楊建俊，管鋒平，殷治國(guó)，李明，紀(jì)彬，安世忠，張?zhí)炀?/p>

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

多用途高功率質(zhì)子回旋加速器裝置概念設(shè)計(jì)進(jìn)展

楊建俊，管鋒平，殷治國(guó)，李明，紀(jì)彬，安世忠，張?zhí)炀?/p>

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

在中微子CP破缺實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作項(xiàng)目DAEδALUS中，中國(guó)原子能科學(xué)研究院參與了加速器系統(tǒng)的前期研發(fā)工作，提出了基于回旋加速器組合的高平均功率質(zhì)子束裝置方案，并開(kāi)展了一臺(tái)能量為800MeV的質(zhì)子回旋加速器組合裝置的概念設(shè)計(jì)。本文給出了該回旋加速器的物理設(shè)計(jì)方案和束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了制約高功率加速器流強(qiáng)的空間電荷效應(yīng)及其引起的束流損失問(wèn)題。

高功率回旋加速器；空間電荷效應(yīng)；束流動(dòng)力學(xué)；并行計(jì)算

高平均功率質(zhì)子束在中子和中微子物理研究、放射性核束生產(chǎn)、輻射物理研究和潔凈核能系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。回旋加速器是固有的連續(xù)波模式加速器，具有造價(jià)低、投資效益比高、有效功率轉(zhuǎn)化率高、裝置尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊以及不需要超導(dǎo)高頻諧振腔等特點(diǎn)，是mA級(jí)高平均功率質(zhì)子束應(yīng)用裝置具有競(jìng)爭(zhēng)力的備選方案。早在20世紀(jì)90年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Rubbia等人就提出了用回旋加速器作為潔凈核能系統(tǒng)，即加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（accelerator driven system，ADS）的方案［1］。近年來(lái)，高功率回旋加速器研究逐漸引起國(guó)際關(guān)注。2010年，由美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)起了中微子CP破缺實(shí)驗(yàn)的國(guó)際合作項(xiàng)目DAEδALUS［2］，該項(xiàng)目計(jì)劃將3套回旋加速器組合分別放置在近距、中距和遠(yuǎn)距位置，質(zhì)子束打靶能量均為800MeV，平均功率分別為0.8，1.6，4.8MW。2013年《自然》雜志對(duì)該項(xiàng)目給予了高度評(píng)價(jià)，并將其與美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的直線加速器裝置進(jìn)行了比較［3］。2012年，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了三路并聯(lián)超導(dǎo)回旋加速器的ADS方案［4］。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院（CIAE）應(yīng)邀參與了DAEδALUS項(xiàng)目加速器系統(tǒng)的前期研發(fā)工作，承擔(dān)高功率回旋加速器中強(qiáng)流束空間電荷效應(yīng)等關(guān)鍵物理問(wèn)題的研究［5］。此外，近年來(lái)，CIAE利用先進(jìn)的并行計(jì)算技術(shù)，研究了中、高能質(zhì)子加速器中的強(qiáng)流束流動(dòng)力學(xué)核心算法，開(kāi)發(fā)了大規(guī)模并行計(jì)算軟件［6］，進(jìn)行了大量的精確數(shù)值模擬工作。在此基礎(chǔ)上，提出了基于回旋加速器組合的高平均功率質(zhì)子束裝置方案，開(kāi)展了一臺(tái)能量為800MeV的質(zhì)子回旋加速器組合裝置的概念設(shè)計(jì)［7 8］。本文簡(jiǎn)要介紹該回旋加速器的物理設(shè)計(jì)方案和束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)展，主要討論制約高功率加速器流強(qiáng)的空間電荷效應(yīng)及其引起的束流損失問(wèn)題。

1 方案比選

DAEδALUS項(xiàng)目擬采用3個(gè)回旋加速器組合模塊，分別放置在距離探測(cè)器1.5，8，20km的位置，質(zhì)子能量均為800MeV，平均束流功率分別為0.8，1.6，4.8MW，擬采用超導(dǎo)磁鐵作為主加速器、加速H2＋粒子，然后剝離成質(zhì)子的技術(shù)路線；而本文提出的800MeV回旋加速器擬采用常溫磁鐵、加速質(zhì)子的技術(shù)路線。兩種方案各有利弊。

質(zhì)子方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）技術(shù)成熟。國(guó)際上有豐富的建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以參考和借鑒。瑞士保羅謝爾實(shí)驗(yàn)室（PSI）的590MeV回旋加速器運(yùn)行了30多年，目前流強(qiáng)達(dá)2.4mA［9］。2）對(duì)磁場(chǎng)要求不高，因此不需要超導(dǎo)線圈和制冷系統(tǒng)。3）質(zhì)子離子源技術(shù)成熟，流強(qiáng)可達(dá)幾十毫安。4）加速質(zhì)子不會(huì)因?yàn)槁鍌惼潉冸x和真空剝離等問(wèn)題導(dǎo)致束流損失和部件活化。但是，質(zhì)子方案具有以下缺點(diǎn)：1）單圈引出質(zhì)子束需要足夠大的圈間距，以避免粒子打到引出偏轉(zhuǎn)板上造成束流損失，但是，圈間距正比于動(dòng)量分散Δp／p，動(dòng)量p隨著粒子能量的增大而增大，但動(dòng)量增益Δp基本保持不變，所以圈間距隨著能量增大而減小。2）為了增大Δp／p，要求高頻腔提供1MV以上的峰值電壓，需要造價(jià)比較昂貴的高頻腔體和高頻功率源系統(tǒng)。3）為了減小加速過(guò)程中的能散，需要采用平頂腔調(diào)制加速電壓。4）為減小加速過(guò)程中的能散和發(fā)射度，可能需要安裝聚束器，以壓縮束團(tuán)長(zhǎng)度。5）強(qiáng)流情況下，受空間電荷的影響，橫向發(fā)射度將增大，這給單圈引出帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

每個(gè)H2＋粒子由2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子結(jié)合而成，由電子回旋共振離子源引出，同時(shí)還會(huì)伴隨著H3＋、質(zhì)子等其他粒子，需要在注入線上去掉。H2＋粒子方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以采用多圈剝離引出，圈間距和橫向發(fā)射度對(duì)引出束流損失沒(méi)有決定性影響。2）對(duì)高頻腔的加速電壓要求不高，因此對(duì)高頻系統(tǒng)的挑戰(zhàn)不大。3）同樣的質(zhì)子引出流強(qiáng)和能量下，H2＋粒子束空間電荷效應(yīng)只有質(zhì)子束的1／4。4）不需要采用平頂腔來(lái)抑制加速能散。但是，該技術(shù)方案還存在以下不足：1）沒(méi)有高功率H2＋回旋加速器的建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，存在未知風(fēng)險(xiǎn)。2）H2＋離子源技術(shù)與質(zhì)子源技術(shù)相比不夠成熟，引出的H2＋束流包含多種激發(fā)態(tài)，對(duì)電子的束縛能量低，電子容易損失掉。3）H2＋粒子的磁鋼度大，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度要求較高，因此需要超導(dǎo)線圈和制冷系統(tǒng)。4）在高磁場(chǎng)條件下，洛倫茲剝離容易使處于激發(fā)態(tài)的H2＋粒子丟掉電子，導(dǎo)致束流損失，因此必須在低能時(shí)將束流冷卻到基態(tài)或者將電子剝離掉，但在強(qiáng)流條件下，這方面的技術(shù)尚不成熟。5）為了避免殘余氣體對(duì)H2＋粒子的剝離效應(yīng)，要求裝置的真空度好于10－5Pa，這具有技術(shù)挑戰(zhàn)性。

綜合比較這兩種方案，質(zhì)子方案技術(shù)挑戰(zhàn)性相對(duì)較小、國(guó)際上已有類似的加速器在運(yùn)行，其建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。因此，最終確定采用加速質(zhì)子的技術(shù)路線。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)比選不同方案，確定了回旋加速器組合的總體方案，如圖1所示。此方案中，由一臺(tái)ECR（electron cyclotron resonance）離子源引出的低能強(qiáng)流質(zhì)子束經(jīng)過(guò)一臺(tái)RFQ（radio frequency quadrupole）前級(jí)注入器，被加速到1MeV，然后注入一臺(tái)直邊分離扇回旋加速器（seperated－sector cyclotron，SSC），將能量提升到100MeV，最后經(jīng)中能傳輸線注入800MeV環(huán)形螺旋扇回旋加速器（spiral separated－sector cyclotron，SSSC）。表1中給出了關(guān)鍵的束流指標(biāo)。

2 總體設(shè)計(jì)

800MeV主加速器是該加速器組合的關(guān)鍵裝置，也是最具技術(shù)挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)。國(guó)際上正在運(yùn)行的束流功率最高的質(zhì)子加速器是PSI的590MeV回旋加速器，其束流功率為1.4MW。本文建議的主加速器的能量和功率指標(biāo)均超過(guò)該加速器。參考PSI的590MeV回旋加速器，對(duì)本項(xiàng)目建議的加速器參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了初步計(jì)算和可行性分析［7］，初步確定了800MeV質(zhì)子回旋加速器的基本機(jī)器參數(shù)，如表2所列。概念設(shè)計(jì)給出的主加速器的布局如圖2所示。

3 磁鐵設(shè)計(jì)

在概念設(shè)計(jì)中，首先利用理論公式給出了磁極的半徑、角寬度，中性平面磁場(chǎng)的初始估算值，然后基于漏磁場(chǎng)模型構(gòu)建了理想等時(shí)性磁場(chǎng)，并研究了基本的束流動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了加速器主磁鐵的三維有限元建模，并精確計(jì)算了實(shí)際的磁場(chǎng)分布。為了減小數(shù)值計(jì)算誤差，利用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元對(duì)三維模型進(jìn)行離散，如圖3所示。

經(jīng)過(guò)精密調(diào)節(jié)磁極曲面形狀、螺旋角和側(cè)面輪廓線，最終滿足了等時(shí)性磁場(chǎng)誤差限制和軸向磁聚焦的要求。中心平面磁場(chǎng)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為2T，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度從小半徑的0.52T增大到引出半徑的0.92T。在加速過(guò)程中，由磁場(chǎng)非理想性引起的微分滑相在±0.5%以內(nèi)。此外，通過(guò)調(diào)整磁極螺旋角和磁極高度，優(yōu)化了磁極結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了軸向聚焦力，從而避免了自由振蕩頻率曲線跨越主要的整數(shù)共振和耦合共振。

4 束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算

在磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了加速平衡軌道。目前的方案采用了6個(gè)峰值電壓為1MV的單間隙諧振腔加速粒子和1個(gè)平頂腔體抑制能散，粒子在加速149圈后到達(dá)引出位置，加速過(guò)程中的積分滑相保持在±20°范圍內(nèi)。

束流引出過(guò)程中的束流損失控制是高功率質(zhì)子回旋加速器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。采用非對(duì)中注入的方法引起束流在徑向上的進(jìn)動(dòng)，從而增大引出圈間距。圖4給出了對(duì)中注入和最優(yōu)情況下的非對(duì)中注入對(duì)引出位置徑向束流包絡(luò)的影響。計(jì)算表明，在弱流條件下，在最后兩圈之間有足夠空間放置靜電偏轉(zhuǎn)板以引出束流。為了評(píng)估強(qiáng)流條件下束團(tuán)自身的空間電荷力對(duì)束流徑向包絡(luò)和束流損失的影響，利用大規(guī)模粒子束流動(dòng)力學(xué)并行模擬軟件OPAL－CYCL［6］開(kāi)展了粒子模擬計(jì)算。模擬中，使用106個(gè)宏粒子，在自行研制的并行集群系統(tǒng)上，利用32個(gè)處理器共同計(jì)算空間電荷力，計(jì)算網(wǎng)格隨束團(tuán)動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)格數(shù)為128×128×32。從注入跟蹤到引出位置共耗時(shí)40h。圖5給出的模擬計(jì)算結(jié)果表明，空間電荷效應(yīng)對(duì)束流徑向包絡(luò)的影響顯著。當(dāng)流強(qiáng)大于1mA時(shí)，隨著流強(qiáng)的增大，束流徑向尺寸逐漸增大，最后兩圈的束團(tuán)會(huì)發(fā)生重疊，造成束流損失。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化束流引出設(shè)計(jì)，減小強(qiáng)流情況下的束流損失。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較加速H2＋粒子和加速質(zhì)子兩種方案，確定了加速質(zhì)子的技術(shù)路線和總體方案，并開(kāi)展了主加速器初步物理設(shè)計(jì)和束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算，磁鐵設(shè)計(jì)給出了滿足等時(shí)性要求的磁場(chǎng)，在加速過(guò)程中由磁場(chǎng)非理想性引起的微分滑相在±0.5%以內(nèi)，并避免了自由振蕩頻率曲線跨越主要的整數(shù)共振和耦合共振?？臻g電荷限制流強(qiáng)達(dá)到1mA。初步設(shè)計(jì)結(jié)果表明方案可行，下一步要進(jìn)一步優(yōu)化主加速器的結(jié)構(gòu)，提高引出效率，從而增大加速器的極限流強(qiáng)；并開(kāi)展注入器和預(yù)注入器的物理設(shè)計(jì)工作。

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Progress of the Conceptual Design of a Multi－Functional Research Facility Based on High Power Proton Cyclotron Chain

YANG Jian－jun，GUAN Feng－ping，YIN Zhi－guo，LI Ming，JI Bin，AN Shi－zhong，ZHANG Tian－jue
（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

China Institute of Atomic Energy（CIAE）was invited to participate in the international collaboration project DAEδALUS for searching CP－violation，and has proposed a multi－functional research facility based on 800MeV high power proton cyclotron chain.In this paper，the recent work progress on the fundamental physics design solution and beam dynamic study is described，with the emphasis on the space charge effects and beam losses issues.

high power cyclotron；space charge effects；beam dynamics；parallel computation

TL54

A

2095 6223（2015）03 186 05

2015 03 09；

2015 07 05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11375273，11461141003）

楊建?。?982－），男，甘肅廣河人，副研究員，博士，主要從事加速器物理研究。

E－mail：yangjianjun2000＠tsinghua.org.cn