新型电子直线加速器测试与改进

罗小为 相新蕾 谢家麟

1（中国科学院高能物理研究所 北京 100048）

2（中国科学技术大学国家同步辐射实验室 合肥 230027）

传统电子直线加速器中，电子枪受到广泛运用。将高功率速调管的用毕束流取代电子枪作为注入束流，则是新型的电子注入方法。电子通过速调管输出腔时与腔内高频场作用，大多数电子在输出腔高频场减速相区通过，其大部分动能转化为场能；小部分电子在输出腔场加速相区通过，获得场能而得到加速，产生相位群聚。在速调管收集极开孔，将用毕束流引出，用偏转磁铁选取群聚的被加速电子作为加速管的注入束流，则可取代传统电子直线加速器的电子枪及预聚束系统，大大简化系统结构。

模拟分析显示[1]，较高功率的速调管可获得能量高、群聚相位窄的注入电子。但作为一台原理验证型装置，在有限的条件下我们选择KS4064速调管作为功率源电子源。该速调管工作峰值功率为 5 MW，满功率输出时的工作高压为127 kV，电子注入电流为90 A，工作频率为2856 MHz。加速管采取 L波段的等阻抗加速结构将电子束加速到 10 MeV，该结构采用38个SLAC-85#腔[2]，工作在2π/3模式。加速管参数见表1。

表1 加速管主要参数Table 1 Accelerating tube parameters.

图1为装置结构原理图，电子在速调管内产生群聚后经选能偏转铁(3)引出，通过光栏(4)，真空阀(5)以及BCT(8, Beam Current Transformer)后进入加速管。真空阀用于系统断开时保持调管内真空。由于电子束与微波功率同时产生，速调管输出的微波经过大功率移相器后注入加速管中，以调节电子束和微波场的相位匹配。系统真空由前级泵机组及溅射离子泵系统维持在<1×10–6Pa。

由于KS4064速调管的用毕束流能量呈连续谱分布[1]，引出组份在加速群聚区间可灵活选择。我们选取高能段的两处峰值流强所对应的电子束分别作为注入束团进行研究。这两个束团的能量为 170 keV与210 keV。

图1 装置原理图Fig.1 Equipment schematics.

1 束流测量

实验中速调管工作在118 kV、4.2 MW。通过调节聚焦线圈与微波相位，可观测电子的加速状况。由图2波形可以发现，输出电子束相对注入电子束有～0.8 μs的波形损失。这是由于电子束与微波同时产生，在电子束进入加速管后微波填充造成的束流损失。

图2 170 keV输入输出束流流强脉冲波形Fig.2 170 keV input and output pulsed beam intensity.

根据公式 tF=2Qτ/ω[3]，将 Q=13700，τ=0.41Nb(～4.1 dB)，ω=2πf (f=2856 MHz)代入，可得 tF=626.0 ns。实际测试加速管填充时间为690.5 ns。

束斑截面测量采取成像靶配合电荷耦合器件(CCD)测量。靶材料置于加速器铝窗(75 μm厚)后。试验标定电荷密度与成像灰度的s曲线。在显影线性区间内，用 MATLAB去除本底后对显影区灰度积分，获得包含90%粒子的束斑包络如图3所示。

图3 束斑尺寸Fig.3 Beam spot measured at the target.

图3中，1#为170 keV注入束在注入相位为170°时的束斑，半径为4.6 mm。2#为210 keV注入束在注入相位为 210°时的束斑，半径为 3.1 mm。3#为170 keV注入束在注入相位为230°时的束斑，半径为4.1 mm。6#为加速器输出窗孔径。

如图4，用一块45°偏转磁铁测量能谱，磁铁中心能量偏转半径为125 mm，厚3 cm的铅制束流准直狭缝置于偏转磁铁入口和出口位置，以限制束流发散度。中心位置偏转的束流用电离室和法拉第筒测量校准。

图4 输出束流能谱测量装置Fig.4 Schematics of the beam energy spectrum measurement.

对测量数据作归一化处理的结果见图 5。170 keV和210 keV注入束团能量展宽分别为中心能量9.9 MeV，FWHM能散度为14.4%和中心能量10.0 MeV，FWHM 能散度为7.9%。能量测量的分辨率<0.1 MeV。

流强由两个 BCT以及法拉第筒的测量结果进行校准。210 keV注入束团的最大注入宏脉冲流强为8.0 mA，其最大输出流强为7.0 mA。此束团注入工作模式适用于小流强、高束团质量要求的物理实验，束团的单能性良好、发射度较小。而在170 keV束团组份为注入束时，试验结果与模拟结果的偏差较大。测得的注入最大宏脉冲流强为70.6 mA，对应的输出最大流强为34.7 mA。虽可通过减小注入光栏改善注入束能散与注入发射度而提高束流俘获率，但输出宏脉冲流强也随之减小，远小于实验预期的100 mA量级。

图5 注入束流在不同光栏孔径下加速后的能谱Fig.5 Beam energy spectra at 170- and 210-keV injection energy and collimator of 5- or 10-mm width.

2 改进分析

造成该偏差的主要原因为，普通速调管的用毕束流是散焦的，电子注入束团的旋转发散动量较大。我们曾加置收集极聚焦线圈，作用并不理想，在能量选择磁铁到加速管入口的无聚焦自由漂移段中，束流损失严重。用Arsenal-MSU程序模拟了KS40645 MW速调管在正常工作高压127 kV、电流89.23 A下的电子输运过程，跟踪150个宏束团至收集极开口[4]。该程序是2.5维的，描述对称空间的坐标r、z和动量Pr、Pc、Pz，其中Pc为旋转动量。由对称空间均匀圆周分布引入Parmela程序所需的θ坐标。宏束团的粒子数正比于该宏束团的电流组份dI.。为提高模拟的可靠性，我们将宏束团数增加到 750，转换为三维坐标时候按 30°均匀分布于圆周，换算成9000个宏粒子团。用Parmela程序描述粒子的偏转、漂移及加速，发现在原有的聚焦及输运系统下，170 keV组份经过偏转铁后为363 mA，经8 mm光栏后流强为119.7 mA，漂移过真空阀到达加速管入口为35.9 mA。与试验结果基本符合。因为对速调管磁约束场和引出后束流输运及聚焦系统，我们进行了重新计算和设计。

在新方案中，将收集极开孔半径由7 mm增至9 mm。通过磁铁分层改变磁约束场梯度，用Arsenal-MSU程序对磁场分布和强度进行优化，在不影响引出微波功率的情况下略微提高速调管管体约束磁场的强度。在此模型下，程序给出偏转磁铁入口处的引出宏束团坐标及对应的流强。所得偏转铁入口处的宏电子束团的能量分布(图6)。

图6 收集极出口各宏粒子束团能量分布及对应流强Fig.6 Beam energy distribution and intensity at collector exit.

改造 90°偏转磁铁极面引入边缘场弱聚焦作用，增加两个8°的边缘场。用Maxwell程序对磁铁作改进设计。在真空阀外增加两个聚焦线圈，注入漂移段增加一个聚焦线圈。同时将加速管外部的注入段聚焦线圈由9个减至6个。比较一系列Parmela

运算结果得到的优化情况下，170 keV束流组份经过各漂移段的损失大为减小(表2)。注入加速管电子束团经加速后输出流强为92 mA，平均能量为9.6 MeV，FWHM能散度为8.4%。其中86%的电子分布在半径为4 mm的圆内。图7给出了加速管内束团横向包络图。

表2 改进方案与原装置束流(mA)损失对比(E=170 keV, w=8 mm)Table 2 Beam intensities (in mA) of the improvement at E=170 keV and w=8 mm.

我们再在真空阀与加速管之间的漂移段引入NdFeB材料的永磁四极透镜，用Maxwell程序模拟了该永磁四极铁的场分布。结果表明，该方案可提高17%的束流输出，但注入电子的能量却受该永磁四极铁限制而不可更改。为进一步研究该装置性能，暂未采取这一方式。

图7 加速管内束团横向包络Fig.7 Bunch transverse envelope in acceleration tube.

3 结论

通过试验，我们证实了速调管用毕束流注入方案的可行性与合理性。优化设计方案的模拟计算为我们提供了改进装置性能先进的理论依据，证明该装置性能还有很大的提高空间。计算显示，通过优化装置宏脉冲流强可达 90 mA以上的良好工作状态。该装置的低能量高流强注入模式(170 keV注入)和高能量低流强的工作模式(210 keV注入)，可以满足不同条件的工作需要，具有良好的运用前景。

1 王发芽.高能物理与核物理, 2004, (2): 105–106 WANG Faya.High Energy Physics and Nuclear Physics,2004, (2): 105–106

2 赵籍九, 尹兆升.粒子加速器技术.北京: 高等教育出版社, 2006.469–470 ZHAO Jijiu, YIN Zhaosheng.Particel accelerator technology.Beijing: Higher Education Press, 2006.469–470

3 Lapostolle, Pierre M.Linear accelerators.Amsterdam:North Holland Pub.Co., 1970.55

4 XIE Jialin, WANG Faya, YANG Xueping, et al.Review of Scientific Instruments, 2003, (12): 5053–5057