多用途高功率质子回旋加速器装置概念设计进展

杨建俊，管锋平，殷治国，李明，纪彬，安世忠，张天爵

（中国原子能科学研究院，北京102413）

多用途高功率质子回旋加速器装置概念设计进展

杨建俊，管锋平，殷治国，李明，纪彬，安世忠，张天爵

（中国原子能科学研究院，北京102413）

在中微子CP破缺实验国际合作项目DAEδALUS中，中国原子能科学研究院参与了加速器系统的前期研发工作，提出了基于回旋加速器组合的高平均功率质子束装置方案，并开展了一台能量为800MeV的质子回旋加速器组合装置的概念设计。本文给出了该回旋加速器的物理设计方案和束流动力学设计进展，重点阐述了制约高功率加速器流强的空间电荷效应及其引起的束流损失问题。

高功率回旋加速器；空间电荷效应；束流动力学；并行计算

高平均功率质子束在中子和中微子物理研究、放射性核束生产、辐射物理研究和洁净核能系统等领域有着广泛的应用前景。回旋加速器是固有的连续波模式加速器，具有造价低、投资效益比高、有效功率转化率高、装置尺寸小、结构紧凑以及不需要超导高频谐振腔等特点，是mA级高平均功率质子束应用装置具有竞争力的备选方案。早在20世纪90年代，诺贝尔奖获得者Rubbia等人就提出了用回旋加速器作为洁净核能系统，即加速器驱动系统（accelerator driven system，ADS）的方案［1］。近年来，高功率回旋加速器研究逐渐引起国际关注。2010年，由美国麻省理工学院发起了中微子CP破缺实验的国际合作项目DAEδALUS［2］，该项目计划将3套回旋加速器组合分别放置在近距、中距和远距位置，质子束打靶能量均为800MeV，平均功率分别为0.8，1.6，4.8MW。2013年《自然》杂志对该项目给予了高度评价，并将其与美国费米国家实验室的直线加速器装置进行了比较［3］。2012年，美国布鲁克海文国家实验室提出了三路并联超导回旋加速器的ADS方案［4］。

中国原子能科学研究院（CIAE）应邀参与了DAEδALUS项目加速器系统的前期研发工作，承担高功率回旋加速器中强流束空间电荷效应等关键物理问题的研究［5］。此外，近年来，CIAE利用先进的并行计算技术，研究了中、高能质子加速器中的强流束流动力学核心算法，开发了大规模并行计算软件［6］，进行了大量的精确数值模拟工作。在此基础上，提出了基于回旋加速器组合的高平均功率质子束装置方案，开展了一台能量为800MeV的质子回旋加速器组合装置的概念设计［7 8］。本文简要介绍该回旋加速器的物理设计方案和束流动力学设计进展，主要讨论制约高功率加速器流强的空间电荷效应及其引起的束流损失问题。

1 方案比选

DAEδALUS项目拟采用3个回旋加速器组合模块，分别放置在距离探测器1.5，8，20km的位置，质子能量均为800MeV，平均束流功率分别为0.8，1.6，4.8MW，拟采用超导磁铁作为主加速器、加速H2＋粒子，然后剥离成质子的技术路线；而本文提出的800MeV回旋加速器拟采用常温磁铁、加速质子的技术路线。两种方案各有利弊。

质子方案具有以下优点：1）技术成熟。国际上有丰富的建造和运行经验可以参考和借鉴。瑞士保罗谢尔实验室（PSI）的590MeV回旋加速器运行了30多年，目前流强达2.4mA［9］。2）对磁场要求不高，因此不需要超导线圈和制冷系统。3）质子离子源技术成熟，流强可达几十毫安。4）加速质子不会因为洛伦兹剥离和真空剥离等问题导致束流损失和部件活化。但是，质子方案具有以下缺点：1）单圈引出质子束需要足够大的圈间距，以避免粒子打到引出偏转板上造成束流损失，但是，圈间距正比于动量分散Δp／p，动量p随着粒子能量的增大而增大，但动量增益Δp基本保持不变，所以圈间距随着能量增大而减小。2）为了增大Δp／p，要求高频腔提供1MV以上的峰值电压，需要造价比较昂贵的高频腔体和高频功率源系统。3）为了减小加速过程中的能散，需要采用平顶腔调制加速电压。4）为减小加速过程中的能散和发射度，可能需要安装聚束器，以压缩束团长度。5）强流情况下，受空间电荷的影响，横向发射度将增大，这给单圈引出带来巨大挑战。

每个H2＋粒子由2个质子和1个电子结合而成，由电子回旋共振离子源引出，同时还会伴随着H3＋、质子等其他粒子，需要在注入线上去掉。H2＋粒子方案具有以下优点：1）可以采用多圈剥离引出，圈间距和横向发射度对引出束流损失没有决定性影响。2）对高频腔的加速电压要求不高，因此对高频系统的挑战不大。3）同样的质子引出流强和能量下，H2＋粒子束空间电荷效应只有质子束的1／4。4）不需要采用平顶腔来抑制加速能散。但是，该技术方案还存在以下不足：1）没有高功率H2＋回旋加速器的建造和运行经验，存在未知风险。2）H2＋离子源技术与质子源技术相比不够成熟，引出的H2＋束流包含多种激发态，对电子的束缚能量低，电子容易损失掉。3）H2＋粒子的磁钢度大，对磁场强度要求较高，因此需要超导线圈和制冷系统。4）在高磁场条件下，洛伦兹剥离容易使处于激发态的H2＋粒子丢掉电子，导致束流损失，因此必须在低能时将束流冷却到基态或者将电子剥离掉，但在强流条件下，这方面的技术尚不成熟。5）为了避免残余气体对H2＋粒子的剥离效应，要求装置的真空度好于10－5Pa，这具有技术挑战性。

综合比较这两种方案，质子方案技术挑战性相对较小、国际上已有类似的加速器在运行，其建造和运行经验可供借鉴。因此，最终确定采用加速质子的技术路线。经过系统比选不同方案，确定了回旋加速器组合的总体方案，如图1所示。此方案中，由一台ECR（electron cyclotron resonance）离子源引出的低能强流质子束经过一台RFQ（radio frequency quadrupole）前级注入器，被加速到1MeV，然后注入一台直边分离扇回旋加速器（seperated－sector cyclotron，SSC），将能量提升到100MeV，最后经中能传输线注入800MeV环形螺旋扇回旋加速器（spiral separated－sector cyclotron，SSSC）。表1中给出了关键的束流指标。

2 总体设计

800MeV主加速器是该加速器组合的关键装置，也是最具技术挑战性的系统。国际上正在运行的束流功率最高的质子加速器是PSI的590MeV回旋加速器，其束流功率为1.4MW。本文建议的主加速器的能量和功率指标均超过该加速器。参考PSI的590MeV回旋加速器，对本项目建议的加速器参数指标进行了初步计算和可行性分析［7］，初步确定了800MeV质子回旋加速器的基本机器参数，如表2所列。概念设计给出的主加速器的布局如图2所示。

3 磁铁设计

在概念设计中，首先利用理论公式给出了磁极的半径、角宽度，中性平面磁场的初始估算值，然后基于漏磁场模型构建了理想等时性磁场，并研究了基本的束流动力学问题。在此基础上，开展了加速器主磁铁的三维有限元建模，并精确计算了实际的磁场分布。为了减小数值计算误差，利用六面体结构网格单元对三维模型进行离散，如图3所示。

经过精密调节磁极曲面形状、螺旋角和侧面轮廓线，最终满足了等时性磁场误差限制和轴向磁聚焦的要求。中心平面磁场最大磁感应强度约为2T，平均磁感应强度从小半径的0.52T增大到引出半径的0.92T。在加速过程中，由磁场非理想性引起的微分滑相在±0.5%以内。此外，通过调整磁极螺旋角和磁极高度，优化了磁极结构，增强了轴向聚焦力，从而避免了自由振荡频率曲线跨越主要的整数共振和耦合共振。

4 束流动力学计算

在磁场设计的基础上，计算了加速平衡轨道。目前的方案采用了6个峰值电压为1MV的单间隙谐振腔加速粒子和1个平顶腔体抑制能散，粒子在加速149圈后到达引出位置，加速过程中的积分滑相保持在±20°范围内。

束流引出过程中的束流损失控制是高功率质子回旋加速器设计中的一个关键问题。采用非对中注入的方法引起束流在径向上的进动，从而增大引出圈间距。图4给出了对中注入和最优情况下的非对中注入对引出位置径向束流包络的影响。计算表明，在弱流条件下，在最后两圈之间有足够空间放置静电偏转板以引出束流。为了评估强流条件下束团自身的空间电荷力对束流径向包络和束流损失的影响，利用大规模粒子束流动力学并行模拟软件OPAL－CYCL［6］开展了粒子模拟计算。模拟中，使用106个宏粒子，在自行研制的并行集群系统上，利用32个处理器共同计算空间电荷力，计算网格随束团动态变化，网格数为128×128×32。从注入跟踪到引出位置共耗时40h。图5给出的模拟计算结果表明，空间电荷效应对束流径向包络的影响显著。当流强大于1mA时，随着流强的增大，束流径向尺寸逐渐增大，最后两圈的束团会发生重叠，造成束流损失。因此，需要进一步优化束流引出设计，减小强流情况下的束流损失。

5 结语

通过比较加速H2＋粒子和加速质子两种方案，确定了加速质子的技术路线和总体方案，并开展了主加速器初步物理设计和束流动力学计算，磁铁设计给出了满足等时性要求的磁场，在加速过程中由磁场非理想性引起的微分滑相在±0.5%以内，并避免了自由振荡频率曲线跨越主要的整数共振和耦合共振。空间电荷限制流强达到1mA。初步设计结果表明方案可行，下一步要进一步优化主加速器的结构，提高引出效率，从而增大加速器的极限流强；并开展注入器和预注入器的物理设计工作。

［1］RUBBIA C，RUBIO J A，BUONO S，et al.Conceptual design of a fast neutron operated high power energy amplifier［R］.CERN／AT／95 44（ET），CERN，1995.

［2］ALONSO J，AVIGNONE F T，BARLETTA W A，et al.Expression of Interest for a Novel Search for CP Violation in the Neutrino Sector：DAEδALUS［M］.arXiv：1006.0260，2010.

［3］REICH E S.Cyclotrons come full circle［J］.Nature，2013，499（7 459）：391 392.

［4］MÉOT F，ROSER T，WENG W，et al.MW－class 800MeV／n H2＋SC－cyclotron for ADS application：design study and goal［C］／／Proceedings of IPAC'2012，New Orleans，LA，2012.

［5］YANG J J，ADELMANN A，BARLETTA W，et al.Beam dynamics simulation for the high intensity DAEδALUS cyclotrons［J］.Nuclear Instrum Methods A，2013，704：84 91.

［6］YANG J J，ADELMANN A，HUMBEL M，et al.Beam dynamics in high intensity cyclotrons including neighboringbunch effects：model implementation and application［J］.Phys Rev ST Accel Beams，2010，13（6）：064201.

［7］ZHANG T J，YANG J J，LI M，et al.Conceptual design of an 800MeV high power proton driver［J］.Nuclear Instrum Methods B，2011，269（24）：2 964 2 967.

［8］LI M，YANG J J，ZHANG T J，et al.Conceptual design of a 100MeV injector cyclotron［C］／／Proceedings of ICC'2013，Vancouver，2013.

［9］SEIDEL M，GRILLENBERGER J，MEZGER A C.High intensity operation and control of beam losses in cyclotron based accelerator［C］／／Proceedingsof HB'2012，Beijing，2012.

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

国家自然科学基金资助项目（11375273，11461141003）

杨建俊（1982－），男，甘肃广河人，副研究员，博士，主要从事加速器物理研究。

E－mail：yangjianjun2000＠tsinghua.org.cn