中国散裂中子源加速器注入束流损失调节研究

黄明阳，许守彦，卢晓含，王 生

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803；3.中国科学院大学，北京 100049)

中国散裂中子源(CSNS)是用于中子散射研究的大型基础科学研究平台[1-2]，于2018年3月15日完成工艺验收，2018年8月23日整体完成国家验收。CSNS包括1台80 MeV直线加速器、1台1.6 GeV快循环同步加速器(RCS)、1个中子靶站和多台谱仪[3]。CSNS是发展中国家第1台散裂中子源，位于世界四大散裂中子源之列[4]。

注入系统是CSNS加速器的核心组成部分，注入效率是决定加速器能否安全运行的重要因素。注入过程决定着循环束的初始状态，对束流累积和束流加速过程具有重要的影响。注入束流损失[5]是限制RCS能否在高功率下运行的决定性因素之一。CSNS注入系统采用H-剥离技术和相空间涂抹方案，由4块水平固定凸轨磁铁(BC)、4块水平涂抹凸轨磁铁(BH)、4块垂直涂抹凸轨磁铁(BV)、2块切割磁铁(ISEP)和主剥离膜及次剥离膜组成[6-8]。

注入系统束流调节是CSNS加速器束流调节的重要组成部分。注入束流调节的核心内容是注入束流损失调节。为控制注入束流损失、提高注入效率，本文研究注入束流损失的主要来源，对不同来源的束流损失进行调节和优化。

1 注入束流损失来源

注入系统是连接直线加速器和RCS的关键设备。注入系统束流调节的最终目标是确保直线加速器束流顺利进入RCS，尽量减小注入束流损失。图1为注入系统示意图。提高注入效率、减小注入束流损失是注入束流调节好坏的重要判断标准。

直线加速器注入到RCS会产生不同方面来源的束流损失。经过仔细研究和分析，注入束流损失来源主要包括以下几个方面：当直线加速器注入束流参数和RCS束流参数不匹配时，如相空间坐标不匹配、能量不匹配、相位不匹配等，均会造成大量的束流损失；当包括涂抹方式、涂抹范围、涂抹曲线等注入方式不合适时，也会造成注入束流损失；在注入束流穿越主剥离膜时，会损失两个电子和部分剥离膜散射粒子；由于受温升范围限制，主剥离膜的剥离效率总小于100%，这就会产生一定的未被剥离的粒子损失。总之，注入束流损失来源多样，要尽量减小束流损失，就需从不同源头有针对性地进行优化和调节。

图1 CSNS加速器注入系统示意图Fig.1 Layout of injection system for CSNS accelerator

2 注入束流损失调节

在CSNS加速器束流调节过程中，针对不同的束流损失来源进行相应调节和优化，以满足直线加速器束流注入到RCS的要求。

2.1 注入参数匹配

在直线加速器束流注入到RCS调节初期，由于注入束流相关参数还不是很明确，注入系统磁铁和电源的设置值只能暂时按理论值置入，这可能造成直线加速器注入束流参数和RCS束流参数不匹配，进而产生大量束流损失。因而，需对注入束流参数进行测量和匹配。在加速器束流调节过程中，分别在I-Dump和R-Dump两种机器模式下测量注入束流参数和进行注入束流参数匹配。

为测量注入束流参数，得到注入系统磁铁设置值，并调节好残余H0粒子进入I-Dump的束流传输路线，设计了I-Dump束线模式。图2为I-Dump束线示意图。

图2 I-Dump束线示意图Fig.2 Layout of I-Dump beam line

在I-Dump模式下，利用注入区4个多丝靶和LRBPM18测量得到的束流中心的位置信息可计算出束流在注入点处的相空间坐标[9]，然后通过调节输运线上靠近注入区的校正子或微调INSEP01和INBC，可将束流在注入点处的相空间坐标校正到合理范围，以满足直线加速器束流精确注入到RCS的要求。图3为多丝靶INMWS01和INMWS03的测量结果，图3a、b中的两条线分别描绘出束流水平和垂直形状，信号尖峰位置代表束流水平和垂直中心位置偏移量。经过计算，水平和垂直位置偏移量均小于0.4 mm，角度偏移量均小于0.25 mrad。因而，利用I-Dump模式，可测量和校正注入束流参数，得到注入系统直流磁铁的设置值。

在R-Dump模式下，发展两种方法用于测量和计算注入束和循环束的相空间坐标匹配参数。第1种方法：选择合理切束模式，采用注入完成瞬时引出的方案，通过靠近注入点的多丝靶INMWS02可测量得到注入束和循环束的信号，对注入束和循环束的信号进行重新处理，并辅助INMWS01(或LRBPM18)测量结果，可得到注入束在注入点处的相空间坐标及循环束相对参数信息。第2种方法[10]：选择合理切束模式，利用RCS上BPM测量得到的多圈注入的Turn-by-Turn(TBT)数据，经过傅里叶分析计算可处理得到注入束和循环束的匹配信息。图4为以上两种方法测量和处理结果，图4a为3、8、15、25圈的测量结果，图4a中所有曲线的波峰为循环束，波谷为注入束。

束流调节结果表明，注入束流参数匹配调节完成后，注入束流损失能有明显改善。同时，每次直线加速器束流状态明显改变后均需对注入束和循环束的束流参数匹配进行调整，以满足直线加速器束流注入到RCS的要求。

2.2 注入方式优化

在直线加速器束流注入RCS的束流调节初期，由于注入束和循环束匹配未完全调节好，且注入束流功率低，因此注入系统采用定点注入方式，以初步满足束流累积和束流加速过程的要求。在束流调节过程中，束流累积过程损失很大，调节多个设备和系统无明显改善，最后通过优化BH定点注入曲线，尝试了约40条BH定点注入曲线，极大优化了注入效率、减小了束流损失，并将直流电流传感器(DCCT)累积束流曲线调节成完美的直线，初步完成了RCS束流累积过程的调节，这是加速器束流调节非常重要的节点。图5为BH定点注入曲线优化过程中DCCT曲线效果图。

图3 多丝靶INMWS01和INMWS03测量结果Fig.3 Measurement results of INMWS01 and INMWS03

图4 利用INMWS02测量注入束和循环束相对参数(a)和利用多圈注入TBT数据计算注入束和循环束匹配参数(b)的结果Fig.4 Measurement result of injection beam and circular beam by using INMWS02 (a) and calculation result of matching parameters between injection beam and circular beam by using TBT numbers (b)

图5 BH定点注入曲线优化前、后的DCCT曲线效果图Fig.5 RCS DCCT curves before and after optimization of BH fixed point injection curves

在加速器束流调节中后期，完成注入束和循环束参数匹配、初步完成束流累积和束流加速调节后，为控制和优化注入区和RCS束流损失，需将定点注入方式修改为涂抹注入方式，对水平和垂直涂抹进行调节，即对涂抹曲线和涂抹范围进行优化，以满足打靶束流功率不断提升的要求。图6为定点注入和涂抹注入时RCS DCCT曲线示意图。从图6可看出，当采用定点注入时，注入初期有个突然快速束流损失过程[11]；当采用涂抹注入时[12]，这个突然快速束流损失过程消失，注入效率有明显提高，大概从95%提升到98%左右。

图6 定点注入和涂抹注入时RCS DCCT曲线示意图Fig.6 RCS DCCT curves with fixed point injection and painting injection

总体而言，注入方式的改变、涂抹方式和涂抹范围的优化均能有效减少注入束流损失，提高注入效率，对打靶束流功率的提升具有重要的作用。

2.3 剥离膜散射研究

剥离膜散射粒子损失是注入束流损失的重要来源，且随着加速器功率的提升，剥离膜散射粒子损失越来越严重。经过理论模拟和计算，CSNS一期100 kW打靶束流功率时剥离膜散射粒子损失约0.3 W[5,8]。但随着注入束流通过主剥离膜的平均穿越次数的增加，剥离膜散射粒子损失也会急剧增加。

在加速器束流调节初期，为尽快初步完成束流累积和束流加速过程，优先确保所有H-粒子被主剥离膜剥离进入RCS，采用大剥离膜(40 mm×60 mm)方案，注入束流从主剥离膜的水平中心区域通过。但这会造成循环束流反复通过主剥离膜，极大提高束流通过主剥离膜的平均穿越次数，进而造成大量的剥离膜散射粒子损失。在加速器束流调节中后期，初步完成束流累积和束流加速调节后，为减少剥离散射粒子损失，将大剥离膜更改为小剥离膜(20 mm×60 mm)，注入束流从主剥离膜的左下角区域通过，这能有效降低束流通过主剥离膜的平均穿越次数，进而有效减少剥离膜散射粒子损失。图7为打靶功率14 kW时分别采用大剥离膜和小剥离膜后注入区的束流损失。从图7可看出，采用小剥离膜后，注入区束流损失有一定减少(R4BLM01)，这说明剥离膜散射粒子损失减少了。随着束流功率的提升，剥离膜散射粒子损失会不断增加，需采取一定的措施来减少或屏蔽剥离膜散射造成的束流损失和辐射剂量。

图7 打靶功率14 kW时分别采用大剥离膜和小剥离膜的注入区束流损失Fig.7 Injection beam loss with large and small stripping foils for 14 kW beam power

2.4 剥离效率优化

主剥离膜的剥离效率是影响RCS注入效率的关键因素，未被剥离粒子(H-)和未被完全剥离粒子(H0)均是注入区束流损失的重要来源[13-14]，因而为提高剥离效率、减少注入区束流损失，需对主剥离膜结构和厚度进行优化。

由于剥离膜生产工艺的原因，单层剥离膜上可能会有很多针孔，从而造成很多H-粒子直接通过这些针孔穿过主剥离膜却没有被剥离成质子，这将大幅降低主剥离膜的剥离效率。为减少剥离膜上的针孔，提高剥离效率，采用双层膜结构的剥离膜，即由两块单层膜叠加在一起组成剥离膜，而两块膜叠加后的厚度与原来单层膜结构的厚度相同，这样降低了两块膜上针孔在同一位置的概率，进而提高剥离效率。图8为打靶功率为50 kW时分别采用单层膜结构和双层膜结构后注入区的束流损失。从图8可看出，采用双层膜结构的主剥离膜后，剥离膜后面区域的束流损失大幅减少(R1BLM01)，剥离效率得到了提高。

理论上，在注入束流能量确定后，剥离膜的材料和厚度是影响剥离效率的主要因素。对于CSNS剥离膜系统，采用不同厚度的剥离膜进行测试，结果表明，这对注入区束流损失具有很大影响。计划2019年检修期间进行剥离效率测量系统安装和调试[15]，机器研究期间可对剥离效率进行精确测量，然后根据剥离效率对剥离膜厚度和材料进行深入研究和优化，以满足散裂中子源打靶功率不断提升的要求。

图8 打靶功率50 kW时分别采用单层膜结构和双层膜结构的注入区束流损失Fig.8 Injection beam loss with single-layer foil and double-layer foil for 50 kW beam power

在完成了对不同束流损失来源进行相应调节和优化(包括注入束流参数匹配调节、注入方式优化、剥离膜散射优化、剥离效率提高)后，注入束流损失明显减少，注入效率明显提高。利用直线加速器至RCS的输运线LRBT上的电流传感器LRCT03和RCS上DCCT，注入效率可得到初步测量。结果表明，注入效率约99%，注入束流损失约1%。

3 总结与讨论

本文主要介绍CSNS加速器注入束流损失调节的相关研究。为减少注入束流损失、提高注入效率，首先研究注入束流损失的主要来源，结果表明，注入参数不匹配、注入方式选择、剥离膜散射粒子损失、未被剥离的粒子损失等均会造成注入束流损失。其次，针对不同的束流损失来源进行研究，并在加速器的束流调节过程中有针对性地进行调节和优化，不断降低注入束流损失，提高注入效率。在完成注入束流损失调节和优化后，经初步测量，注入效率约99%，注入束流损失约1%。

在未来的CSNS束流调节过程中，为进一步减少注入束流损失、提高注入效率，首先需对剥离效率进行精确测量。目前，CSNS剥离效率测量方案已确定，测量相关设备在紧张研制中，预计在2019年检修期间进行安装和调试，在机器研究中对剥离效率进行精确测量。