用于錦屏深地核天體物理研究的強流加速裝置的設計與試驗進展

陳立華，崔保群，馬鷹俊，馬瑞剛，唐 兵，黃青華，馬 燮，連 鋼，郭 冰，柳衛(wèi)平，孫良亭，武 啟

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

天文學的發(fā)展受制于所采用觀測手段和方法，新的可靠有效觀測手段和方法會促使新天體和新現象的發(fā)現，而這些將會使得人類對宇宙的認識發(fā)生改變[1]。恒星的演化是天文學研究的一個重要方面。恒星演化模型的準確理論預測需一些基本的輸入量，而恒星平穩(wěn)氦燃燒階段關鍵的(α，X)、(α，n)反應，以及恒星平穩(wěn)氫燃燒階段關鍵的(p，α)、(p，X)反應的核物理數據仍顯不足。在地球上開展這些核反應的直接準確測量對于人類理解恒星演化和元素起源具有極其重要的意義。這些非共振核反應的截面近似隨能量指數遞減，特別是在接近伽莫夫能區(qū)的低能區(qū)域通常非常小[2]。受高能宇宙射線的影響，無法在地面環(huán)境開展直接測量。意大利的格蘭薩索地下實驗室(LUNA)采用將加速裝置和探測器放在具有良好屏蔽的地下實驗室開展實驗測量，在pp反應鏈等方面取得了一些實驗結果[3-4]。為率先在核天體物理領域取得國際領先的成果，世界上多個國家的實驗室，如意大利的LUNAII、美國的DIANA等都在規(guī)劃或建設新的下一代深地強流加速裝置[5-6]。

錦屏深地實驗室(CJPL)以錦屏二灘水電工程的水平交通隧道為基礎，是目前世界上最深的地下實驗室，其覆蓋的花崗巖層高達2 500 m，可極有效屏蔽天然高能射線[7]。為取得核天體物理領域的原創(chuàng)性研究成果，中國原子能科學研究院依托CJPL優(yōu)越的地理環(huán)境，建立錦屏深地核天體物理實驗(JUNA)平臺開展核天體物理的研究。根據建設規(guī)劃，計劃建設一臺最高束流強度10 mA、最高端電壓400 kV的低能強流加速裝置。該加速裝置的設計指標與LUNA的同類裝置相比束流強度提高了約1個量級，建成后將成為當今世界上束流強度最高的深地實驗室加速裝置。本文將介紹該加速裝置的物理需求、裝置布局及設計考慮和裝置的地面調試實驗進展。

1 JUNA對加速裝置的需求

開展核天體物理研究關注能區(qū)核反應的直接測量存在諸多困難。首先，這類核反應截面非常小，除采用屏蔽降低本底、提高探測器效率等外，還要求加速器所能提供的束流強度足夠高以提高核反應的發(fā)生率才能實現這些反應截面的測量。而強流束自身存在較強的空間電荷效應，其加速和傳輸必須進行特殊考慮。另一方面，反應截面隨能量降低近似呈指數遞減，物理測量必須實現對相鄰能區(qū)核反應的準確識別，這就要求參與核反應的束流能量必須足夠準確。同時，加速器及束流自身也會產生一定輻射，可能會造成物理實驗測量本底的增加，束流中雜質離子打靶產生的某些反應可能會對地下物理實驗造成干擾，特別是束流中可能存在的微量D粒子由于(d，d)等共振核反應會對實驗造成嚴重影響，加速裝置的設計也必須進行相應考慮。

利用錦屏優(yōu)越的地理環(huán)境，依據深地核天體物理實驗規(guī)劃，在極低本底下先進行12C(α, γ)16O、13C(α, n)16O、25Mg(p, γ)26Al、19F(p, α)16O 4個關鍵核反應的直接測量。實驗將使用α粒子和質子轟擊靶核產生核反應。依據相關實驗對束流能量的不同要求，質子束能量需在70～400 keV可調，α束能量在140～800 keV可調。綜合考慮靶的承受力和實驗測量的需求，靶上最大束流強度不小于10 mA，較意大利的LUNA加速裝置束流強度提高了1個量級。JUNA強流加速裝置與LUNA加速裝置的性能指標對比列于表1。依據物理實驗的要求，束流能量分辨率好于0.1%，靶上束斑尺寸要求控制在數mm量級。加速裝置最終將放置在錦屏深地核天體物理實驗室內，其有效空間為12 m×12 m(寬×高)，長度方向約100 m。

由于反應截面極小，為累積足夠測量事件，物理實驗測量通常持續(xù)數周甚至數月。且地下實驗室地處偏僻，與地面維護中心也距數小時車程，維護時間成本高。這些地下物理實驗的特殊要求使得JUNA強流加速裝置還必須實現長期穩(wěn)定運行，自動化程度高，運行維護簡單。

2 JUNA強流加速裝置設計

JUNA加速裝置的離子源產生的束流歸一化發(fā)射度不大于0.2 πmm·mrad @50 keV，虛源半徑1.3 mm。在束流光學計算中，假定束流半張角50 mrad，束流半徑1.6 mm@50 keV，同時采用聚焦螺線管模擬束流進入加速管的情況。束流包絡計算采用國際上廣泛使用的TRANSPORT計算程序[9]。對于強流加速器設計，束流空間電荷效應非常重要，因為這種效應可能導致束流發(fā)射度的快速增長。為減弱該效應影響，通常采用特定方法使束流獲得補償，即達到一定中和度。低能強流束流傳輸常采用自中和的手段。研究表明，在真空度達到10-3Pa左右，束流空間電荷中和度可達到95%以上[10-11]。但在加速管中因為有電場存在，這種補償效應將被破壞。計算中考慮了束流空間電荷補償效應，在無電場存在的束線段，采用95%的空間電荷中和，加速管內則無空間電荷補償，即中和度為0，分別計算模擬傳輸不同離子種類、束流強度和束流能量時的束流包絡。計算結果顯示，調整加速管在滿足物理實驗的不同束流能量下，雖然在能量較低時，四極透鏡內的束流包絡會增大，配合調整四極透鏡組聚焦均可保證束流以較高的效率傳輸。典型束流傳輸包絡示于圖2。圖中，光軸上方是y向包絡；光軸下方是x向包絡。

圖1 JUNA強流加速裝置原理布局圖Fig.1 Scheme of JUNA high intensity accelerator

圖2 JUNA強流加速器典型束流包絡Fig.2 Representative envelope of JUNA high intensity accelerator

對于磁鐵分析系統，為達到較高的分辨率，通常要求分析縫處的束斑盡可能小。但對強流束流來說，小尺寸的束流意味著更高的束流密度，即更強的空間電荷效應，為減弱這種效應的影響，在JUNA強流加速裝置的光路設計中，采用不對稱聚焦結構與分析磁鐵配合，使束流在分析縫處呈長條狀，降低束流密度，保證在較強束流強度下仍可使束流會聚到較小尺寸。根據計算結果，分析縫處的束斑尺寸≤3 mm，在考慮千分之一的能散時，即可滿足裝置的分辨要求。采用這種不對稱的結構雖然破壞了束流對稱性，使靶上垂直方向的束斑略大于水平方向，但計算表明通過分析磁鐵后聚焦元件的調節(jié)，在不同的束流能量下，可保證靶上束斑尺寸在5～10 mm仍可滿足物理實驗的要求。

強流加速管作為JUNA加速裝置的關鍵設備之一，它的性能對裝置的整體性能具有重要的影響。由于存在加速電場，加速管內的空間電荷中和被完全破壞，必須采用較小的加速區(qū)長度減弱空間電荷效應的影響。JUNA強流加速器裝置采用大氣型的均勻場加速管結構，加速區(qū)深入加速管內部，在約250 mm的加速區(qū)域內實現束流預定能量的加速。加速管總長度1 300 mm，加速孔徑φ80 mm，設計最高加速電壓400 kV。加速區(qū)外部均勻布置有8個陶瓷絕緣筒和相應的高壓屏蔽，外部安裝有均壓環(huán)實現加速管局部電場的均勻化。均壓電極間采用高電阻率(10 MΩ·cm)的去離子水實現高壓分壓，同時冷卻水還可帶走次級粒子轟擊電極產生的熱量。加速管出口區(qū)設置有負電位勢阱防止電子被反向加速。

JUNA強流加速裝置的聚焦和導向元件盡可能采用磁元件以減少對束流空間電荷自中和的破壞。在高能傳輸段的聚焦元件中使用四極透鏡組，因為它是強聚焦元件，相比螺線管聚焦也比較節(jié)省功率。四極透鏡組孔徑φ110 mm，磁極面采用雙曲柱面的形狀以減少象差。分析磁鐵是保證束流純度的重要部件。分析磁鐵的氣隙110 mm，偏轉半徑600 mm，角度90°。它采用C型的磁路結構，將立柱安排在小半徑一側以便于真空室的安裝?？紤]調試時束流短時間和運行時部分雜散粒子轟擊在真空室內壁產生熱量，分析磁鐵的真空室外部焊接有水冷管道。同時束流中的雜質粒子經分析磁鐵偏轉后會在分析縫擋板上沉積，需要的束流則經過分析縫被四極透鏡聚焦到靶提供物理實驗用戶使用。

可靠的束流監(jiān)測是保證裝置穩(wěn)定運行的重要手段。JUNA強流加速裝置在低能段設置有2個法拉第筒對束流強度進行測量，在高能傳輸段設置有3個束測真空室，內部分別安裝有內置式水冷DCCT可在線對束流強度進行監(jiān)測，示于圖3。在加速管入口和束測真空室等位置分別設置四象限監(jiān)測單元可對束流的位置進行監(jiān)測。在加速管后和分析縫處的真空室分別設置高精度的在線束流包絡監(jiān)測裝置，可在線觀測強束流的軌跡，便于束流調試。

圖3 JUNA強流加速裝置的束流監(jiān)測布置Fig.3 Layout of beam diagnostics for JUNA high intensity accelerator

強流束在傳輸過程中由于束暈、束流空間分布、中性粒子以及與殘余氣體碰撞等因素的影響會有少量雜散粒子打在真空管道上，這些粒子產生的熱量沉積可能導致真空室形變甚至融化進而造成設備損壞。JUNA加速裝置的束流傳輸管道均采用外部粘結水冷管道的結構將這些熱量導走。

為防止雜質粒子如C等對深地物理實驗的干擾，JUNA加速裝置高能傳輸段的真空系統采用磁懸浮渦輪分子泵和無油干泵為實驗用戶提供最干凈的真空。同時加速器的束流管道及部件的結構材料也進行了比較篩選，使用316L不銹鋼、6063鋁合金、DT-4純鐵、U2無氧銅等天然本底較低的材料降低加速器自身所產生的放射性本底。

JUNA強流加速裝置束線主體的三維示于圖4，加速裝置主體的外形尺寸8.6 m×6.5 m×4 m(長×寬×高)。

3 地面調試結果

由于JUNA的要求，JUNA強流加速裝置的某些指標，如強流束加速等存在一定的技術風險。為減少未來在錦屏深地核天體物理實驗室安裝調試時的不確定性，在中國原子能科學研究院開展加速裝置的地面調試實驗，盡早發(fā)現存在的問題，并適時開展與測量終端的聯機實驗，為未來地下物理實驗積累必要的經驗。

圖4 JUNA強流加速裝置外形尺寸Fig.4 3D figure of JUNA high intensity accelerator

用于加速裝置地上實驗調試的實驗室由原有離子源實驗室改造而成，受限于空間，同時因高能傳輸段中的第2組四極透鏡組結構相對簡單，存在的不確定因素較少，在地面調試實驗中暫未安裝，其余部分均按照地下實驗束線布局進行安裝。

為盡早開展物理實驗，實驗室內設置了兩個終端，如圖5所示。1號終端經過90°分析磁鐵，束流線基本與地下布置一致，靶前按照地下實驗的設置安裝有DCCT、beam stop等，主要用作加速裝置調試，也可用于開展所需空間較小的物理實驗；2號終端位于加速管后，未經過90°分析磁鐵，配備靶室終端，預留空間較大，可用于地面物理實驗測試。

圖5 JUNA強流加速裝置地面實驗室布局Fig.5 Layout of JUNA high intensity accelerator in ground laboratory

JUNA強流加速裝置的高壓系統較復雜，除高壓平臺外，位于高壓區(qū)的還有高穩(wěn)定度高壓電源、大功率水電阻、隔離變壓器、加速管等多個設備。這些設備的可靠工作不僅影響著束流能量的穩(wěn)定，且直接決定著整個加速裝置能否穩(wěn)定運行。高壓系統的測試結果示于圖6。此時高壓電源的負載在400 kV時達1.5 mA，高壓鍛煉一段時間后，負載電流會進一步降至0.8 mA。測試結果顯示，一定的高壓鍛煉后，整個高壓系統在400 kV高壓加載情況下非常穩(wěn)定，可實現長時間穩(wěn)定加載所需高壓，極少出現打火情況。

圖6 JUNA強流加速裝置伏安特性曲線Fig.6 Voltage-Ampere characteristics of JUNA high intensity accelerator

加速裝置的載束測試分兩步進行，首先進行離子源與低能傳輸段的單獨離線調試，之后與加速管及高能傳輸聯機進行加速裝置整機的載束實驗。

離子源和低能傳輸段的離線調試在蘭州近代物理所完成。移機至中國原子能科學研究院與加速管和高能傳輸段聯機后完成整機調試。聯機后測試了不同加速能量束流傳輸。在400 keV束流能量(離子源40 kV+加速管360 kV)時，離子源產生不同強度質子束和氦束通過加速裝置的加速情況示于圖7。調試實驗中最高加速了11.7 mA的質子束和5.7 mA的氦束，加速管還有加速更高束流強度的能力，但由于束流接受靶的限制，沒有進一步提高束流強度。沿加速裝置束流線設置的高精度攝像系統可實時對離子束行進的徑跡進行觀測。圖8a為當束流轟擊在1號終端擋束板時，通過90°分析磁鐵處沿束流行進方向觀測到的圖像，可看到強流束在行進中的徑跡與轟擊在擋束板上的束斑狀況。受限于擋束板的冷卻能力，圖中束斑尺寸并不是可調的最小束斑。圖8b為當束流加速到指定能量后，通過高精度攝像系統在真空室外側垂直束流行進方向觀測到的束流徑跡。

圖7 400 keV質子束和氦束加速Fig.7 400 keV H+ and He+ beam transmission

圖8 JUNA強流加速裝置束流傳輸徑跡Fig.8 Beam track photo of JUNA high intensity accelerator

由于2.45 GHz的ECR離子源只能產生單電荷的強流束，難以產生強流二價氦離子束。強流He2+束將利用14 GHz的高電荷ECR離子源產生，依據離子源的初步調試結果，He2+束流達到了2 mA，進一步的調試正在進行中[12]。

調試實驗中同時測試了90°分析磁鐵對強流束的質量分辨能力。實驗測試束流能量210 keV，束流強度2.8 mA。通過調整束流傳輸元件，可在分析縫處使束流呈豎直分布。改變磁場讓束流通過分析縫(3 mm×10 mm)，通過分析縫后0.65 m處的法拉第筒可測得束流強度隨磁場的變化，繼而可求得質量分辨率。經計算，實測全高寬質量分辨率m/Δm=279，滿足了分辨氦束中微量氘離子的要求(～250)。但需注意的是，分析后的雜質粒子會沉積在分析縫擋板，長時間運行后微量雜質粒子如氘等的累積仍可能引起次生放射性增加的風險，這就要求縫隙擋板設計成易拆卸的結構以便于更換，另一方面該位置也需采取適當屏蔽進一步減少對物理實驗測量造成的影響。

在未來錦屏深地實驗中，該加速裝置將會放置在深地實驗室內，洞內相對密閉的環(huán)境和較多融水等因素可能會使深地實驗室內溫濕度等環(huán)境要素與地面存在較大差異。而環(huán)境濕度過高，則可能導致JUNA加速裝置的絕緣耐壓水平降低，從而影響整個系統的穩(wěn)定運行。為此錦屏深地實驗室還需采取特定的除濕和通風措施，在裝置運行和待機時維持洞內濕度、溫度等環(huán)境要素在合理范圍內。

4 結論

JUNA強流加速裝置在地面調試出束后，陸續(xù)開展了多個物理實驗測試。地面實驗期間，整個加速裝置運行穩(wěn)定，為JUNA加速裝置與探測器、高功率靶的集成驗證提供了高品質的束流。本文介紹了用于JUNA的強流加速裝置的物理需求、束流線設計以及地面調試進展等。目前JUNA加速裝置部件已經加工完成，并在地面實驗室對離子源、LEBT、加速管和部分高能傳輸段進行了安裝調試，實驗結果顯示與設計符合較好，裝置可為實驗端長時間穩(wěn)定地提供束流。計劃2021年開展加速裝置深地安裝和實驗測量等工作。