下，束斑面積可達(dá)到30 cm×30 cm，束流利用率達(dá)42%以上，滿足了系統(tǒng)級樣品輻照的需求。