Transmission efficiency and beam reception of the SESRI 300 MeV synchrotron injection line

Zhao Liang-Chao

doi:10.7498/aps.71.20212112

Abstract

Authors and contacts

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1. 引　言
2. 注入线构成与加速聚焦元件
2.1 注入线构成
2.2 加速元件
2.3 注入线上的聚焦元件
2.4 注入线加速粒子的要求
3. 计算结果
4. 讨　论
4.1 束流损失的物理机制
4.2 加速质子束的问题及解决方案
5. 结　论

References

Cited By

Abstract

SESRI 300 MeV synchrotron in Harbin Institute of Technology is now under construction and the whole equipment has been installed and tested. Before commissioning beam, the beam transport through the injection line is simulated by using a full-scall model through the Tracewin code. The field distribution of RFQ cavity is calculated with CST, and the results are substituted into the Tracewin code to generate the accurate results. The envelop mode and multi-particles mode are used in the beam simulation with two typical beams (H

${}_2^+$ and ²⁰⁹Bi³²⁺, the lightest beam and the heaviest beam). Both beams are accelerated from 4 keV/u to 2 MeV/u by an RFQ cavity and two IH-DTL cavities. Then the H

${}_2^+$ beam is stripped into a proton beam by a carbon foil and accelerated to 5.6 MeV with the third IH-DTL cavity. Simulation results show that the strength of the magnetic field and the acceleration field are proportional to the mass charge ratio. The beam transmission efficiency and the injection line reception are inversely proportional to the beam transverse emittance. The ²⁰⁹Bi³²⁺ beam transmission efficiency and beam reception (momentum spread less than ±0.2%) are 72.16% and 46.72% with transverse emittance ε = 0.12π mm·mrad (ECR source output) and ε = 0.4π mm·mrad (RFQ output). H

${}_2^+$ beam transmission ratio and beam reception are 24.19% and 17.89% with ε = 0.2π mm·mrad (ECR source output) and ε = 0.5π mm·mrad (RFQ output). In order to obtain high transmission efficiency and beam reception, the transverse emittance should be limited to 0.1π mm·mrad after the RFQ. With this limitation, the ²⁰⁹Bi³²⁺ beam transmission efficiency and the reception are increased to 96.68% and 92.63%, respectively, and the H

${}_2^+$ beam transmission efficiency and the rception rise to 74.40% and 68.18%, respectively. If two additional quadrupole magnets are added, the H

${}_2^+$ beam transmission efficiency and beam reception can be increased to 90.73% and 83.61%, respectively, which will fulfill the requirement for long-time operation. The phase space change process shows that loss of ²⁰⁹Bi³²⁺ beam is caused mainly by longitudinal defocusing (energy spread and phase width spread), the loss of proton beam is caused both by the longitudinal defocusing and by the transverse defocusing (beam envelop spreading), that is why two additional focusing magnets should be added in proton beam acceleration. Results also show that by using field distribution calculation in the simulation process the greater influence of the cavity design details can be confirmed such as beam off-axis caused by dipole field in the IH-DTL cavity and beam loss caused by unperfect field in the RFQ. Tracking with field distribution is shown to be a useful method to link the cavity design process, beam line design process, and beam commission process.

Keywords:

PACS:

29.20.dk	(Synchrotrons)
29.20.Ej	(Linear accelerators)
29.27.Eg	(Beam handling; beam transport)
29.27.-a	(Beams in particle accelerators)

Authors and contacts

Zhao Liang-Chao

School of Space Enviroment and Material Science Research, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Corresponding author: Zhao Liang-Chao, zhaoliangchao@hit.edu.cn

Funds: Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Ministry of Education of China (Grant No. FRFCU5710053321) and the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12005208)

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1. 引　言

哈尔滨工业大学“空间环境地面模拟装置”是一项在地面模拟真空、高低温交变、粒子辐照、电磁辐射、粉尘、原子氧、弱磁、等离子体等空间环境, 研究航天器材料、器件、生命体等空间环境效应和物理本质的国家重大科技基础设施. SESRI 300 MeV同步加速器是该设施中用于空间粒子辐照效应研究的关键设备, 设计能够产生从质子束(加速H₂⁺后剥离为质子束)到铋束(²⁰⁹Bi³²⁺)的所有稳定离子束, 研究空间中高能粒子对航天器件和航天员身体的辐照损伤效应^[1]. 该同步加速器主要由高电荷态离子源、低能注入线、同步环组成, 其中低能注入线将从离子源引出的质子束加速到5.6 MeV、重离子束加速到2 MeV/u, 注入到环中继续加速到设计能量, 如质子束最高为300 MeV, 铋束最高为7 MeV/u^[2-4]. 在注入线末端的注入点, 要求质子束流强达到250 μA, 重离子束达到50e μA, 束流的动量散度Δp/p要控制在 ± 0.2%. 目前SESRI 300 MeV同步加速器已完成设备安装和设备独立调试, 在带束调试之前需要进行全尺寸多粒子跟踪计算, 分析发现注入线接受度的关键决定因素及其背后的物理机制, 解释束流调试过程并提高调束的效率.

注入线不但要保证较高的传输效率, 减少束损, 还需要保证注入点的离子束在一定的能散和相宽之内, 能够被同步环接受. SESRI 300 MeV同步加速器注入线加速多种离子, 在加速段采用了多种加速腔完成束流加速, 质子束和重离子束分别使用不同的加速腔配置. 在加速不同离子束时, 配置不同的工作参数. 注入线的束流调试是同步环束流调试的前提. 国际上通用的加速器束流设计计算方法有两种, 束流包络法和多粒子跟踪法^[5-11]. 其中束流包络法用于初步的物理设计, 可以快速地给出注入线的加速聚焦结构. 多粒子跟踪用于物理设计完成后精细计算, 可以给出束流在传输过程中的六维相空间分布信息及束流损失信息. 为此发展了一些专用软件, 如MAD, Parmila, Elegant, Tracewin等, 这些软件大多采用传输矩阵描述束线上的元件, 可以进行包络计算和多粒子跟踪, 但对元件的场分布有较大近似. 另外有一些软件专用于特种加速腔的设计, 如用于射频四极场(RFQ)加速器设计的RFQGEN、toutatis; 用于IH-DTL设计的LORASR等, 可以给出特定腔型的结构参数, 但需要其他的电磁场软件给出具体的场分布^[12-15]. 还有通用的电磁场计算软件如CST, HFSS, OPERA等^[16-18], 可以针对单独的元件(如加速腔、磁铁)等给出高精度的仿真结果, 但束流设计分析的功能较弱. 这些软件的功能不同, 侧重点也不同. 通常的做法是针对不同的问题采用多个软件将加速器分为多段计算, 要么给出简略的全局分布, 要么给出局部的精确形貌, 难以实现从头至尾的精确束流计算, 从而难以从全局分析束流损失的关键因素和物理机制. 本文以Tracewin^[19]软件为主要计算工具, 将RFQ, IH-DTL等加速腔统一转换为场文件代入, 实现全局计算和局部精确场分布的统一. 建立了包含实际电磁场分布的SESRI 300 MeV同步加速器注入线全尺寸模型, 尽可能全面准确地反映该注入线的真实性能.

本文首先根据物理设计参数计算了RFQ, IH-DTL等加速腔的结构参数, 使用CST计算了加速腔的电磁场分布, 将不同的加速腔转换为相同类型的场文件. 然后根据注入线的布局使用Tracewin软件建立了注入线从离子源出口到注入点的全尺寸模型, 使用实际电场分布计算了束流从离子源出口到注入点的全过程加速传输. 研究了不同离子注入所需的参数配置和离子束在传输中的相空间演化过程, 获得了不同条件下注入线的接受效率, 并对束流损失的物理机制进行了探讨. 本文使用的方法可以将加速腔设计、束线设计、加速器整机调试等不同阶段、不同内容关联起来, 给出各种设计细节对束流的影响. 该方法不仅可用于同步加速器注入线的设计调试, 也可用于其他低能直线加速器设计调试.

2. 注入线构成与加速聚焦元件

2.1 注入线构成

SESRI 300 MeV同步加速器由中科院近代物理研究所设计, 其注入线从离子源出口至注入点全长26.2 m, 布局如图1所示. 整个注入线的元件可以分为两大类: 横向聚焦传输元件(3个螺线管、2个二极磁铁、30个四极磁铁)和纵向加速聚焦元件(7个射频加速腔). 横向聚焦传输元件实现束流的横向聚焦与导向传输, 纵向加速聚焦元件实现束流纵向相宽和能散的控制. 其中2个二极磁铁(不含切割磁铁)分别实现离子源出口束流电荷态的甄别和注入点前的束流偏转; 30个四极磁铁构成了束线的聚焦结构, 提供束流的横向聚焦; 7个射频腔中有4个加速腔, 1个聚束腔和2个散束腔. 加速腔分别为RFQ, IH-DTL1, IH-DTL2, IH-DTL3, 前三者将离子束(H ${}_2^+$ 、²⁰⁹Bi³²⁺等)分别加速到300 keV/u, 1 MeV/u, 2 MeV/u. 除H ${}_2^+$ 外的离子束经过散束腔1压缩能散后传输至注入点. H ${}_2^+$ 束在加速到2 MeV/u后, 还需要由位于IH-DTL3腔入口处的剥离膜转变成质子束, 经过IH-DTL3加速到5.6 MeV, 然后经散束腔2压缩能散后传输至注入点. 聚束腔位于RFQ和IH-DTL1之间, 压缩加速腔IH-DTL1入口处束流的纵向相宽.

$图 1 SESRI 300 MeV同步加速器注入线布局\r\nFig. 1. Injection line layout of SESRI 300 MeV synchrotron.$

图 1 SESRI 300 MeV同步加速器注入线布局

Fig. 1. Injection line layout of SESRI 300 MeV synchrotron.

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2.2 加速元件

注入线上的加速元件(射频电磁场)共7个, 可以分为4类: RFQ, IH-DTL1(分离聚焦结构), IH-DTL2、IH-DTL3(标准IH结构)和双间隙聚束腔, 分别实现束流加速、相宽压缩及能散压缩功能. 为获得实际的电场分布, 首先根据物理设计参数使用不同的软件获得了所需的结构参数, 建立了四种加速腔的三维结构, 使用CST计算了实际电场分布. 根据Tracewin中束流传输的情况优化三维结构, 降低非理想场分量.

RFQ加速腔的结构参数由RFQGEN生成, 腔长2.6 m, 共254个加速单元, 实现直流连续束的聚束和加速. 在加速不同离子时, 馈入相应的功率可将离子束由4 keV/u加速到300 keV/u. RFQGEN计算结果显示, 在初始横向发射度ε = 0.1π mm·mrad时, ²⁰⁹Bi³²⁺束的传输效率大于98%, H ${}_2^+$ 束的传输效率大于99%. RFQ单腔加速H ${}_2^+$ 束流如图2所示.

$图 2 RFQ结构及H${}_2^+ $束流加速\r\nFig. 2. RFQ structure and H${}_2^+ $ beam acceleration.$

图 2 RFQ结构及H

${}_2^+$

束流加速

Fig. 2. RFQ structure and H

${}_2^+$

beam acceleration.

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3个IH-DTL加速腔的结构及束流加速过程如图3所示. 加速腔IH-DTL1将离子束由300 keV/u加速到1 MeV/u, 腔长1.8 m. 采用分离聚焦结构, 腔体内部装有一组三组合四极磁铁, 实现腔内的束流聚焦. IH-DTL2和IH-DTL3为标准IH加速结构, 其中IH-DTL2将离子束从1 MeV/u加速到2 MeV/u, 腔长约1.5 m; IH-DTL3将质子束从2 MeV加速到5.6 MeV, 腔长约1.6 m. 在加速腔之间设置四极磁铁实现束流聚焦与匹配.

$图 3 IH-DTL加速腔结构及束流加速　(a) IH-DTL1加速H${}_2^+ $束; (b) IH-DTL2加速H${}_2^+ $束; (c) IH-DTL3加速质子束\r\nFig. 3. IH-DTL structure and beams acceleration: (a) H${}_2^+ $ beam acceleration in IH-DTL1; (b) H${}_2^+ $ beam acceleration in IH-DTL2; (c) proton beam acceleration in IH-DTL3.$

图 3 IH-DTL加速腔结构及束流加速　(a) IH-DTL1加速H

${}_2^+$

束; (b) IH-DTL2加速H

${}_2^+$

束; (c) IH-DTL3加速质子束

Fig. 3. IH-DTL structure and beams acceleration: (a) H

${}_2^+$

beam acceleration in IH-DTL1; (b) H

${}_2^+$

beam acceleration in IH-DTL2; (c) proton beam acceleration in IH-DTL3.

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聚束器及散束器均为1/4波共振(QWR)双间隙聚束结构^[20,21], 工作在–90°相位, 对束流整体不起加速作用, 而是旋转束流的纵向相空间分布, 实现相宽压缩和能散压缩.

2.3 注入线上的聚焦元件

注入线上分布着2个偏转二极磁铁、3个螺线管和30个四极磁铁, 实现束流的横向聚焦和腔间匹配. 螺线管和四极磁铁的场分布基本为标准分布, 束流物理计算软件中通常都将其视为标准元件. 本文使用Tracewin软件自带的标准单元结构产生相应的磁场.

2.4 注入线加速粒子的要求

SESRI 300 MeV同步加速器理论上能够加速从质子到铋束的所有离子束(仅受离子源引出粒子种类的制约), 要求注入线具备相应的加速能力. 注入线要求达到的束流指标如表1所列.

表 1 注入线粒子束的指标

Table 1. Beam parameters of the injection line.

指标	要求
粒子种类	A/Q < 6.53的任意粒子
能量	重离子束2 MeV/u; 质子束5.6 MeV
流强	重离子束50e μA; 质子束250 μA
90%自然发射度	< 15π mm·mrad
Δp/p	< ± 0.2%

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3. 计算结果

根据注入线上元件的分布和CST计算得到的加速腔电磁场文件, 使用Tracewin软件建立了注入线的全尺寸模型. 由于RFQ接受直流束, 输出连续的束团, 而连续束团无法读取纵向相空间分布, 只能从输入的纵向束团中选择1个束团继续跟踪计算(不考虑不同束团间的差异). 因而注入线的束流传输计算分为两段: 第一段为离子源出口至RFQ出口, 由离子源引出的直流束获得RFQ出口处的束团分布, 计算低能匹配段和RFQ的传输效率; 第二段为RFQ出口至注入点, 计算注入线的传输效率和接受效率. 两段之间通过RFQ出口束团的六维相空间分布衔接.

高电荷态离子源引出不同种类的束流性能略有不同. H ${}_2^+$ 束和²⁰⁹Bi³²⁺束的归一化均方根(root of mean square, RMS)发射度分别为ε_x(y) = 0.2π, 0.12π mm·mrad. 束流twiss参数为α_x = α_y = –0.87, β_x = β_y = 0.324. 计算²⁰⁹Bi³²⁺束和H ${}_2^+$ 束在第一段结构中加速传输的束流包络如图4所示. 在调整四极铁和螺线管的强度完成RFQ入口的束流匹配后, 统计RFQ出口处的粒子分布, 能量为300 keV/u, ²⁰⁹Bi³²⁺束传输效率约为97.81%, 80%的粒子能散小于1 MeV. H ${}_2^+$ 束传输效率约89%, 75%的离子能散小于10 keV. H ${}_2^+$ 束在ε = 0.1π mm·mrad时的传输效率为96.53%. RFQ输出不同束流的相空间分布如图5所示. 可以看出, H ${}_2^+$ 束与²⁰⁹Bi³²⁺束的束流包络及相空间分布基本一致, 输出束流的参数为: H ${}_2^+$ 束ε_x(y) = 0.5π mm·mrad, ²⁰⁹Bi³²⁺束ε_x(y) = 0.4π mm·mrad; α_x = α_y = –0.58; β_x = β_y = 0.068; ε_z = 1.3π MeV·(°). RFQGEN计算结果表明, 该结构可以基本保持发射度不变, 这是在理想条件下的结果. 可以看到实际三维电磁场跟踪结果显示发射度增长了4倍, 这是由于实际RFQ结构优化的不够造成的(如二极场优化、场平整度优化). 也反映出实际结构的束流参数可能与理论计算有较大区别, 使用实际结构的电磁场分布更能够反映实际情况, 有利于查找问题.

$图 4 注入线第一段加速结构束流传输包络　(a) H$ {}_2^+ $束; (b) 209Bi32+束\r\nFig. 4. Beam envelop in the first section of the injection line: (a) H$ {}_2^+ $ beam; (b) 209Bi32+ beam.$

图 4 注入线第一段加速结构束流传输包络　(a) H

${}_2^+$

束; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺束

Fig. 4. Beam envelop in the first section of the injection line: (a) H

${}_2^+$

beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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$图 5 注入线第一段RFQ出口处束流的六维相空间的分布　(a) H$ {}_2^+ $ 束; (b)209Bi32+束\r\nFig. 5. Phase space distribution of the beam output by RFQ: (a) H$ {}_2^+ $ beam; (b) 209Bi32+ beam.$

图 5 注入线第一段RFQ出口处束流的六维相空间的分布　(a) H

${}_2^+$

束; (b)²⁰⁹Bi³²⁺束

Fig. 5. Phase space distribution of the beam output by RFQ: (a) H

${}_2^+$

beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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使用RFQ出口的束流六维相空间分布作为输入计算第二段加速结构, 加速²⁰⁹Bi³²⁺的传输效率约为72.16%, 接受效率(动量散度在 ± 0.2%内)约为46.72%. 加速质子束的传输效率仅为24.19%, 接受效率(动量散度在 ± 0.2%内)约为17.84%. 第二段加速结构的束流包络如图6所示. 注入点处的束流相空间分布如图7所示.

$图 6 注入线第二段加速结构束流传输包络　(a) H${}_2^+ $(剥离为质子)束; (b) 209Bi32+束\r\nFig. 6. Beam envelop in the second section: (a) H${}_2^+ $(proton)beam; (b) 209Bi32+ beam.$

图 6 注入线第二段加速结构束流传输包络　(a) H

${}_2^+$

(剥离为质子)束; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺束

Fig. 6. Beam envelop in the second section: (a) H

${}_2^+$

(proton)beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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$图 7 注入线出口处的束流相空间分布　(a) 质子束; (b) 209Bi32+束\r\nFig. 7. Phase space distribution of the beam in front of septum: (a) Proton beam; (b) 209Bi32+ beam.$

图 7 注入线出口处的束流相空间分布　(a) 质子束; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺束

Fig. 7. Phase space distribution of the beam in front of septum: (a) Proton beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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计算结果表明, 为了获得较高的传输效率和接受效率, 需要在RFQ出口处对束流的横向发射度加以限制, 以过滤掉那些无法被接受的粒子. 为此, 计算了第二段加速结构在不同初始横向发射度下的传输效率和接受效率, 结果见表2. 可以看出, 将RFQ出口束流发射度限制在0.1π mm·mrad时, ²⁰⁹Bi³²⁺束的接受效率为92.63%, 质子束的接受效率为68.18%.

表 2 RFQ输出束团横向发射度对注入线传输效率和接受效率的影响

Table 2. Transmission ratio and beam acceptance of the injection line with different transverse emittance output by RFQ.

横向发射度/(mm·mrad)	质子束		²⁰⁹Bi³²⁺束
横向发射度/(mm·mrad)	传输效率/%	接受效率/%	传输效率/%	接受效率/%
0.5π	24.19	17.84	57.48	35.29
0.4π	31.26	24.37	72.16	46.72
0.3π	42.25	32.31	85.98	56.94
0.2π	56.80	47.56	95.86	74.00
0.1π	74.40	68.18	96.68	92.63

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SESRI 300 MeV同步加速器设计为多圈注入加相空间涂抹, 因而横向接受度远大于注入束流的发射度且设置了8个四极磁铁用于调节参数匹配, 可以近似认为满足传输要求和能散要求的粒子均可被注入到环中. 由环的接受度反推至注入线末端(切割铁入口), 以RFQ出口发射度为 0.1π mm·mrad的质子束为例, 注入束发射度、环的接受度^[2]及twiss参数对比如表3所列.

表 3 注入线束流发射度、环的接受度及twiss参数对比

Table 3. List of the injection beam emittance, ring acceptance and twiss parameters.

	注入束流参数	环的接受参数
ε_x/(mm·mrad)	13.1π	200π
ε_y/ (mm·mrad)	9.7π	30π
β_x/m	1.63	4.963
β_y/m	1.69	2.105
α_x	0.6143	1.0263
α_y	–0.6558	–1.1720
Δp/p/%	± 0.2	± 0.3
D	0.15	1.6582
D'	–0.20	0.9391

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4. 讨　论

4.1 束流损失的物理机制

首先分析需要将RFQ出口发射度限制在0.1π mm·mrad的原因. 粒子束在传输过程中损失虽然都表现为横向碰壁损失, 但其损失机制有两种: 一是横向损失, 某些粒子的横向聚焦不够, 轨迹半径过大碰壁损失, 但这些粒子的纵向相位和能散都在纵向稳定区之内; 二是纵向损失, 部分粒子的纵向相位和能散超出了纵向稳定区, 这些粒子不能按照设计轨迹加速, 最终碰壁损失. 我们在加速腔相位选择时已经将束流的纵向相宽和能散进行了限制(如采用聚束器和加速腔工作在–15°相位, 优化聚束腔的聚束电压), 理想束流(横向发射度为0时)均在注入线接受度内. 多粒子计算的传输效率与接受效率不同的原因为: 对于横向尺度较小的离子, 感受到加速间隙轴线上的电场, 确实是按照设计相位在加速前进; 但对于横向尺寸较大的离子, 感受到加速间隙轴线外侧的电场. 轴线外侧电场高于轴线上的电场, 产生了能散展宽. 同时轴线外侧粒子的实际路径要长于轴线上的粒子, 产生了相位展宽. ²⁰⁹Bi³²⁺束分别在0.4π, 0.1π mm·mrad发射度下, IH-DTL2腔出口束团的纵向分布如图8所示. 可以看到在发射度较大时, 能散增大一倍, 并且是非对称地向能量偏高的方向展宽, 这与偏离轴线的积分电场较强相吻合. 同时, 相位分布也非对称地向相位滞后方向展宽, 这与偏离轴线的粒子的传输路径较长相吻合. 对于质子束, 在IH-DTL2腔之前, 与²⁰⁹Bi³²⁺束的传输情况基本一样. 但之后需要经过IH-DTL3腔的加速, 并且仅在较远的聚束腔之前排列才有聚焦磁铁. 质子束在较长距离内都无法获得聚焦力, 还需承受加速腔在–15°相位带来的横向散焦力. 质子束的损失要比²⁰⁹Bi³²⁺束更加严重, 不但有纵向损失, 还有较大的横向损失.

$图 8 209Bi32+在IH-DTL2出口处的纵向分布(灰色粒子为注入线最终接受的粒子)　(a) ε = 0.1π mm·mrad; (b) ε = 0.4π mm·mrad\r\nFig. 8. Longitudinal distribution of 209Bi32+ beam output by IH-DTL2 (Gray particles are finally accepted by the injection line): (a) ε = 0.1π mm·mrad; (b) ε = 0.4π mm·mrad.$

图 8 ²⁰⁹Bi³²⁺在IH-DTL2出口处的纵向分布(灰色粒子为注入线最终接受的粒子)　(a) ε = 0.1π mm·mrad; (b) ε = 0.4π mm·mrad

Fig. 8. Longitudinal distribution of ²⁰⁹Bi³²⁺ beam output by IH-DTL2 (Gray particles are finally accepted by the injection line): (a) ε = 0.1π mm·mrad; (b) ε = 0.4π mm·mrad.

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4.2 加速质子束的问题及解决方案

RFQ出口束流的发射度限制在0.1π mm·mrad时, 质子束的接受率仅为68.18%, 这可能为加速器长期工作带来隐患. 一种解决方案是将IH-DTL3的加速相位由–15°增加至0°以增加横向聚焦力, 但同时也降低了纵向聚焦力. 虽然传输效率可达90%, 但在注入点达到动量散度 ± 0.2%要求的离子百分比基本不变, 不能提高接受效率. 经过分析束流的聚散焦情况, 提出另一种解决方案: 在IH-DTL3加速腔出口处, 2Q19磁铁与散束腔之间增加2个四极磁铁, 与2Q19磁铁组成一组三组合透镜, 提供横向聚焦力. 增加透镜后, 在0.1π mm·mrad的限制下, 质子束的传输效率达到90.73%, 接受效率达到83.61%. 增加透镜前后的束流包络如图9所示, 束流包络在IH-DTL3加速腔之后得到了较好的控制. 该方案对注入线的变动极小, 现有的空间也足以安装2个新增的四极铁.

$图 9 增加四极磁铁前后质子束的包络(0.1π mm·mrad)　(a)增加前; (b)增加后\r\nFig. 9. Proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad): (a) With additional quadrupoles; (b) without additional quadrupoles.$

图 9 增加四极磁铁前后质子束的包络(0.1π mm·mrad)　(a)增加前; (b)增加后

Fig. 9. Proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad): (a) With additional quadrupoles; (b) without additional quadrupoles.

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为了更清晰地看到束线增加四极铁的必要性, 对比增加四极铁前后的β函数分布如图10所示. 在不增加四极铁时, 散束腔处的β函数太大造成了束流损失. 原因是从IHDTL3至四极铁2Q20之间接近4 m的距离内, 只有一块四极磁铁(2Q19). 对于IHDTL3出口的轴对称束, 2Q19无法单独使用. 散束腔的漂移管孔径仅有34 mm, 造成了束流大量丢失. 而增加四极铁后很好地控制了散束腔处的β函数, 使束流损失大为减小. 虽然在匹配段β函数略大, 但匹配段的束流管道孔径接近100 mm, 束流基本不丢失. 从β函数分布来看, 在2Q19处增加四极磁铁是必须且有效的.

$图 10 增加四极磁铁前后质子束的β函数(0.1π mm·mrad)　(a)增加前; (b)增加后\r\nFig. 10. β function of proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad): (a) Without additional quadrupoles; (b) with additional quadrupoles.$

图 10 增加四极磁铁前后质子束的β函数(0.1π mm·mrad)　(a)增加前; (b)增加后

Fig. 10. β function of proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad): (a) Without additional quadrupoles; (b) with additional quadrupoles.

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5. 结　论

使用加速腔三维结构计算的电磁场分布完成了SESRI 300 MeV同步加速器注入线的全尺寸建模, 在多粒子跟踪模式下计算了两种典型束流(最轻的质子束和最重的²⁰⁹Bi³²⁺束)在注入线上的传输过程, 获得了束流在不同条件下的传输效率和接受效率. 得到如下结论.

1)注入线的传输效率不等同于接受效率. 较高的接受效率需要同时满足横向聚焦条件和纵向聚焦条件. 在发射度较大时, 束团尺寸超出动力学孔径, 引起纵向能散增加和纵向相位展宽, 使离子超出接受度范围. 为了获得较高的接受效率, 需要在RFQ出口将束流发射度限制在0.1π mm·mrad.

2)该注入线在加速质子束时, 存在横向聚焦力不够的问题. 这是加速腔的横向散焦力和较长距离上未排布聚焦四极铁共同造成的. 仅仅通过改变加速腔的横向相位虽然可以增加传输效率, 但不能增加接受效率. 通过增加2个四极磁铁可以将接受效率由68.18%提高至83.61%. 从增加四极铁前后的束流包络和β函数分布可以直观地看出束流包络的改善.

3)使用加速腔的电磁场进行多粒子跟踪, 能够最大程度地模拟真实加速器的工作情况, 辅助判断加速腔的各种非理想场引起的束流畸变、偏心、发射度增长等问题, 为束流调试提供支持. 在本文计算过程中就发现RFQ结构优化不够会造成发射度成倍增长. IH-DTL的二极场会引起束流偏轴, 通过优化IH-DTL腔的结构将减小二极场分量, 减弱偏轴效应. 此外, 后期将与实际束流调试的结果进行对比.

感谢四川大学李智慧研究员、中国工程物理研究院流体物理研究所魏涛及李一丁的讨论. 感谢兰州近代物理研究所提供的资料.

References

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张甫兆. 基于同步信号发生器的广播电视网络信号同步传输技术研究. 西部广播电视. 2023(08): 235-237 .

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图 1 SESRI 300 MeV同步加速器注入线布局

Figure 1. Injection line layout of SESRI 300 MeV synchrotron.

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图 2 RFQ结构及H ${}_2^+$ 束流加速

Figure 2. RFQ structure and H ${}_2^+$ beam acceleration.

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图 3 IH-DTL加速腔结构及束流加速　(a) IH-DTL1加速H ${}_2^+$ 束; (b) IH-DTL2加速H ${}_2^+$ 束; (c) IH-DTL3加速质子束

Figure 3. IH-DTL structure and beams acceleration: (a) H ${}_2^+$ beam acceleration in IH-DTL1; (b) H ${}_2^+$ beam acceleration in IH-DTL2; (c) proton beam acceleration in IH-DTL3.

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图 4 注入线第一段加速结构束流传输包络　(a) H ${}_2^+$ 束; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺束

Figure 4. Beam envelop in the first section of the injection line: (a) H ${}_2^+$ beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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图 5 注入线第一段RFQ出口处束流的六维相空间的分布　(a) H ${}_2^+$ 束; (b)²⁰⁹Bi³²⁺束

Figure 5. Phase space distribution of the beam output by RFQ: (a) H ${}_2^+$ beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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图 6 注入线第二段加速结构束流传输包络　(a) H ${}_2^+$ (剥离为质子)束; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺束

Figure 6. Beam envelop in the second section: (a) H ${}_2^+$ (proton)beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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图 7 注入线出口处的束流相空间分布　(a) 质子束; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺束

Figure 7. Phase space distribution of the beam in front of septum: (a) Proton beam; (b) ²⁰⁹Bi³²⁺ beam.

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图 8 ²⁰⁹Bi³²⁺在IH-DTL2出口处的纵向分布(灰色粒子为注入线最终接受的粒子)　(a) ε = 0.1π mm·mrad; (b) ε = 0.4π mm·mrad

Figure 8. Longitudinal distribution of ²⁰⁹Bi³²⁺ beam output by IH-DTL2 (Gray particles are finally accepted by the injection line): (a) ε = 0.1π mm·mrad; (b) ε = 0.4π mm·mrad.

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图 9 增加四极磁铁前后质子束的包络(0.1π mm·mrad)　(a)增加前; (b)增加后

Figure 9. Proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad): (a) With additional quadrupoles; (b) without additional quadrupoles.

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图 10 增加四极磁铁前后质子束的β函数(0.1π mm·mrad)　(a)增加前; (b)增加后

Figure 10. β function of proton beam envelop with and without additional quadrupoles (0.1π mm·mrad): (a) Without additional quadrupoles; (b) with additional quadrupoles.

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表 1 注入线粒子束的指标

Table 1. Beam parameters of the injection line.

指标	要求
粒子种类	A/Q < 6.53的任意粒子
能量	重离子束2 MeV/u; 质子束5.6 MeV
流强	重离子束50e μA; 质子束250 μA
90%自然发射度	< 15π mm·mrad
Δp/p	< ± 0.2%

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表 2 RFQ输出束团横向发射度对注入线传输效率和接受效率的影响

Table 2. Transmission ratio and beam acceptance of the injection line with different transverse emittance output by RFQ.

横向发射度/(mm·mrad)	质子束		²⁰⁹Bi³²⁺束
横向发射度/(mm·mrad)	传输效率/%	接受效率/%	传输效率/%	接受效率/%
0.5π	24.19	17.84	57.48	35.29
0.4π	31.26	24.37	72.16	46.72
0.3π	42.25	32.31	85.98	56.94
0.2π	56.80	47.56	95.86	74.00
0.1π	74.40	68.18	96.68	92.63

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表 3 注入线束流发射度、环的接受度及twiss参数对比

Table 3. List of the injection beam emittance, ring acceptance and twiss parameters.

	注入束流参数	环的接受参数
ε_x/(mm·mrad)	13.1π	200π
ε_y/ (mm·mrad)	9.7π	30π
β_x/m	1.63	4.963
β_y/m	1.69	2.105
α_x	0.6143	1.0263
α_y	–0.6558	–1.1720
Δp/p/%	± 0.2	± 0.3
D	0.15	1.6582
D'	–0.20	0.9391

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Vol. 71, Issue 11 - 2022-06-05

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