交叉指型磁模漂移管重离子直线加速器设计.pdf

交叉指型磁模漂移管重离子直线加速器设计马鹏飞1,2,3,4,岳灿彬2,3,4,王百川1,周 浩2,3,4,杜畅通2,3,4,郑曙昕2,3,4,邢庆子2,3,4,关遐令2,3,4,王学武2,3,4,王忠明1(1.强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室,西安7 1 0 0 2 4;2.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室;3.清华大学 先进辐射源及应用实验室;4.清华大学 工程物理系:北京1 0 0 0 8 4)摘 要:西安2 0 0 M e V质子应用装置(X i P A F)的质子同步环改造为质子重离子同步环的需求,采用将电磁四极磁铁安装在漂移管内部的设计方案,完成了1台2 M e V/u的交叉指型磁模漂移管直线加速器(i n t e r d i g i t a l H-m o d e d r i f t t u b e l i n e a r a c c e l e r a t o r,I H-D T L)的物理设计和机械设计。建立了使用腔内聚焦 散焦周期结构进行横向强聚焦,常规负相位用于纵向聚束的1套动力学设计方法,实现对多种离子的加速,并能在获得较高束流传输效率的同时保持较低的束流发射度增长。D T L动力学计算结果表明:该I H-D T L可将峰值电流强度为5 0 eA的B i3 2+离子从0.4 M e V/u加速到2 M e V/u,传输效率为9 9%,横向归一化均方根发射度增长小于1 0%,可用于加速荷质比在1/21/6.5范围内的重离子。关键词:漂移管直线加速器;交叉指型磁模;电磁四极磁铁;动力学设计;束流传输效率;发射度增长中图分类号:T L 5 6;O 5 7 2 文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 4.0 1 0 4 0 6D e s i g n o f H e a v y-I o n L i n e a r A c c e l e r a t o r U s i n g a n I n t e r d i g i t a l H-M o d e D r i f t T u b e MA P e n g f e i1 2 3 4 YU E C a n b i n2 3 4 WANG B a i c h u a n1 Z HOU H a o2 3 4 DU C h a n g t o n g2 3 4 Z HE NG S h u x i n2 3 4 X I NG Q i n g z i2 3 4 GUAN X i a l i n g2 3 4 WANG X u e w u2 3 4 WANG Z h o n g m i n g1 1 N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f I n t e n s e P u l s e d R a d i a t i o n S i m u l a t i o n a n d E f f e c t X i a n 7 1 0 0 2 4 C h i n a 2 K e y L a b o r a t o r y o f P a r t i c l e&R a d i a t i o n I m a g i n g M i n i s t r y o f E d u c a t i o n 3 L a b o r a t o r y f o r A d v a n c e d R a d i a t i o n S o u r c e s a n d A p p l i c a t i o n T s i n g h u a U n i v e r s i t y 收稿日期:2 0 2 3 0 3 1 7;修回日期:2 0 2 3 0 5 1 0基金项目:强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室基金资助项目(S K L I P R 2 0 0 1);国家自然科学基金资助项目(1 1 9 7 5 1 3 8)通信作者:邢庆子(1 9 7 6-),男,河南息县人,副教授,博士,主要从事质子重离子直线加速器物理及工程研究。E-m a i l:x q z t s i n g h u a.e d u.c n4 D e p a r t m e n t o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s T s i n g h u a U n i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 C h i n a A b s t r a c t T o m e e t t h e n e e d s o f u p g r a d i n g t h e p r o t o n s y n c h r o t r o n i n t o a p r o t o n a n d h e a v y-i o n s y n c h r o t r o n i n X i a n 2 0 0 M e V P r o t o n A p p l i c a t i o n F a c i l i t y X i P A F p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l d e s i g n o f a 2 M e V u i n t e r d i g i t a l H-m o d e d r i f t t u b e l i n e a r a c c e l e r a t o r I H-D T L w i t h a n e l e c t r o m a g n e t i c q u a d r u p o l e m a g n e t m o u n t e d i n s i d e t h e d r i f t t u b e i s c o m p l e t e d A d y n a m i c s d e s i g n m e t h o d i s e s t a b l i s h e d w i t h t h e i n s i d e-c a v i t y f o c u s i n g-d e f o c u s i n g l a t t i c e p r o v i d i n g t h e s t r o n g t r a n s v e r s e f o c u s i n g a n d c o n v e n t i o n a l n e g a t i v e-p h a s e a c c e l e r a t i o n p r o v i d i n g t h e l o n g i t u d i n a l b u n c h i n g M u l t i p l e s p e c i e s o f i o n s c a n b e a c c e l e r a t e d w i t h a h i g h 1-604010第1 5卷 第1期2 0 2 4年2月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 5,N o.1F e b.2 0 2 4b e a m t r a n s m i s s i o n r a t e a n d a l o w e m i t t a n c e g r o w t h T h e d y n a m i c s c a l c u l a l t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e B i3 2+i o n b e a m w i t h a p e a k c u r r e n t o f 5 0 eA c a n b e a c c e l e r a t e d f r o m 0 4 M e V u t o 2 M e V u w i t h a b e a m t r a n s m i s s i o n r a t e o f 9 9%a n d t r a n s v e r s e n o r m a l i z e d r o o t-m e a n-s q u a r e RM S e m i t t a n c e g r o w t h s l e s s t h a n 1 0%T h e h e a v y i o n s w i t h a c h a r g e-t o-m a s s r a t i o f r o m 1 6 5 t o 1 2 c a n b e a c c e l e r a t e d b y t h e d e s i g n e d D T L K e y w o r d s d r i f t t u b e l i n e a r a c c e l e r a t o r i n t e r d i g i t a l H-m o d e e l e c t r o m a g n e t i c q u a d r u p o l e d y n a m i c s d e s i g n b e a m t r a n s m i s s i o n r a t e e m i t t a n c e g r o w t h 重离子加速器是产生重离子束的重要装置之一,在材料科学、环境科学、粒子物理及核物理等前沿学科有广阔的应用前景1。重离子同步加速器是一种使重离子在特定的环形轨道上获得能量的环形粒子加速器2,由于其产生的重离子能量可在几M e V/u到几百M e V/u(M e V/u表示每个原子核能量)范围内调节且能散很小3,可用于空间辐照效应和重离子治疗等领域。重离子同步加速器需要低能(2 M e V/u)的加速器作为注入器。目前,国内外重离子同步加速器的低能注入器装置主要由射频四极(r a d i o f r e q u e n c y q u a d r u p o l e,R F Q)加速器4将重离子加速到1 0 06 0 0 k e V/u,然后采用漂移管直线加速器(D T L)4或四分之一波长谐振腔(q u a r t e r w a v e r e s o n a t o r,QWR)5将重离子加速到更高能量注入到同步加速器中。常温D T L多采用A l v a r e z型或交叉指型磁模(I H)结构。A l v a r e z型D T L腔体内悬挂有一系列漂移管,工作模式采用TM0 1 0,在漂移管内电场被屏蔽,两个相邻漂移管之间的间隙有纵向电场,束流在每个间隙中依次得到持续加速。I H-D T L腔体采用的是一种T E1 1 1(横电)模式的电磁场分布。在这种模式中,磁场主要沿着束流方向,而电场则垂直于束流方向,在束流经过的轴线附近,腔体中的漂移管和支撑杆将横向电场改变为纵向电场,从而加速带电粒子。与A l v a r e z型D T L相比,I H-D T L用于注入器中主要优点包括:(1)I H-D T L具有更高的加速梯度,减小了加速器的长度;(2)I H-D T L在加速低速(相对论速度0.1)离子时,单位长度分流阻抗比A l v a r e z D T L高很多,降低了对射频(R F)功率源的功率要求,从而降低了功率源的造价和装置的运行费用;(3)在同等工作频率下,I H-D T L的横向尺寸更小。目前国际上I H-D T L的动力学方案多采用组合零度相位结构(KONU S)6动力学或交变相位聚焦(a l t e r n a t i n g-p h a s e f o c u s i n g,A P F)7的动力学方案,KONU S动力学中主要采用三单元四极磁铁进行横向聚焦,而A P F动力学中主要采用加速间隙中的横向电场进行横向聚焦。I H-D T L的动力学方案的选择需要根据重离子同步加速器对注入束流的需求来确定。注入束流的横纵向发射度应在环的横纵向接受度范围内。一般注入在水平方向注入,注入水平发射度越低,注入增益(注入总粒子数与每圈注入粒子数之比)越高,环内贮存的粒子也越多。故为提高环内贮存的粒子数,需降低注入束流的水平发射度、提高单次注入的粒子数,进而需要设计低发射度增长、高传输效率的D T L。此外,对于不同荷质比的粒子,它们所需的横向聚焦力也不同,因此需要采用聚焦强度可以调节的电磁场满足不同的横向聚焦要求。由于采用KONU S动力学的D T L在腔体内安装使用三单元四极磁铁,可保证D T L有较小的发射度增长及较高的传输效率,但其接受度较低,对误差相对敏感。采用A P F动力学的D T L采用电场聚焦,聚焦强度较弱,束流发射度增长多数大于2 0%。对于速度相同但荷质比小的重离子所需的横向聚焦电场更强,故A P F动力学不适用于要求发射度增长小且荷质比小的重离子加速器。在I H-D T L腔 内 使 用 带 有 电 磁 四 极 磁 铁(e l e c t r o m a g n e t i c q u a d r u p o l e m a g n e t,EMQ)的I H-EMQ动 力 学 方 案 最 先 由 俄 罗 斯 联 合 核 研 究 所(J I N R)8提出,设计中单个腔体内仅有一个EMQ,后来由美国J e f f e r s o n实验室(J l a b)拓展到腔内有多个EMQ的结构9,能保证D T L有大的束流接受度和较高的传输效率。本文采用I H-D T L腔内使用EMQ的I H-EMQ动力学设计方法,使用腔内聚焦-散焦周期结构对束流进行横向强聚焦,使用常规负相位加速用于纵向聚束,并将此方法应用到X i P A F重离子升级工程的D T L设计中。X i P A F装置主要用于空间质子单粒子效应(s i n g l e e v e n t e f f e c t s,S E E)的地面模拟试验,质子束流已经出束并开始开展用户实验1 0。目前正在考虑将质子同步环改造为质子、重离子同步环1 1,从而扩展装置的应用范围,满足包括质子及2-604010 马鹏飞 等:交叉指型磁模漂移管重离子直线加速器设计第1期H e+,C4+,S i8+,A r1 1+,K r1 8+,B i3 2+等重离子单粒子效应的需求。1重离子直线注入器D T L设计需求X i P A F拟改造的质子/重离子同步环采用多圈注入及三阶共振慢引出方式。实验站靶上重离子束流设计指标为:辐照面积最大为3 c m3 c m时,离子注量率在1 01 05 c m-2s-1范围内可调;离子辐照在空间上不均匀性好于1 0%,离子辐照在时间上均匀(直流或准直流)。由于粒子涵盖不同荷质比,考虑具有最小荷质比为1/6.5的2 0 9B i3 2+离子作为本文的设计目标粒子。为达到辐照面积3 c m3 c m上注量率为11 05 c m-2s-1,取环到靶束流输运线(R T B T)的传输效率为3 0%,同步环引出效率为6 0%,俘获加速效率为4 0%,束流寿命占比为6 0%,同步环重频周期为3 s,则注入完贮存的流强要求为每次脉冲粒子数为6.2 51 07。取注入能量为2 M e V/u,假 设 同 步 环 水 平 接 受 度 为2 0 0 mmm r a d,离子数增益为1 0,则注入点需注入的流强为1 7.0 eA。基于以上分析,提出了重离子直线注入器出口(同步环注入点处)的束流要求:重离子荷质比为1/21/6.5;束流注入流强不小于1 7 eA,且束流要求水平和垂直方向非归一化发射度(9 9%粒子)均不大于1 6 mmm r a d,动量分散dp/p(含抖动)小于0.3%,且均方根值小于0.1%。基于以上要求,提出了重离子I H-D T L设计参数要求如表1所列。D T L下游的散束器可用于减少动量分散,光阑可进行刮束以减小横向发射度。因此要求D T L出口的动量分散小于1%,出口的束流发射度与注入点的要求相同,对应水平和垂直方向归一化发射度(9 9%粒子)均不大于1.0 mmm r a d。D T L入口选取的不同重离子的峰值流强是基于调研电子回旋共振(e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e,E C R)重离子源后确定的结果。重离子直线注入器布局如图1所示。重离子直线注入器包括重离子源头、低能束流输运线(l o w e n e r g y b e a m t r a n s p o r t,L E B T),R F Q,I H-D T L及直线环 束 流 输 运 线(l i n a c-r i n g b e a m t r a n s p o r t,L R B T)。考虑到离子源归一化均方根(RM S)发射度为0.1 5 mmm r a d,L E B T和R F Q中束流有约2 0%的发射度增长,再根据表1对发射度的要求,I H-D T L中水平发射度的增长要小于1 1%,这对D T L提出了低发射度增长的设计要求。表1重离子I H-D T L设计参数要求T a b.1 D e s i g n p a r a m e t e r s o f t h e h e a v y-i o n I H-D T LP a r a m e t e rV a l u eI o n s p e c i e s4H e+2 0 9B i3 2+C h a r g e-t o-m a s s r a t i o1/21/6.5I n p u t b e a m e n e r g y/(M e V/u)0.4O u t p u t b e a m e n e r g y/(M e V/u)2.0R F f r e q u e n c y/MH z1 0 8R e p e t i t i o n r a t e/H z0.10.5B e a m p u l s e w i d t h/s6 01 0 0I n p u t p e a k c u r r e n t/eA1 0 0(4H e+),2 0 0(1 2C4+)5 0(2 8S i8+,2 0 9B i3 2+)8 0(4 0A r1 1+,8 4K r1 8+)B e a m t r a n s m i s s i o n r a t e/1 0-29 5O u t p u t n o r m a l i z e d e m i t t a n c e(9 9%p a r t i c l e s)/(mmm r a d)1.0 O u t p u t m o m e n t u m s p r e a d/1 0-21图1重离子直线注入器布局F i g.1 L a y o u t d i a g r a m o f t h e h e a v y-i o n l i n e a r i n j e c t o r3-604010第1 5卷现 代 应 用 物 理2I H-EMQ动力学设计方法为降低横向发射度的增长,且满足加速不同荷质比粒子的需求,采用I H-EMQ的动力学方案,即将EMQ安 装 在 漂 移 管(D T)内 部,在 相 邻 两 个EMQ之间有多个加速间隙,在纵向上采用常规负相位加速。内部有EMQ的漂移管称为电磁漂移管,其余为无磁漂移管。I H-D T L由多个周期聚焦结构(l a t t i c e)组成。图2为重离子I H-D T L腔体周期聚 焦 结 构 示 意 图,其 模 型 可 由 一 系 列 薄 间 隙(t h i n-g a p,T G)、薄四极磁铁和漂移段组成。由于加速间隙有横向聚散焦效果,加速间隙不能单纯视为漂移段。从一个漂移管的中心开始,到下一个漂移管的中心结束,定义为一个单元(c e l l)。图2重离子I H-D T L腔体周期聚焦结构示意图F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e l a t t i c e f o r t h e h e a v y-i o n I H-D T L c a v i t y采用I H-EMQ动力学方案的D T L束流动力学设计过程及其迭代如图3所示。由图3可见,该方案主要包括l a t t i c e设计、电磁场(EM)设计和计算及束流动力学模拟 1 23个主要步骤。图3采用I H-EMQ动力学方案的D T L束流动力学设计过程F i g.3 B e a m-d y n a m i c s d e s i g n p r o c e s s f o r D T L w i t h I H-EMQ d y n a m i c s L a t t i c e设计中采用无空间电荷效应的传输矩阵进行束流输运计算,可以假设加速梯度为常数从而给出初始加速间隙电压分布。根据加速间隙电压分布和同步相位,给出c e l l设计结果和四极磁铁梯度设计结果。EM设计中采用3维电磁场仿真软件C S T进行电磁场的计算,包括c e l l、磁铁和整个腔体的EM计算。其中通过单个c e l l的EM计算得到打火系数(K i l p a t r i c k因子)和渡越时间因子,基于l a t t i c e和c e l l设计结果可对整腔进行建模。EM设计的目标是确保整腔模型EM计算得出的加速间隙电压与l a t t i c e设计中的设计值的相对偏差小于2%,这需要对腔体的几何结构进行优化以及使用调谐器进行调场。通过对整腔模型的EM计算,可得到整腔的加速间隙电压分布和腔体功耗。束流动力学模拟计算包括基于纵向网格模型的传输矩阵束流动力学(b e a m d y n a m i c s w i t h t r a n s f e r m a t r i x b a s e d o n t h e l o n g i t u d i n a l g r i d m o d e l,B T G)计算1 3和多粒子(MP)模拟。B T G计算基于T G模型,将入口束流的纵向相空间划分网格,用传输矩阵计算不同网格的束流输运并叠加,可在l a t t i c e设计之后快速计算发射度增长。MP模拟基于T G模型或场分布(FM)模型,可利用T r a c e W i n程序实现。其中,基于FM模型的MP模拟可验证基于T G模型的MP模拟计算的准确性。如果基于FM模型和基于T G模型的MP模拟二者结果一致并满足设计要求,则完成设计;否则,则通过EM计算和MP束流动力学模拟给出的同步相位、渡越时间因子和加速间隙电压分布作为l a t t i c e设计的修正输入条件,进行下一轮迭代。由于重离子的荷质比不同,在设计中,按照荷质比最小的B i3 2+离子进行I H-D T L的设计。3I H-EMQ动力学设计过程及结果3.1单c e l l设计在进行l a t t i c e设计之前需要进行单c e l l的参数设计,提供渡越时间因子。I H-D T L单c e l l结构如图4所示。单c e l l结构从一个漂移管的中心开始,到下一个漂移管中心结束,纵向长度为L,加速间隙长度为l,上下两个脊的夹角为。单c e l l设计目标是提高有效分流阻抗、降低最大表面电场Ep与平均加速电场E0的比及降低束流轴线上垂直方向电场Ey与 纵 向 电 场Ez最 大 值 的 比。在 相 同 的4-604010 马鹏飞 等:交叉指型磁模漂移管重离子直线加速器设计第1期K i l p a t r i c k因子下,较小的Ep/E0可得到较大的加速梯度,从而使加速结构更加紧凑。图4 I H-D T L单c e l l结构F i g.4 S i n g l e c e l l s t r u c t u r e f o r t h e I H-D T L在其他参量不变的情况下,分流阻抗随的增加或漂移管外径减小而升高。但增大时支撑杆厚度会减小,综合考虑分流阻抗与机械结构强度,选取为2.5 r a d。漂移管外径越小,要求束流包络也更小,此时束流损失增大。无磁漂移管外半径ro随粒子相对论速度的变化关系如图5所示。电磁漂移管内部有EMQ,为方便加工,外半径选取8 4 mm不变。图5 I H-D T L无磁漂移管外半径ro随的变化关系F i g.5ro v s.为降低Ey分量的影响,采用带偏心结构的漂移管,漂移管外圆和内孔轴线之间在垂直y方向偏离2 mm。l/L在0.20.3时,l/L的增大对有效分流阻抗和Ep/E0影响比较小,但Ey/Ez会显著增大,因此取l/L=0.2 2 5。基于以上参数,计算得到I H-D T L单c e l l单 位 长 度 有 效 分 流 阻 抗Z T2,Ep/E0,Ey与Ez最大值的比Ey,m a x/Ez,m a x随的变化关系如图6所示。图6 I H-D T L单c e l l单位长度有效分流阻抗Z T2,Ep/E0,Ey,m a x/Ez,m a x随的变化关系F i g.6Z T2,Ep/E0,Ey,m a x/Ez,m a x v s.3.2L a t t i c e设计I H-D T L中发射度增长的主要原因是不同纵向相空间位置的束流受到不同的横向聚焦力,为实现低发射度增长的目标,需要对I H-D T L整体进行优化,优化的结构包括两个相邻四极磁铁之间的加速间隙数目Ng a p、加速相位和加速间隙电压。假设l a t t i c e入口处的束流归一化RM S发射度为0.2 mmm r a d,E0=5 MVm-1,加 速 相 位s=-2 0,G Le f f=4.8 T(G为四极磁铁梯度,Le f f为四极磁铁有效长度)。图7为不同Ng a p的匹配束流RM S半径rb随的变化关系。在设计过程中根据rb2.6 mm确定Ng a p1 2。图7不同Ng a p的匹配束流RM S半径rb随的变化关系F i g.7rb v s.i n d i f f e r e n t Ng a p由于选取的Ng a p有变化,在Ng a p跳变位置,容易造成束流的不匹配以及发射度增长,通过调节E0,S,G Le f f加速和聚焦参数,可以降低束流的归一化RM S发射度。图8为l a t t i c e优化前后的同步相位和加速间隙电压分布。由图8可见,主要优化在0.52 m和2.53 m的位置。l a t t i c e入口处选用3个相位为-6 0 的加速间隙与R F Q加速器进行5-604010第1 5卷现 代 应 用 物 理纵向匹配聚束。R F Q和D T L之间没有聚束器,仅使用一个带校正线圈的四极磁铁。为增强纵向聚束,在l a t t i c e 12 m内相位选取-3 0;为防止电压过大导致横向散焦力过大,在l a t t i c e 12 m内选取略低的加速间隙电压;在l a t t i c e 2.53 m内由于粒子速度提高,采用了更大的加速相位和偏大的加速间隙电压,用于提高加速效率。图8 L a t t i c e优化前后同步相位和有效间隙电压的分布F i g.8 D i s t r i b u t i o n o f t h e s y n c h r o n o u s p h a s e a n d e f f e c t i v e g a p v o l t a g e b e f o r e a n d a f t e r l a t t i c e o p t i m i z a t i o n根据优化结果,同时考虑为加工方便,将8个电磁漂移管分为三类不同设计,积分梯度场分别为4.8,4.4,4.0 T1 4。3.3整腔EM计算根据单c e l l和l a t t i c e设计结果及有效间隙电压要求,可给出I H-D T L整腔模型结构。腔内一共有4 4个 加 速 单 元,8个 电 磁 四 极 磁 铁,腔 体 总 长3.8 m。图9为I H-D T L整腔电场剖视图。整腔功耗为3 9 0 kW,整腔无载品质因数为1 9 0 0 0,最大表面电场强度为2 2.9 MVm-1(1.9 6 K p),出现在第8个c e l l和第1 1个c e l l的无磁漂移管外径处。图9 I H-D T L整腔电场剖视图F i g.9 S e c t i o n v i e w o f e l e c t r i c f i e l d i n s i d e t h e w h o l e c a v i t y o f t h e I H-D T L为验证通过1 1个调谐器是否可将加速间隙电压控制在设计值(l a t t i c e设计)的2%范围内,对机械设计的模型进行模拟调场。加速间隙电压通过整腔模型EM计算得到,根据加速间隙电压和目标值的差异,求解加速间隙电压随调谐器变化的J a c o b i矩阵,得到调谐器插入腔体的深度,然后在模型中改变调谐器插入深度进行迭代调场。整腔EM设计调场结果如图1 0所示。由图1 0(b)可见,调场完成后EM计算得到的加速间隙电压值与设计值的相对偏差可小于1%。(a)E f f e c t i v e g a p v o l t a g e w i t h t h e g a p n u m b e r(b)R e l a t i v e d e v i a t i o n b e t w e e n t h e EM c a l c u l a i o n a n d l a t t i c e d e s i g n图1 0整腔EM设计调场结果F i g.1 0 W h o l e-c a v i t y EM c a l c u l a t i o n r e s u l t a f t e r t u n i n g3.4束流动力学计算束流 动 力 学 计 算 从R F Q的 入 口 处 计 算 到I H-D T L出口处。R F Q加速器的动力学设计参见文献1 3。R F Q入口处的2 0 9B i3 2+束流峰值流强取为6 0 eA,x和y方向束流归一化RM S发射度均选取为0.1 5 mmm r a d,宏粒子数选取为1 05。动力学计算结果表明,R F Q束流传输效率为9 8.8%,R F Q出口x和y方向束流归一化RM S发射度分别为0.1 5 2,0.1 5 1 mmm r a d。图1 1为I H-D T L优 化 前 后 腔 内 束 流 归 一 化RM S发射度随D T L轴向位置的变化关系。由图1 1可见:D T L出口束流归一化RM S发射度在x方向由0.1 9 4 mmm r a d 降低至0.1 5 5 mmm r a d,y方向由0.1 7 8 mmm r a d降低为0.1 6 mmm r a d,水平发射度降低了2 0%;B T G计算方法和基于T G模型的MP模拟结果吻合较好。优化后束流在I H-6-604010 马鹏飞 等:交叉指型磁模漂移管重离子直线加速器设计第1期D T L中x,y方向的发射度增长分别为3%,7%。基于I H-EMQ动力学的I H-D T L设计参数如表2所列。(a)B e f o r e o p t i m i z a t i o n(b)A f t e r o p t i m i z a t i o n图1 1 I H-D T L优化前后腔内束流归一化RM S发射度随D T L轴向位置的变化F i g.1 1 T r a n s v e r s e n o r m a l i z e d RM S e m i t t a n c e v s.l o n g i t u d i n a l p o s i t i o n i n t h e I H-D T L c a v i t y b e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o n表2基于I H-EMQ动力学的I H-D T L设计参数T a b.2 D e s i g n p a r a m e t e r s o f t h e h e a v y-i o n I H-D T LP a r a m e t e rV a l u eI n p u t b e a m e n e r g y/M e V/u0.4I n p u t n o r m a l i z e d RM S e m i t t a n c e/(mmm r a d)0.1 5 2(x),0.1 5 1(y)O u t p u t b e a m e n e r g y(M e V/u)2O u t p u t b e a m m o m e n t u m s p r e a d(9 9%p a r t i c l e s)/1 0-20.6O u t p u t n o r m a l i z e d RM S e m i t t a n c e/(mmm r a d)0.1 5 7(x),0.1 6 0(y)B e a m t r a n s m i s s i o n/1 0-21 0 0Q u a l i t y f a c t o r1 9 0 0 0D i s s i p a t e d R F p e a k p o w e r/k W3 9 0T o t a l c a v i t y l e n g t h/m3.8T o t a l g a p n u m b e r4 4Z T2/(Mm-1)8 7P e a k s u r f a c e e l e c t r i c f i e l d2.0 K p图1 2为R F QG e n程序模拟得到的R F Q出口的束流相空间分布,该束流作为D T L束流动力学模拟的输入束流。图1 3为基于FM模型的MP模拟得到的I H-D T L最后一个磁铁出口的束流相空间分布。与基于T G模型的MP模拟结果相比,束流在横向平面(x-x)和(y-y)平面内的失配因子1 5分别仅为1 0%和7%,二者结果比较接近。(a)x-x(b)y-y(c)z-pp图1 2 R F Q G e n程序模拟得到的R F Q出口束流相空间分布(2 0 9B i3 2+)F i g.1 2 P h a s e s p a c e d i s t r i b u t i o n o f b e a m a t t h e R F Q e x i t s i m u l a t e d b y t h e R F Q G e n c o d e(2 0 9B i3 2+)7-604010第1 5卷现 代 应 用 物 理(a)x-x(b)y-y(c)z-pp图1 3基于F M模型的M P模拟得到的I H-D T L最后一个磁铁出口的束流相空间分布(2 0 9B i3 2+)F i g.1 3 P h a s e s p a c e d i s t r i b u t i o n o f b e a m a f t e r t h e l a s t q u a d r u p o l e o f t h e I H-D T L b y t h e M P s i m u l a t i o n b a s e d o n t h e F M m o d e l(2 0 9B i3 2+)4偏差分析为评估设计完成的I H-D T L工作稳定性对其进行整体偏差分析。整体偏差分析主要考虑I H-D T L入口束流、四极磁铁和R F场相关参数的偏差,具体如表3所列。使用T r a c e W i n模拟3 0 0 0次均匀随机偏差分布下的算例,图1 4为T r a c e W i n计算I H-D T L的束流传输效率和出口束流横向发射度的累积分布函数。对于每个特定的算例,通过调整D T L和R F Q之间的校正线圈电流强度校正束流轨道并减少束流损失。由图1 4可见,束流传输效率大于9 7.6%的概率高于9 5%,水平和垂直方向非归一化发射度(