用于锦屏深地核天体物理研究的强流加速装置的设计与试验进展

陈立华，崔保群，马鹰俊，马瑞刚，唐 兵，黄青华，马 燮，连 钢，郭 冰，柳卫平，孙良亭，武 启

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000)

天文学的发展受制于所采用观测手段和方法，新的可靠有效观测手段和方法会促使新天体和新现象的发现，而这些将会使得人类对宇宙的认识发生改变[1]。恒星的演化是天文学研究的一个重要方面。恒星演化模型的准确理论预测需一些基本的输入量，而恒星平稳氦燃烧阶段关键的(α，X)、(α，n)反应，以及恒星平稳氢燃烧阶段关键的(p，α)、(p，X)反应的核物理数据仍显不足。在地球上开展这些核反应的直接准确测量对于人类理解恒星演化和元素起源具有极其重要的意义。这些非共振核反应的截面近似随能量指数递减，特别是在接近伽莫夫能区的低能区域通常非常小[2]。受高能宇宙射线的影响，无法在地面环境开展直接测量。意大利的格兰萨索地下实验室(LUNA)采用将加速装置和探测器放在具有良好屏蔽的地下实验室开展实验测量，在pp反应链等方面取得了一些实验结果[3-4]。为率先在核天体物理领域取得国际领先的成果，世界上多个国家的实验室，如意大利的LUNAII、美国的DIANA等都在规划或建设新的下一代深地强流加速装置[5-6]。

锦屏深地实验室(CJPL)以锦屏二滩水电工程的水平交通隧道为基础，是目前世界上最深的地下实验室，其覆盖的花岗岩层高达2 500 m，可极有效屏蔽天然高能射线[7]。为取得核天体物理领域的原创性研究成果，中国原子能科学研究院依托CJPL优越的地理环境，建立锦屏深地核天体物理实验(JUNA)平台开展核天体物理的研究。根据建设规划，计划建设一台最高束流强度10 mA、最高端电压400 kV的低能强流加速装置。该加速装置的设计指标与LUNA的同类装置相比束流强度提高了约1个量级，建成后将成为当今世界上束流强度最高的深地实验室加速装置。本文将介绍该加速装置的物理需求、装置布局及设计考虑和装置的地面调试实验进展。

1 JUNA对加速装置的需求

开展核天体物理研究关注能区核反应的直接测量存在诸多困难。首先，这类核反应截面非常小，除采用屏蔽降低本底、提高探测器效率等外，还要求加速器所能提供的束流强度足够高以提高核反应的发生率才能实现这些反应截面的测量。而强流束自身存在较强的空间电荷效应，其加速和传输必须进行特殊考虑。另一方面，反应截面随能量降低近似呈指数递减，物理测量必须实现对相邻能区核反应的准确识别，这就要求参与核反应的束流能量必须足够准确。同时，加速器及束流自身也会产生一定辐射，可能会造成物理实验测量本底的增加，束流中杂质离子打靶产生的某些反应可能会对地下物理实验造成干扰，特别是束流中可能存在的微量D粒子由于(d，d)等共振核反应会对实验造成严重影响，加速装置的设计也必须进行相应考虑。

利用锦屏优越的地理环境，依据深地核天体物理实验规划，在极低本底下先进行12C(α, γ)16O、13C(α, n)16O、25Mg(p, γ)26Al、19F(p, α)16O 4个关键核反应的直接测量。实验将使用α粒子和质子轰击靶核产生核反应。依据相关实验对束流能量的不同要求，质子束能量需在70～400 keV可调，α束能量在140～800 keV可调。综合考虑靶的承受力和实验测量的需求，靶上最大束流强度不小于10 mA，较意大利的LUNA加速装置束流强度提高了1个量级。JUNA强流加速装置与LUNA加速装置的性能指标对比列于表1。依据物理实验的要求，束流能量分辨率好于0.1%，靶上束斑尺寸要求控制在数mm量级。加速装置最终将放置在锦屏深地核天体物理实验室内，其有效空间为12 m×12 m(宽×高)，长度方向约100 m。

由于反应截面极小，为累积足够测量事件，物理实验测量通常持续数周甚至数月。且地下实验室地处偏僻，与地面维护中心也距数小时车程，维护时间成本高。这些地下物理实验的特殊要求使得JUNA强流加速装置还必须实现长期稳定运行，自动化程度高，运行维护简单。

2 JUNA强流加速装置设计

JUNA加速装置的离子源产生的束流归一化发射度不大于0.2 πmm·mrad @50 keV，虚源半径1.3 mm。在束流光学计算中，假定束流半张角50 mrad，束流半径1.6 mm@50 keV，同时采用聚焦螺线管模拟束流进入加速管的情况。束流包络计算采用国际上广泛使用的TRANSPORT计算程序[9]。对于强流加速器设计，束流空间电荷效应非常重要，因为这种效应可能导致束流发射度的快速增长。为减弱该效应影响，通常采用特定方法使束流获得补偿，即达到一定中和度。低能强流束流传输常采用自中和的手段。研究表明，在真空度达到10-3Pa左右，束流空间电荷中和度可达到95%以上[10-11]。但在加速管中因为有电场存在，这种补偿效应将被破坏。计算中考虑了束流空间电荷补偿效应，在无电场存在的束线段，采用95%的空间电荷中和，加速管内则无空间电荷补偿，即中和度为0，分别计算模拟传输不同离子种类、束流强度和束流能量时的束流包络。计算结果显示，调整加速管在满足物理实验的不同束流能量下，虽然在能量较低时，四极透镜内的束流包络会增大，配合调整四极透镜组聚焦均可保证束流以较高的效率传输。典型束流传输包络示于图2。图中，光轴上方是y向包络；光轴下方是x向包络。

图1 JUNA强流加速装置原理布局图Fig.1 Scheme of JUNA high intensity accelerator

图2 JUNA强流加速器典型束流包络Fig.2 Representative envelope of JUNA high intensity accelerator

对于磁铁分析系统，为达到较高的分辨率，通常要求分析缝处的束斑尽可能小。但对强流束流来说，小尺寸的束流意味着更高的束流密度，即更强的空间电荷效应，为减弱这种效应的影响，在JUNA强流加速装置的光路设计中，采用不对称聚焦结构与分析磁铁配合，使束流在分析缝处呈长条状，降低束流密度，保证在较强束流强度下仍可使束流会聚到较小尺寸。根据计算结果，分析缝处的束斑尺寸≤3 mm，在考虑千分之一的能散时，即可满足装置的分辨要求。采用这种不对称的结构虽然破坏了束流对称性，使靶上垂直方向的束斑略大于水平方向，但计算表明通过分析磁铁后聚焦元件的调节，在不同的束流能量下，可保证靶上束斑尺寸在5～10 mm仍可满足物理实验的要求。

强流加速管作为JUNA加速装置的关键设备之一，它的性能对装置的整体性能具有重要的影响。由于存在加速电场，加速管内的空间电荷中和被完全破坏，必须采用较小的加速区长度减弱空间电荷效应的影响。JUNA强流加速器装置采用大气型的均匀场加速管结构，加速区深入加速管内部，在约250 mm的加速区域内实现束流预定能量的加速。加速管总长度1 300 mm，加速孔径φ80 mm，设计最高加速电压400 kV。加速区外部均匀布置有8个陶瓷绝缘筒和相应的高压屏蔽，外部安装有均压环实现加速管局部电场的均匀化。均压电极间采用高电阻率(10 MΩ·cm)的去离子水实现高压分压，同时冷却水还可带走次级粒子轰击电极产生的热量。加速管出口区设置有负电位势阱防止电子被反向加速。

JUNA强流加速装置的聚焦和导向元件尽可能采用磁元件以减少对束流空间电荷自中和的破坏。在高能传输段的聚焦元件中使用四极透镜组，因为它是强聚焦元件，相比螺线管聚焦也比较节省功率。四极透镜组孔径φ110 mm，磁极面采用双曲柱面的形状以减少象差。分析磁铁是保证束流纯度的重要部件。分析磁铁的气隙110 mm，偏转半径600 mm，角度90°。它采用C型的磁路结构，将立柱安排在小半径一侧以便于真空室的安装。考虑调试时束流短时间和运行时部分杂散粒子轰击在真空室内壁产生热量，分析磁铁的真空室外部焊接有水冷管道。同时束流中的杂质粒子经分析磁铁偏转后会在分析缝挡板上沉积，需要的束流则经过分析缝被四极透镜聚焦到靶提供物理实验用户使用。

可靠的束流监测是保证装置稳定运行的重要手段。JUNA强流加速装置在低能段设置有2个法拉第筒对束流强度进行测量，在高能传输段设置有3个束测真空室，内部分别安装有内置式水冷DCCT可在线对束流强度进行监测，示于图3。在加速管入口和束测真空室等位置分别设置四象限监测单元可对束流的位置进行监测。在加速管后和分析缝处的真空室分别设置高精度的在线束流包络监测装置，可在线观测强束流的轨迹，便于束流调试。

图3 JUNA强流加速装置的束流监测布置Fig.3 Layout of beam diagnostics for JUNA high intensity accelerator

强流束在传输过程中由于束晕、束流空间分布、中性粒子以及与残余气体碰撞等因素的影响会有少量杂散粒子打在真空管道上，这些粒子产生的热量沉积可能导致真空室形变甚至融化进而造成设备损坏。JUNA加速装置的束流传输管道均采用外部粘结水冷管道的结构将这些热量导走。

为防止杂质粒子如C等对深地物理实验的干扰，JUNA加速装置高能传输段的真空系统采用磁悬浮涡轮分子泵和无油干泵为实验用户提供最干净的真空。同时加速器的束流管道及部件的结构材料也进行了比较筛选，使用316L不锈钢、6063铝合金、DT-4纯铁、U2无氧铜等天然本底较低的材料降低加速器自身所产生的放射性本底。

JUNA强流加速装置束线主体的三维示于图4，加速装置主体的外形尺寸8.6 m×6.5 m×4 m(长×宽×高)。

3 地面调试结果

由于JUNA的要求，JUNA强流加速装置的某些指标，如强流束加速等存在一定的技术风险。为减少未来在锦屏深地核天体物理实验室安装调试时的不确定性，在中国原子能科学研究院开展加速装置的地面调试实验，尽早发现存在的问题，并适时开展与测量终端的联机实验，为未来地下物理实验积累必要的经验。

图4 JUNA强流加速装置外形尺寸Fig.4 3D figure of JUNA high intensity accelerator

用于加速装置地上实验调试的实验室由原有离子源实验室改造而成，受限于空间，同时因高能传输段中的第2组四极透镜组结构相对简单，存在的不确定因素较少，在地面调试实验中暂未安装，其余部分均按照地下实验束线布局进行安装。

为尽早开展物理实验，实验室内设置了两个终端，如图5所示。1号终端经过90°分析磁铁，束流线基本与地下布置一致，靶前按照地下实验的设置安装有DCCT、beam stop等，主要用作加速装置调试，也可用于开展所需空间较小的物理实验；2号终端位于加速管后，未经过90°分析磁铁，配备靶室终端，预留空间较大，可用于地面物理实验测试。

图5 JUNA强流加速装置地面实验室布局Fig.5 Layout of JUNA high intensity accelerator in ground laboratory

JUNA强流加速装置的高压系统较复杂，除高压平台外，位于高压区的还有高稳定度高压电源、大功率水电阻、隔离变压器、加速管等多个设备。这些设备的可靠工作不仅影响着束流能量的稳定，且直接决定着整个加速装置能否稳定运行。高压系统的测试结果示于图6。此时高压电源的负载在400 kV时达1.5 mA，高压锻炼一段时间后，负载电流会进一步降至0.8 mA。测试结果显示，一定的高压锻炼后，整个高压系统在400 kV高压加载情况下非常稳定，可实现长时间稳定加载所需高压，极少出现打火情况。

图6 JUNA强流加速装置伏安特性曲线Fig.6 Voltage-Ampere characteristics of JUNA high intensity accelerator

加速装置的载束测试分两步进行，首先进行离子源与低能传输段的单独离线调试，之后与加速管及高能传输联机进行加速装置整机的载束实验。

离子源和低能传输段的离线调试在兰州近代物理所完成。移机至中国原子能科学研究院与加速管和高能传输段联机后完成整机调试。联机后测试了不同加速能量束流传输。在400 keV束流能量(离子源40 kV+加速管360 kV)时，离子源产生不同强度质子束和氦束通过加速装置的加速情况示于图7。调试实验中最高加速了11.7 mA的质子束和5.7 mA的氦束，加速管还有加速更高束流强度的能力，但由于束流接受靶的限制，没有进一步提高束流强度。沿加速装置束流线设置的高精度摄像系统可实时对离子束行进的径迹进行观测。图8a为当束流轰击在1号终端挡束板时，通过90°分析磁铁处沿束流行进方向观测到的图像，可看到强流束在行进中的径迹与轰击在挡束板上的束斑状况。受限于挡束板的冷却能力，图中束斑尺寸并不是可调的最小束斑。图8b为当束流加速到指定能量后，通过高精度摄像系统在真空室外侧垂直束流行进方向观测到的束流径迹。

图7 400 keV质子束和氦束加速Fig.7 400 keV H+ and He+ beam transmission

图8 JUNA强流加速装置束流传输径迹Fig.8 Beam track photo of JUNA high intensity accelerator

由于2.45 GHz的ECR离子源只能产生单电荷的强流束，难以产生强流二价氦离子束。强流He2+束将利用14 GHz的高电荷ECR离子源产生，依据离子源的初步调试结果，He2+束流达到了2 mA，进一步的调试正在进行中[12]。

调试实验中同时测试了90°分析磁铁对强流束的质量分辨能力。实验测试束流能量210 keV，束流强度2.8 mA。通过调整束流传输元件，可在分析缝处使束流呈竖直分布。改变磁场让束流通过分析缝(3 mm×10 mm)，通过分析缝后0.65 m处的法拉第筒可测得束流强度随磁场的变化，继而可求得质量分辨率。经计算，实测全高宽质量分辨率m/Δm=279，满足了分辨氦束中微量氘离子的要求(～250)。但需注意的是，分析后的杂质粒子会沉积在分析缝挡板，长时间运行后微量杂质粒子如氘等的累积仍可能引起次生放射性增加的风险，这就要求缝隙挡板设计成易拆卸的结构以便于更换，另一方面该位置也需采取适当屏蔽进一步减少对物理实验测量造成的影响。

在未来锦屏深地实验中，该加速装置将会放置在深地实验室内，洞内相对密闭的环境和较多融水等因素可能会使深地实验室内温湿度等环境要素与地面存在较大差异。而环境湿度过高，则可能导致JUNA加速装置的绝缘耐压水平降低，从而影响整个系统的稳定运行。为此锦屏深地实验室还需采取特定的除湿和通风措施，在装置运行和待机时维持洞内湿度、温度等环境要素在合理范围内。

4 结论

JUNA强流加速装置在地面调试出束后，陆续开展了多个物理实验测试。地面实验期间，整个加速装置运行稳定，为JUNA加速装置与探测器、高功率靶的集成验证提供了高品质的束流。本文介绍了用于JUNA的强流加速装置的物理需求、束流线设计以及地面调试进展等。目前JUNA加速装置部件已经加工完成，并在地面实验室对离子源、LEBT、加速管和部分高能传输段进行了安装调试，实验结果显示与设计符合较好，装置可为实验端长时间稳定地提供束流。计划2021年开展加速装置深地安装和实验测量等工作。