中国散裂中子源加速器前端运行及改进

欧阳华甫，刘盛进，肖永川，吕永佳，曹秀霞，薛康佳，李 辉，朱仁丽，陈卫东

（中国科学院高能物理研究所 东莞分部，广东 东莞 523803）

0 引言

中国散裂中子源（CSNS）是一个基于高功率加速器的多学科的实验平台，由加速器、靶站和谱仪三部分构成.加速器则主要由一台能量为81 MeV 的负氢直线加速器（LINAC）、一台能量为1.6 GeV 的快循环同步加速器（RCS）和两条束流传输线构成.负氢直线加速器由一台能量为50 keV 的潘宁表面等离子体负氢离子源（IS）、一条长度为1.6 m 的低能束流传输线（LEBT）、一台能量为3.0 MeV 的射频四极加速器（RFQ）、一条长度约为3.0 m 的中能束流传输线（MEBT）、一台能量为81 MeV 的漂移管直线加速器（DTL）及一条长度约为150 m的高能束流传输线（HEBT）组成.如图1所示，加速器前端系统是指直线加速器的起始部分，包含负氢离子源、低能束流传输线、射频四极加速器及中能传输线.作为直线加速器的起点，前端系统是CSNS 的重要和关键组成部分，为CSNS 提供所需要的负氢束流.前端系统能否提供稳定可靠的束流，直接决定了CSNS 的运行效率.事实上，由于前端系统的复杂性及高难度，其故障率也一直偏高.

基于CSNS一期100 kW打靶束流功率的要求，前端系统需提供重复频率为25 Hz，脉冲宽度为400 μs，束流占空比为1%，能量为3.0 MeV，最大脉冲强度为15 mA的脉冲负氢束流.另外，前端系统还需在低能传输线对脉宽为400 μs的宏脉冲束流进行切束处理，把束流切成重复频率约为1 MHz，脉宽约为500 ns（根据需求可进行调整）的微束团，以满足束流从直线加速器到RCS多圈注入的物理要求.15 mA 的脉冲束流需求，已经考虑到了束流50%切束损失、直线加速器传输损失及RCS环注入及传输损失，因为100 kW的打靶束流功率对应切束前后的负氢束流强度为6.25 mA.

图1 CSNS前端系统示意图

自2015年完成前端系统的安装和初步调试后，前端系统能够满足散裂中子源后续功率提升过程中所需要的各种束流强度及出束模式需求，但其稳定性在调试及运行时并不太令人满意.前端系统的不稳定性主要来自离子源高压打火（包括引出电压及加速电压）及RFQ 腔体高功率下的射频打火.为此，在后续5年的调试和运行中，针对前端系统上述问题进行了诸多软硬件上的改进，使系统的稳定性及运行效率有了极大的提高.同时，由于运行人员对系统了解的加深及运行经验的提高，前端系统的故障率得到进一步改善.

1 潘宁表面等离子体负氢离子源（IS）

离子源是加速器的起点，用于产生CSNS 所需的负氢离子束.其关键是要能够提供大流强、低发射度的负氢离子束，同时离子源运行稳定可靠、使用寿命适当.离子源能否提供高品质的稳定束流关系到整个加速器及散裂中子源的性能和运行效率.CSNS 采用的是潘宁（Penning）表面等离子体负氢离子源，该类型离子源在流强、发射度及使用寿命等方面都满足CSNS 一期要求，造价也相对便宜.潘宁表面等离子体负氢离子源是一种弧放电需要注铯的离子源，只有往放电室注入合适的铯蒸汽，才能得到稳定的弧放电及足够大的负氢束流.CSNS负氢离子源的主要束流参数如表1所示.

表1 负氢离子源的主要束流参数

如表1 所示，离子源的引出能量选择为50 keV，兼顾了包括离子源的高压难度及稳定性、低能传输线束流发射度增长、RFQ 的注入能量等几个方面的因素.离子源输出脉冲束流强度必须大于20 mA，是因为必须考虑前端系统自身的束流传输效率.通常情况下，前端系统的束流传输效率大于75%.离子源束流占空比为1.3%，也远远超出了CSNS对前端束流占空比1%的要求.离子源的主要构成、放电室组件及安装情况如图2所示.束流（包括电子和负氢）垂直向下引出后，通过90°偏转磁铁的偏转，实现引出负氢束流与引出电子的分离，电子损失在偏转磁铁中，负氢束流偏转90°后继续沿水平方向传输进入低能传输线.该离子源的寿命约为30～50天，基本满足散裂中子源用户需求.离子源的寿命主要受限于离子源核心部件——放电室的溅射损伤.放电室主要包括缝板、阳极、阴极、陶瓷绝缘环和放电室壳体.新放电室的安装和调试准备工作可以事先在实验室进行.目前，将寿命到期的旧放电室（包括放电室相关部件）更换成新放电室并让离子源重新正常工作所需要的时间约为4～6 个小时，因放电室的更换必须在大气压下进行，时间主要用在系统的真空恢复上.

图2 离子源的主要构成、放电室组件及安装情况图

中国散裂中子源的调试和运行至今已超过5 年时间，总共使用了约40 套放电室，使用时间最长的一套放电室为55 天.一般而言，对每一套放电室，在重复频率为25 Hz，脉冲宽度为400 μs，束流占空比为1%的运行状态下，离子源最大能引出约50 mA 的负氢束流，束流的归一化均方根发射度约为0.8 πmm·mrad，大于 RFQ 所需要的 0.2 πmm·mrad 接收度，但仍有超过 20 mA 的束流小于 RFQ 的接收度，满足CSNS一期对离子源束流强度的要求.为了确保RFQ的传输效率，我们将多余的、不满足RFQ接收度的束流通过安装在RFQ 入口、LEBT 末端第三真空腔内的束流准直器进行刮除.事实上，在CSNS日常运行中，离子源引出的负氢束流只要大于30 mA 就能实现100 kW 打靶束流功率.离子源从2014年10月安装到隧道至今，针对离子源的稳定性问题我们已经进行了诸多改进.首先，把等离子体放电所需的潘宁电磁铁更换成永磁铁.永磁铁因无供电需求，安装位置更加灵活，方便永磁铁和离子源放电室安装在相同法兰上.这样，放电室与永磁铁所处电位相同，避免了永磁铁与放电室间的打火，提高了离子源稳定性.其次，将离子源引出电源从电源厅移至隧道离子源旁边，引出电源输出电缆长度变短，减少了线缆的寄生电感及电缆的感应电压，引出负载电压更加稳定.再次，更换了新的加速高压绝缘陶瓷件，与旧的高压绝缘件相比，新的高压绝缘件增加了一个高为45 mm的陶瓷衣领，在保证加速间隙不变的情况下增大了绝缘件的爬电距离（增大了90 mm），使50 kV加速高压打火问题得到了彻底解决.最后，用功率更大的直流高压加速电源（65 kV/80 mA）代替原高压加速电源（55 kV/10 mA），省去了高压电源的外接电容，打火能量得到了很好的控制，设备更加安全.经过这些改进，彻底解决了加速高压的打火问题、放电室与潘宁磁铁之间的打火问题以及引出输出线缆寄生电感带来的问题，控制了高压打火的能量.离子源的稳定性及可靠性得到极大的提高［1］.

但是引出高压打火的问题并未得到彻底解决，可能还会存在一段时间.只有当铯注入量的问题得到解决后，引出高压打火的问题才能避免.正如前面所述，潘宁表面等离子体负氢离子源是一种弧放电需要注铯的离子源，只有往放电室注入合适的铯蒸气，才能得到稳定的弧放电及足够大的负氢束流.铯的熔点为28.4oC，沸点为678.4oC，离子源铯的工作温度远远小于铯的沸点温度.引出高压的打火原因是铯蒸气在包括引出电极、引出电极陶瓷绝缘柱等上的沉积及积累降低了引出高压的绝缘耐压.为了提高等离子体放电的负氢产额，一般都会往负氢离子源放电室注入铯蒸气.注入放电室内的铯蒸气量必须严格控制，当铯原子铺满放电室阴极（金属钼）表面晶格原子的60%，负氢产额最佳.目前，我们是通过控制铯锅及铯传输管道的温度来控制铯的蒸气压，从而控制铯注入放电室的流量.我们知道，蒸气压只与温度有关，是温度的指数函数.只有严格控制好铯的注入量，才能保证离子源的最佳出束状态，同时避免引出高压的打火，保证离子源运行的稳定性.虽然铯的注入量物理上可以通过铯的蒸气压及放电室的压力差计算出来，也可以通过光谱仪测量放电室里铯蒸气的浓度得到，但要在线同步控制铯的注入量并非易事.实际运行中，我们是通过铯注入量对等离子体放电的外在表现来实现铯注入量的间接控制.铯注入量主要对等离子体放电以下参数或波形有影响：（1）弧放电电压的大小（稳流工作模式）；（2）引出电流的大小（包括负氢束流和电子）；（3）负氢束流流强的大小；（4）负氢束流脉冲波形的形状和光滑度.原则上，除了最后一点以外，其他三个都可以用来作为铯注入量的反馈参数，实现铯的注入量闭环控制.图3 显示的是离子源输出的三种负氢束流脉冲波形，分别代表铯注入量不足、适量和过多的情况.如图3所示，当铯注入量不足时，负氢束流脉冲波形平顶会很不光滑，而当铯注入量过多时，脉冲内的负氢束流的大小会出现前高后低的现象.

图3 离子源输出的三种负氢束流脉冲波形（曲线1），从左至右分别代表铯注入量的不足、适量和过多三种情况

另外，针对加速器低占空比或单发模式下的调试、运行等特殊情况下，引出高压容易打火的问题，研制了一台新型的、具有双脉冲输出的引出电源.在进行物理调试及机器研究时束流损失通常会比较大，为了避免束流损失造成的设备损伤，加速器调试和机器研究需在低占空比（如1 Hz/100 μs）或单发模式下（降低束流的平均功率）进行.这时也是离子源引出电压最易出现打火或引出过流问题，原因是这时打在引出电极的束流（电子和负氢打在引出电极上的束流具有很好的清铯功能）平均量很小，引出电极此时很容易积铯，降低引出电极的耐压.为解决物理调试和机器研究时加速器低占空比或单发模式运行下的引出电压打火问题，我们研制了一种新型的双脉冲输出引出电源，该引出电源能够先后输出两个电压脉冲.如图4 所示，利用该电源的25 Hz、低电压（电压＜8 kV）、宽脉冲引出的束流，可以清除引出电极上的积铯.该脉冲束流因能量低，全部损失在LEBT 而不会进入RFQ，对下游加速器没有任何影响.而另一个正常的1 Hz、正常电压（14～17 kV）、窄脉冲引出的束流可以通过LEBT 进入到RFQ.当然，在100 kW束流功率运行（25 Hz/400 μs）时，如有需要，我们也会启用引出电源的除铯功能.

图4 利用新的引出电源，离子源可引出两个脉冲束流（曲线1），左边的是正常的束流脉冲，右边的是除铯脉冲，曲线2显示的是离子源的弧流脉冲波形

为了提高前端系统的稳定性，除了上述硬件上的改进，我们在软件方面也做了诸多改进和提高.第一，规范化离子源放电室的安装及更换步骤和流程，提高了离子源放电室的可靠性和一致性；第二，在控制上，我们设计了三个闭环控制程序分别用来控制铯蒸气的注入量、离子源的引出束流轨道及打靶束流功率.图5显示的是这三个闭环控制程序的操作界面.第一个闭环控制程序是离子源引出电压自动调节程序，该程序的功能是根据引出电流的大小自动调节引出电压的设定值，来确保负载电压的稳定和束流轨道稳定在中心位置.因为引出电源输出线路上串联电阻的存在（保证电源引出打火时的安全），引出电流的波动会改变串联电阻上的电压降从而导致负载电压的变化，为了保持负载电压和束流轨道稳定，这时就必须调节引出电压的设置值.

图5 前端系统的三个闭环控制程序操作界面

如图5 所示，引出电压的设定值的调节步长可以精确到0.05 kV.第二个闭环控制程序是LEBT SOLPS01（低能传输线1 号聚焦螺线管）电流自动调节程序.正如前面所述，目前离子源具有提供大于100 kW 束流功率的能力，多余的束流可以通过低能传输线安装的束流准直器刮除.调节低能传输线第一个螺线管励磁电流的大小，即可调节螺线管的聚焦，改变束流在束流准直器处包络的大小，从而改变束流准直器刮除束流的量，也即进入RFQ 束流大小，实现螺线管励磁电流和打靶束流功率的闭环控制和功率的锁定.操作界面中，打靶束流功率控制在100～101 kW 之间，螺线管励磁电流改变的步长为0.5 A.图6显示的是2021年4月2日—3日24小时的打靶束流功率曲线.从图6可以看出，打靶束流功率的稳定性非常好，这一天的运行效率也达到了98.97%.

图6 CSNS 24小时打靶束流功率图

第三个闭环控制程序是铯锅（或管道2）温度自动调节程序，利用引出负氢束流和引出电流的大小与铯蒸气的注入量即色温的相关性，根据CSNS 100 kW束流功率运行对引出负氢束流的实际需要（一般需要大于30 mA）以及引出电流上限（引出电流太大，容易导致引出电源的过流保护），自动调节铯锅（或管道2）的温度.CSNS 离子源的供铯系统如图7 所示，主要包括铯锅、铯传输管道1 和管道2.铯锅和管道1 位于真空外，外缠电加热丝及绝热玻璃带，并装有热偶测温.管道2 位于真空内，也是外缠电热丝并装有热偶测温.三者可以独立加热和测温.通常情况下，铯锅的温度为140～170oC，管道1和管道2的温度为260～280oC.在铯注入量适量的情况下，引出负氢束流的大小与铯的注入量（或温度）正相关，而引出电流则与铯的注入量（或温度）反相关（在不考虑漏电流的情况下）.但是，由于铯蒸汽在包括引出电极、引出电极陶瓷绝缘柱等上的沉积及积累，在放电室使用一段时间后，引出电流中的漏电流会占主导地位，这时引出电流与铯温正相关.如果前期铯的注入量没有严格控制好，引出高压打火及引出过流此时就很容易发生.在离子源的实际运行中，我们可根据离子源的运行状态选择铯锅的温度或管道2 的温度作为调节参数.图5控制界面显示的是选择管道2作为调节参数.管道2因为紧靠放电室，引出负氢束流的流强（表征为LEBTCT01）对管道2 的响应更加快速.LEBTCT01 是通过安装在离子源的出口、LEBT入口的束流变压器（CT01）测量得到的.这里最小LEBTCT01 设置值为33 mA，最大LEBTCT01 设置值为36 mA.当LEBTCT01 的值大于36 mA 时，程序会自动按照设定的温度调节步长（这里为0.5oC），在设定的降温调节时间间隔内（这里为600 s）降温；当LEBTCT01的值小于33 mA时，程序也会自动按照设定的温度调节步长（这里为0.5oC），在设定的升温调节时间间隔（这里为6×600 s）升温；因为铯的注入量有累积效应，所以选择的升温时间间隔更长.而当LEBTCT01 的值在33～36 mA 之间，保持色温不变.另外，为确保离子源运行的稳定性，程序还设置了最大引出电流（550 mA）和最小引出电流（300 mA）的安全范围，只有在设定的引出电流范围内，铯温才进行调节.自从启用铯温自动调节程序后，前端系统实现了电话（on-call）值班，既节省了人力，同时离子源的运行也更加稳定.尽管如此，对于不同放电室，铯温自动调节程序中的参数设定值也会不同，需要根据离子源的具体放电状态进行调整.

图7 CSNS离子源的供铯系统，包括铯锅、铯传输管道1及铯传输管道2

2 低能束流传输线（LEBT）

如图1 所示，LEBT 主要包括三个聚焦螺线管、两个双向导向铁、一套双缝扫描发射度测量仪、一个偏转板型静电预切束器及一个束流准直器.发射度测量仪安装在第一个螺线管下游LEBT 中间的位置.图8 显示的是束流强度为53 mA 时，由LEBT 发射度测量仪测得的束流发射度结果.测量结果表明，x 方向和y方向的归一化均方根发射度分别为0.892 πmm·mrad和0.742 πmm·mrad.在发射度0.2 πmm·mrad内，x方向和y方向的束流强度分别为15 mA和25 mA，基本满足CSNS一期对离子源束流强度的要求.显然，束流在两个方向的发射度并不是旋转对称的，这也正是LEBT 采用3 个螺旋管而非传统的2 个螺旋管的原因.理论和实验表明，采用3 个螺旋管可以将非旋转对称的束流转化为旋转对称束流，实现离子源束流与RFQ接收度的匹配.

图8 LEBT束流发射度测量结果：左侧上下两图分别显示的是流强为53 mA时x方向和y方向的发射度；右侧上下两图分别显示的是x方向和y方向不同发射度（相空间中面积）内所包含的流强大小

因为从离子源引出的负氢束流归一化均方根发射度约为0.8 πmm·mrad，大于RFQ 接收度0.2 πmm·mrad 的要求，在LEBT 未安装束流准直器的初始调试阶段，如图9 左所示，RFQ 的束流传输效率通常只有75%～88.5%（这里为86.5%），但RFQ出口的束流强度（MEBTCT01）可以高达30多毫安（这里为34.81 mA），远远大于CSNS 100 kW 打靶束流功率要求的12.5 mA 束流强度.为了提高RFQ 的束流传输效率，减少损失束流对RFQ 腔体损害的风险，我们在RFQ 入口、LEBT 末端的第三真空腔内安装了一个束流准直器，将发射度大于RFQ 接收度的束流刮除.有了束流准直器后，如图9（b）所示，RFQ 的束流传输效率提高到92%～97%之间.RFQ 出口束流强度越小，RFQ 束流传输线效率越高（这里束流强度为16.726 mA，传输效率为92.1%）.

图9 RFQ在有无束流准直器时的束流传输效率

如前所述，为了提高束流从直线加速器到RCS 的注入及加速效率，前端系统还需在低能传输线对脉宽为400 μs 的宏脉冲束流进行切束处理，把束流切成重复频率约为1 MHz，脉宽约为500 ns（根据需求可进行调整）的微束团.为此，我们在RFQ 入口、LEBT 的末端的第三真空腔内安装了一个偏转板型静电预切束器.之所以称之为预切束器，是因为切束后的束流，如果其上升沿/下降沿不满足要求，还需在MEBT 安装另一个切束器对束流上升沿/下降沿再切束，直至切束束流的上升沿/下降沿满足RCS 要求.预切束器安装在RFQ 的入口、LEBT 的末端，一方面，可以避免破坏束流在LEBT 的空间电荷中和效应，而空间电荷中和效应对减少束流在LEBT 传输的发射度增长非常重要［2-3］；另一方面，因为束流在RFQ入口为汇聚束，束流包络小，这样静电预切束器尺寸就小，其负载电容也小，切束束流的上升沿/下降沿也就小.为进一步减小偏转板型静电预切束器的负载电容，两块偏转板之间并非平行，而是让偏转板之间的间隙随汇聚束流包络的减小而减小，同时，偏转板的宽度也随包络变小而变小.这样就可以进一步减小切束器的负载电容及工作偏转电压，减小切束束流的上升沿/下降沿.但是，因为预切束器紧靠RFQ 的入口，切除的部分束流会损失在RFQ 加速器中，对RFQ 的运行稳定性产生影响.图10 显示的是重复频率为1 Hz、脉宽为100 μs宏脉冲束流经过切束后的测量结果.实验中，切束器将脉宽为100 μs的宏脉冲切成脉宽为500 ns、重复频率为1 MHz的微脉冲，切束率为50%.切束率可以根据实际运行需求进行优化调整.目前，在CSNS 100 kW打靶束流功率运行中，切束率经过优化后选择为43%，即切除的束流比例为43%.

图10 RFQ出口束流的BPM信号.上：切束后脉宽为500 ns的微脉冲；中：微脉冲束流上升沿约10～12 ns；下：微脉冲束流下降沿约10～12 ns

图10 显示的信号为RFQ 出口，由束流位置监视器（BPM）给出的束流信号.加载的切束电压为4.5 kV.理论上，只要加载的切束电压大于3.9 kV 即可彻底切除不需要的束流.但是加载的电压越大，切束束流的上升沿/下降沿就越小.从图10 可以看出，切束束流的上升沿/下降沿约为3～4 个射频（RF）脉冲周期.CSNS直线加速器的射频工作频率为324 MHz，一个RF周期的时间为3.086 ns.因此，切束束流的上升沿/下降沿约为10 ns，达到了此类切束器的世界最好水平.由于CSNS LEBT 预切束器完美的切束结果，MEBT 不再需要另外安装切束器，为MEBT 结构设计和束流物理的优化创造了有利条件.利用LEBT的静电切束器，前端系统可以提供丰富的出束模式，更好地服务于加速器的调试和研究，如单发模式、单束团模式、双束团模式以及各种脉宽和重复频率的束流模式.

3 射频四极加速器（RFQ）

CSNS RFQ 是一个集横向聚焦、纵向聚束及纵向加速于一身的四翼型射频加速结构，也是CSNS 加速器的第一个加速结构.RFQ将离子源产生的能量为50 keV的负氢束流加速至能量3.0 MeV.尽管CSNS一期100 kW 打靶束流功率只要求前端系统提供束流强度为15 mA、脉宽为400 μs、重复频率为25 Hz的脉冲束流，但考虑到CSNS二期升级的需要，RFQ 设计的脉冲束流强度选择为40 mA［4］，同时RFQ 腔体的冷却设计也是按CSNS二期的RF占空比进行的，RFQ设计的参数值如表2所示.

表2 CSNS RFQ的主要设计参数

正如前面所述，为了尽量减小预切束器的负载电容、切束电压及切束束流上升沿/下降沿，预切束器安装在RFQ 的入口、LEBT 末端的第三真空腔里.这就导致切除的束流部分损失在RFQ 加速腔内，造成RFQ 加速腔的慢损害及RFQ 的射频打火，影响RFQ 运行的稳定性.在CSNS初期的10 kW 打靶束流功率调试和运行期间，切除束流对RFQ 的稳定运行几乎毫无影响.但在2018 年5 月，随着CSNS 打靶束流功率提高到20 kW，切除束流对RFQ 的稳定影响越来越大，甚至到了RFQ 不能运行的程度，必须停束并进行RFQ 射频高功率老练，老练后运行方能继续下去.经过理论和实验分析，RFQ 打火原因聚焦在切除束流上.根据注入RFQ 的束流参数，理论热分析表明损失在RFQ 腔上的束流功率不可能融化RFQ 的金属铜电极，只能是束流打在电极上产生的溅射，损害了电极表面的光洁度，导致高功率下电极间的耐压不够而引起射频打火.为此，我们将预切束器绕束流方向旋转45°角重新安装，使切除的束流从RFQ 两个电极之间的间隙中进入RFQ 腔体，打在RFQ 的腔壁上.RFQ 腔壁处为RF 电磁场的磁场区，RF 电场几乎为零.这样即使RFQ 腔壁表面的光洁度变差，也不会引起RF 打火.同时，物理上通过调整LEBT 第三个螺旋管的聚焦，确保进入RFQ 束流的包络小于RFQ 电极之间的间隙；机械上通过调整RFQ 入口端板束流孔径的尺寸，限制进入RFQ 束流的包络，使包络小于RFQ 电极间的间隙.尽管如此，在加速器的实际运行中，由于从离子源引出束的束流参数波动，物理上很难百分百保证束流包络小于RFQ 电极间的间隙，仍有少量束流会打在RFQ 电极上，引起RFQ 的打火.因此，离子源的稳定性至关重要.加速器的实际运行表明，离子源运行越稳定，表征RFQ 打火的驻波比（SWR）保护次数就越少、RFQ 的运行也越稳定.

另外，在加速器100 kW 打靶束流功率的实际运行中，为减少RFQ 打火的次数，我们采取了更加智能的射频功率馈入模式，即当RFQ正常工作时，RFQ射频功率以正常的脉冲宽度500 μs，重复频率25 Hz的馈入模式进行.但RFQ 因打火发生驻波比保护时，RFQ 的低电平控制系统会及时地切断该脉冲剩余时间的功率馈入，同时暂停接下来的24个脉冲的功率馈入.同时，离子源也会暂停接下来的24脉冲的束流引出，即CSNS 系统会暂时停束1 s，然后自动恢复出束.这样做的优点是，避免了RFQ 打火时RFQ 腔体内真空的急促恶化，减小了打火对RFQ的损伤.

通过以上改进后，CSNS 100 kW打靶束流功率运行时RFQ的稳定性得到了很好的改善.RFQ每天24小时的驻波比保护次数长期稳定在约100～150 次的范围内，即RFQ 每天24 小时因为腔体打火而停束的故障时间约为100～150 s.

如表2 所示，RFQ 腔体的功率损耗为390 kW.物理上，RFQ 的馈入射频功率只需390 kW，就能在腔体内建立起所需要的电场强度.在RFQ的实际运行中，为了使RFQ束流传输效率更高，RFQ的馈入射频功率一直维持在400 kW.最近，为了进一步减少RFQ的驻波比保护次数，我们将RFQ的馈入功率从以前的400 kW降到393 kW，RFQ每天24小时的驻波比保护次数也相应下降到50次左右.

4 中能束流传输线（MEBT）

由于不需要安装切束器，MEBT 的结构设计及束流物理都很完美.MEBT 自2015 年开始调试运行以来，MEBT所有设备包括各种束测元件、2个聚束腔以及10块四极磁铁运行都基本正常.在MEBT测得的束流归一化均方根发射度在x 和y 方向皆约为0.23 πmm·mrad.MEBT 的束流传输效率也基本保持在100%，几乎没有损失.

5 前端系统运行状态

前端系统作为一个整体，在近三年（2018—2020 年）CSNS 运行中，其故障时间在所有分系统的排名基本都是名列三甲.图11 给出了前端系统近三年的故障时间统计及在所有分系统中的占比.前端系统的故障基本都集中在离子源和RFQ 上.离子源的故障时间分布比较复杂，主要集中在离子源放电室更换、起弧放电以及离子源的稳定性等方面.离子源放电室只有一个多月的寿命，需要及时定期更换.但是离子源放电室是否还能继续正常工作，很难判断.因为大多数情况下是放电室突然短路就没法正常工作了，需要立即更换新的放电室.而非计划性的更换放电室，所占的时间都算故障时间.如果在更换放电室的过程中出现纰漏，比如更换的新放电室不能正常放电（尽管在实验室一切正常），那么仅一次故障就会占去几十个小时的时间.2018 年和2019 年离子源的故障时间偏长就是这个原因.因为离子源稳定性问题造成的故障主要是铯的使用不当造成的，如引出高压打火、引出电流过流等.自从启用铯温自动调节程序以来，离子源的稳定性得到了很大的提高.RFQ 的故障时间基本都是因为RFQ 打火，需要长时间射频老练所耗费的时间.2019年RFQ 打火故障是因为加速器机器研究时，长时间启用96%的束流切束率，过多的切除束流损失在RFQ 腔体里，造成了RFQ 的损伤.2020 年的RFQ 故障主要因为离子源铯使用不当造成的束流不稳引起的RFQ 打火损伤.因此，必须确保离子源的稳定运行和离子源放电室的及时更换，才能将前端系统的故障时间降下来.当然，LEBT 束流切束方案的改进是解决RFQ 打火问题的根本.如何在保证切束束流上升沿/下降沿的前提下，将切除束流对RFQ的影响降到最低是关键.另外，我们也在开发新的负氢离子源——RF负氢离子源，该类型的离子源有更长的使用寿命［5］.

图11 前端系统近三年（2018—2020年）的故障时间统计及在所有分系统中的占比

6 结语

前端系统能够提供CSNS 100 kW打靶束流功率运行所需要的流强及RCS加速器注入需要的束流结构.离子源经过多次软硬件上的改进，尤其是铯温自动调节程序的启用，离子源的稳定性得到了很大的提高.LEBT 低能传输线束流准直器的使用提高了RFQ 的传输效率，安装在RFQ 入口的静电切束器在满足切束束流上升沿/下降沿的同时，也带来RFQ 打火的稳定性问题.通过调整静电切束器的安装角度及稳定注入RFQ束流包络，原则上可以解决RFQ的打火问题.目前情况下，离子源的稳定运行对RFQ的稳定运行至关重要.