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(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

天文學(xué)的發(fā)展受制于所采用觀測(cè)手段和方法，新的可靠有效觀測(cè)手段和方法會(huì)促使新天體和新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，而這些將會(huì)使得人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)發(fā)生改變[1]。恒星的演化是天文學(xué)研究的一個(gè)重要方面。恒星演化模型的準(zhǔn)確理論預(yù)測(cè)需一些基本的輸入量，而恒星平穩(wěn)氦燃燒階段關(guān)鍵的(α，X)、(α，n)反應(yīng)，以及恒星平穩(wěn)氫燃燒階段關(guān)鍵的(p，α)、(p，X)反應(yīng)的核物理數(shù)據(jù)仍顯不足。在地球上開(kāi)展這些核反應(yīng)的直接準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)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(yīng)的截面近似隨能量指數(shù)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(wú)法在地面環(huán)境開(kāi)展直接測(cè)量。意大利的格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室(LUNA)采用將加速裝置和探測(cè)器放在具有良好屏蔽的地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在pp反應(yīng)鏈等方面取得了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3-4]。為率先在核天體物理領(lǐng)域取得國(guó)際領(lǐng)先的成果，世界上多個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室，如意大利的LUNAII、美國(guó)的DIANA等都在規(guī)劃或建設(shè)新的下一代深地強(qiáng)流加速裝置[5-6]。

錦屏深地實(shí)驗(yàn)室(CJPL)以錦屏二灘水電工程的水平交通隧道為基礎(chǔ)，是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，其覆蓋的花崗巖層高達(dá)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(lǐng)域的原創(chuàng)性研究成果，中國(guó)原子能科學(xué)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(shí)驗(yàn)(JUNA)平臺(tái)開(kāi)展核天體物理的研究。根據(jù)建設(shè)規(guī)劃，計(jì)劃建設(shè)一臺(tái)最高束流強(qiáng)度10 mA、最高端電壓400 kV的低能強(qiáng)流加速裝置。該加速裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)與LUNA的同類裝置相比束流強(qiáng)度提高了約1個(gè)量級(jí)，建成后將成為當(dāng)今世界上束流強(qiáng)度最高的深地實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)考慮和裝置的地面調(diào)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

1 JUNA對(duì)加速裝置的需求

開(kāi)展核天體物理研究關(guān)注能區(qū)核反應(yīng)的直接測(cè)量存在諸多困難。首先，這類核反應(yīng)截面非常小，除采用屏蔽降低本底、提高探測(cè)器效率等外，還要求加速器所能提供的束流強(qiáng)度足夠高以提高核反應(yīng)的發(fā)生率才能實(shí)現(xiàn)這些反應(yīng)截面的測(cè)量。而強(qiáng)流束自身存在較強(qiáng)的空間電荷效應(yīng)，其加速和傳輸必須進(jìn)行特殊考慮。另一方面，反應(yīng)截面隨能量降低近似呈指數(shù)遞減，物理測(cè)量必須實(shí)現(xiàn)對(duì)相鄰能區(qū)核反應(yīng)的準(zhǔn)確識(shí)別，這就要求參與核反應(yīng)的束流能量必須足夠準(zhǔn)確。同時(shí)，加速器及束流自身也會(huì)產(chǎn)生一定輻射，可能會(huì)造成物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量本底的增加，束流中雜質(zhì)離子打靶產(chǎn)生的某些反應(yīng)可能會(huì)對(duì)地下物理實(shí)驗(yàn)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(yīng)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成嚴(yán)重影響，加速裝置的設(shè)計(jì)也必須進(jìn)行相應(yīng)考慮。

利用錦屏優(yōu)越的地理環(huán)境，依據(jù)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，在極低本底下先進(jìn)行12C(α, γ)16O、13C(α, n)16O、25Mg(p, γ)26Al、19F(p, α)16O 4個(gè)關(guān)鍵核反應(yīng)的直接測(cè)量。實(shí)驗(yàn)將使用α粒子和質(zhì)子轟擊靶核產(chǎn)生核反應(yīng)。依據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)束流能量的不同要求，質(zhì)子束能量需在70～400 keV可調(diào)，α束能量在140～800 keV可調(diào)。綜合考慮靶的承受力和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的需求，靶上最大束流強(qiáng)度不小于10 mA，較意大利的LUNA加速裝置束流強(qiáng)度提高了1個(gè)量級(jí)。JUNA強(qiáng)流加速裝置與LUNA加速裝置的性能指標(biāo)對(duì)比列于表1。依據(jù)物理實(shí)驗(yàn)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(shù)mm量級(jí)。加速裝置最終將放置在錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其有效空間為12 m×12 m(寬×高)，長(zhǎng)度方向約100 m。

由于反應(yīng)截面極小，為累積足夠測(cè)量事件，物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量通常持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月。且地下實(shí)驗(yàn)室地處偏僻，與地面維護(hù)中心也距數(shù)小時(shí)車程，維護(hù)時(shí)間成本高。這些地下物理實(shí)驗(yàn)的特殊要求使得JUNA強(qiáng)流加速裝置還必須實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。

2 JUNA強(qiáng)流加速裝置設(shè)計(jì)

JUNA加速裝置的離子源產(chǎn)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(xué)計(jì)算中，假定束流半張角50 mrad，束流半徑1.6 mm@50 keV，同時(shí)采用聚焦螺線管模擬束流進(jìn)入加速管的情況。束流包絡(luò)計(jì)算采用國(guó)際上廣泛使用的TRANSPORT計(jì)算程序[9]。對(duì)于強(qiáng)流加速器設(shè)計(jì)，束流空間電荷效應(yīng)非常重要，因?yàn)檫@種效應(yīng)可能導(dǎo)致束流發(fā)射度的快速增長(zhǎng)。為減弱該效應(yīng)影響，通常采用特定方法使束流獲得補(bǔ)償，即達(dá)到一定中和度。低能強(qiáng)流束流傳輸常采用自中和的手段。研究表明，在真空度達(dá)到10-3Pa左右，束流空間電荷中和度可達(dá)到95%以上[10-11]。但在加速管中因?yàn)橛须妶?chǎng)存在，這種補(bǔ)償效應(yīng)將被破壞。計(jì)算中考慮了束流空間電荷補(bǔ)償效應(yīng)，在無(wú)電場(chǎng)存在的束線段，采用95%的空間電荷中和，加速管內(nèi)則無(wú)空間電荷補(bǔ)償，即中和度為0，分別計(jì)算模擬傳輸不同離子種類、束流強(qiáng)度和束流能量時(shí)的束流包絡(luò)。計(jì)算結(jié)果顯示，調(diào)整加速管在滿足物理實(shí)驗(yàn)的不同束流能量下，雖然在能量較低時(shí)，四極透鏡內(nèi)的束流包絡(luò)會(huì)增大，配合調(diào)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(luò)示于圖2。圖中，光軸上方是y向包絡(luò)；光軸下方是x向包絡(luò)。

圖1 JUNA強(qiáng)流加速裝置原理布局圖Fig.1 Scheme of JUNA high intensity accelerator

圖2 JUNA強(qiáng)流加速器典型束流包絡(luò)Fig.2 Representative envelope of JUNA high intensity accelerator

對(duì)于磁鐵分析系統(tǒng)，為達(dá)到較高的分辨率，通常要求分析縫處的束斑盡可能小。但對(duì)強(qiáng)流束流來(lái)說(shuō)，小尺寸的束流意味著更高的束流密度，即更強(qiáng)的空間電荷效應(yīng)，為減弱這種效應(yīng)的影響，在JUNA強(qiáng)流加速裝置的光路設(shè)計(jì)中，采用不對(duì)稱聚焦結(jié)構(gòu)與分析磁鐵配合，使束流在分析縫處呈長(zhǎng)條狀，降低束流密度，保證在較強(qiáng)束流強(qiáng)度下仍可使束流會(huì)聚到較小尺寸。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析縫處的束斑尺寸≤3 mm，在考慮千分之一的能散時(shí)，即可滿足裝置的分辨要求。采用這種不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)雖然破壞了束流對(duì)稱性，使靶上垂直方向的束斑略大于水平方向，但計(jì)算表明通過(guò)分析磁鐵后聚焦元件的調(diào)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(shí)驗(yàn)的要求。

強(qiáng)流加速管作為JUNA加速裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的性能對(duì)裝置的整體性能具有重要的影響。由于存在加速電場(chǎng)，加速管內(nèi)的空間電荷中和被完全破壞，必須采用較小的加速區(qū)長(zhǎng)度減弱空間電荷效應(yīng)的影響。JUNA強(qiáng)流加速器裝置采用大氣型的均勻場(chǎng)加速管結(jié)構(gòu)，加速區(qū)深入加速管內(nèi)部，在約250 mm的加速區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)束流預(yù)定能量的加速。加速管總長(zhǎng)度1 300 mm，加速孔徑φ80 mm，設(shè)計(jì)最高加速電壓400 kV。加速區(qū)外部均勻布置有8個(gè)陶瓷絕緣筒和相應(yīng)的高壓屏蔽，外部安裝有均壓環(huán)實(shí)現(xiàn)加速管局部電場(chǎng)的均勻化。均壓電極間采用高電阻率(10 MΩ·cm)的去離子水實(shí)現(xiàn)高壓分壓，同時(shí)冷卻水還可帶走次級(jí)粒子轟擊電極產(chǎn)生的熱量。加速管出口區(qū)設(shè)置有負(fù)電位勢(shì)阱防止電子被反向加速。

JUNA強(qiáng)流加速裝置的聚焦和導(dǎo)向元件盡可能采用磁元件以減少對(duì)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?yàn)樗菑?qiáng)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(zhuǎn)半徑600 mm，角度90°。它采用C型的磁路結(jié)構(gòu)，將立柱安排在小半徑一側(cè)以便于真空室的安裝?？紤]調(diào)試時(shí)束流短時(shí)間和運(yùn)行時(shí)部分雜散粒子轟擊在真空室內(nèi)壁產(chǎn)生熱量，分析磁鐵的真空室外部焊接有水冷管道。同時(shí)束流中的雜質(zhì)粒子經(jīng)分析磁鐵偏轉(zhuǎn)后會(huì)在分析縫擋板上沉積，需要的束流則經(jīng)過(guò)分析縫被四極透鏡聚焦到靶提供物理實(shí)驗(yàn)用戶使用。

可靠的束流監(jiān)測(cè)是保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。JUNA強(qiáng)流加速裝置在低能段設(shè)置有2個(gè)法拉第筒對(duì)束流強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，在高能傳輸段設(shè)置有3個(gè)束測(cè)真空室，內(nèi)部分別安裝有內(nèi)置式水冷DCCT可在線對(duì)束流強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，示于圖3。在加速管入口和束測(cè)真空室等位置分別設(shè)置四象限監(jiān)測(cè)單元可對(duì)束流的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在加速管后和分析縫處的真空室分別設(shè)置高精度的在線束流包絡(luò)監(jiān)測(cè)裝置，可在線觀測(cè)強(qiáng)束流的軌跡，便于束流調(diào)試。

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

強(qiáng)流束在傳輸過(guò)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(huì)有少量雜散粒子打在真空管道上，這些粒子產(chǎn)生的熱量沉積可能導(dǎo)致真空室形變甚至融化進(jìn)而造成設(shè)備損壞。JUNA加速裝置的束流傳輸管道均采用外部粘結(jié)水冷管道的結(jié)構(gòu)將這些熱量導(dǎo)走。

為防止雜質(zhì)粒子如C等對(duì)深地物理實(shí)驗(yàn)的干擾，JUNA加速裝置高能傳輸段的真空系統(tǒng)采用磁懸浮渦輪分子泵和無(wú)油干泵為實(shí)驗(yàn)用戶提供最干凈的真空。同時(shí)加速器的束流管道及部件的結(jié)構(gòu)材料也進(jìn)行了比較篩選，使用316L不銹鋼、6063鋁合金、DT-4純鐵、U2無(wú)氧銅等天然本底較低的材料降低加速器自身所產(chǎn)生的放射性本底。

JUNA強(qiáng)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(zhǎng)×寬×高)。

3 地面調(diào)試結(jié)果

由于JUNA的要求，JUNA強(qiáng)流加速裝置的某些指標(biāo)，如強(qiáng)流束加速等存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為減少未來(lái)在錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試時(shí)的不確定性，在中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)展加速裝置的地面調(diào)試實(shí)驗(yàn)，盡早發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，并適時(shí)開(kāi)展與測(cè)量終端的聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，為未來(lái)地下物理實(shí)驗(yàn)積累必要的經(jīng)驗(yàn)。

圖4 JUNA強(qiáng)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(shí)驗(yàn)調(diào)試的實(shí)驗(yàn)室由原有離子源實(shí)驗(yàn)室改造而成，受限于空間，同時(shí)因高能傳輸段中的第2組四極透鏡組結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，存在的不確定因素較少，在地面調(diào)試實(shí)驗(yàn)中暫未安裝，其余部分均按照地下實(shí)驗(yàn)束線布局進(jìn)行安裝。

為盡早開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)終端，如圖5所示。1號(hào)終端經(jīng)過(guò)90°分析磁鐵，束流線基本與地下布置一致，靶前按照地下實(shí)驗(yàn)的設(shè)置安裝有DCCT、beam stop等，主要用作加速裝置調(diào)試，也可用于開(kāi)展所需空間較小的物理實(shí)驗(yàn)；2號(hào)終端位于加速管后，未經(jīng)過(guò)90°分析磁鐵，配備靶室終端，預(yù)留空間較大，可用于地面物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖5 JUNA強(qiáng)流加速裝置地面實(shí)驗(yàn)室布局Fig.5 Layout of JUNA high intensity accelerator in ground laboratory

JUNA強(qiáng)流加速裝置的高壓系統(tǒng)較復(fù)雜，除高壓平臺(tái)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(gè)設(shè)備。這些設(shè)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(gè)加速裝置能否穩(wěn)定運(yùn)行。高壓系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果示于圖6。此時(shí)高壓電源的負(fù)載在400 kV時(shí)達(dá)1.5 mA，高壓鍛煉一段時(shí)間后，負(fù)載電流會(huì)進(jìn)一步降至0.8 mA。測(cè)試結(jié)果顯示，一定的高壓鍛煉后，整個(gè)高壓系統(tǒng)在400 kV高壓加載情況下非常穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定加載所需高壓，極少出現(xiàn)打火情況。

圖6 JUNA強(qiáng)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(cè)試分兩步進(jìn)行，首先進(jìn)行離子源與低能傳輸段的單獨(dú)離線調(diào)試，之后與加速管及高能傳輸聯(lián)機(jī)進(jìn)行加速裝置整機(jī)的載束實(shí)驗(yàn)。

離子源和低能傳輸段的離線調(diào)試在蘭州近代物理所完成。移機(jī)至中國(guó)原子能科學(xué)研究院與加速管和高能傳輸段聯(lián)機(jī)后完成整機(jī)調(diào)試。聯(lián)機(jī)后測(cè)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(shí)，離子源產(chǎn)生不同強(qiáng)度質(zhì)子束和氦束通過(guò)加速裝置的加速情況示于圖7。調(diào)試實(shí)驗(yàn)中最高加速了11.7 mA的質(zhì)子束和5.7 mA的氦束，加速管還有加速更高束流強(qiáng)度的能力，但由于束流接受靶的限制，沒(méi)有進(jìn)一步提高束流強(qiáng)度。沿加速裝置束流線設(shè)置的高精度攝像系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)離子束行進(jìn)的徑跡進(jìn)行觀測(cè)。圖8a為當(dāng)束流轟擊在1號(hào)終端擋束板時(shí)，通過(guò)90°分析磁鐵處沿束流行進(jìn)方向觀測(cè)到的圖像，可看到強(qiáng)流束在行進(jìn)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(diào)的最小束斑。圖8b為當(dāng)束流加速到指定能量后，通過(guò)高精度攝像系統(tǒng)在真空室外側(cè)垂直束流行進(jìn)方向觀測(cè)到的束流徑跡。

圖7 400 keV質(zhì)子束和氦束加速Fig.7 400 keV H+ and He+ beam transmission

圖8 JUNA強(qiáng)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(chǎn)生單電荷的強(qiáng)流束，難以產(chǎn)生強(qiáng)流二價(jià)氦離子束。強(qiáng)流He2+束將利用14 GHz的高電荷ECR離子源產(chǎn)生，依據(jù)離子源的初步調(diào)試結(jié)果，He2+束流達(dá)到了2 mA，進(jìn)一步的調(diào)試正在進(jìn)行中[12]。

調(diào)試實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)試了90°分析磁鐵對(duì)強(qiáng)流束的質(zhì)量分辨能力。實(shí)驗(yàn)測(cè)試束流能量210 keV，束流強(qiáng)度2.8 mA。通過(guò)調(diào)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(chǎng)讓束流通過(guò)分析縫(3 mm×10 mm)，通過(guò)分析縫后0.65 m處的法拉第筒可測(cè)得束流強(qiáng)度隨磁場(chǎng)的變化，繼而可求得質(zhì)量分辨率。經(jīng)計(jì)算，實(shí)測(cè)全高寬質(zhì)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(zhì)粒子會(huì)沉積在分析縫擋板，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后微量雜質(zhì)粒子如氘等的累積仍可能引起次生放射性增加的風(fēng)險(xiǎn)，這就要求縫隙擋板設(shè)計(jì)成易拆卸的結(jié)構(gòu)以便于更換，另一方面該位置也需采取適當(dāng)屏蔽進(jìn)一步減少對(duì)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量造成的影響。

在未來(lái)錦屏深地實(shí)驗(yàn)中，該加速裝置將會(huì)放置在深地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，洞內(nèi)相對(duì)密閉的環(huán)境和較多融水等因素可能會(huì)使深地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)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(guò)高，則可能導(dǎo)致JUNA加速裝置的絕緣耐壓水平降低，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為此錦屏深地實(shí)驗(yàn)室還需采取特定的除濕和通風(fēng)措施，在裝置運(yùn)行和待機(jī)時(shí)維持洞內(nèi)濕度、溫度等環(huán)境要素在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

JUNA強(qiáng)流加速裝置在地面調(diào)試出束后，陸續(xù)開(kāi)展了多個(gè)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試。地面實(shí)驗(yàn)期間，整個(gè)加速裝置運(yùn)行穩(wěn)定，為JUNA加速裝置與探測(cè)器、高功率靶的集成驗(yàn)證提供了高品質(zhì)的束流。本文介紹了用于JUNA的強(qiáng)流加速裝置的物理需求、束流線設(shè)計(jì)以及地面調(diào)試進(jìn)展等。目前JUNA加速裝置部件已經(jīng)加工完成，并在地面實(shí)驗(yàn)室對(duì)離子源、LEBT、加速管和部分高能傳輸段進(jìn)行了安裝調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與設(shè)計(jì)符合較好，裝置可為實(shí)驗(yàn)端長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地提供束流。計(jì)劃2021年開(kāi)展加速裝置深地安裝和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等工作。