[科普中國(guó)]-可變能量回旋加速器

概述

航天器在空間環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，暴露在銀河宇宙射線、太陽(yáng)宇宙射線、地磁俘獲帶等高能粒子環(huán)境下，這些高能粒子會(huì)射入航天器中的電子元器件，從而沉積大量能量，誘發(fā)各種輻射損傷效應(yīng)，如單粒子效應(yīng)、電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)等，其中，質(zhì)子的單粒子效應(yīng)是航天器在軌運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障的主要原因之一?？臻g輻射環(huán)境的地面模擬主要依靠加速器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)能量的粒子束進(jìn)行，為了準(zhǔn)確模擬地磁俘獲帶和太陽(yáng)宇宙射線中的質(zhì)子單粒子效應(yīng)，應(yīng)在中能區(qū)（200～400MeV）選擇多個(gè)能量點(diǎn)對(duì)器件進(jìn)行輻照。

早期建造的用于宇航器件測(cè)試的中能質(zhì)子加速器大多采用常溫磁鐵，使用降能器為用戶(hù)端提供可變能量束流，如IUCF 200 MeV加速器和TRIUMF 500 MeV加速器，若所需的可變能量范圍較大，降能器處會(huì)積累大量輻射劑量，不利于設(shè)備維護(hù)。剝離引出是實(shí)現(xiàn)連續(xù)變能量引出的有效方法，而超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用可明顯降低加速器的體積和造價(jià)，由于離子在強(qiáng)磁場(chǎng)下的洛倫茲剝離效應(yīng)，超導(dǎo)加速器剝離引出質(zhì)子只能通過(guò)加速離子來(lái)實(shí)現(xiàn)。意大利核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INFN）設(shè)計(jì)的SCENT300超導(dǎo)回旋加速器可將和離子加速到300 MeV/A，其中，離子在265 MeV/A處剝離引出，比利時(shí)IBA的C400加速器亦能在265 MeV/A處剝離引出質(zhì)子，這兩臺(tái)加速器僅考慮了單能質(zhì)子的引出?；谟詈狡骷y(cè)試的需求和中國(guó)原子能科學(xué)研究院串列加速器升級(jí)工程部剝離引出、束流動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)口的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一臺(tái)300 MeV/A 超導(dǎo)回旋加速器的主磁鐵的物理模型，并開(kāi)展剝離引出物理設(shè)計(jì)，研究該加速器中質(zhì)子軌跡與束流包絡(luò)隨剝離點(diǎn)位置的變化，依據(jù)質(zhì)子在加速器中轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)將引出過(guò)程分為一圈引出、兩圈引出和多圈引出，通過(guò)限定加速器內(nèi)部的束流包絡(luò)和引出開(kāi)關(guān)磁鐵的尺寸，使205～240 MeV、265～300 MeV兩個(gè)能量段的質(zhì)子經(jīng)不同的出束口引出，并對(duì)更低能量質(zhì)子、240～265 MeV能量段質(zhì)子的引出進(jìn)行初步研究。1

加速器的基本設(shè)計(jì)參數(shù)300 MeV/A 超導(dǎo)回旋加速器主磁鐵的設(shè)計(jì)包括確定基本參數(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)兩部分。加速器的主磁鐵為緊湊型結(jié)構(gòu)，采用超導(dǎo)線圈縮小體積，磁極為4葉螺旋扇形，半徑為133 cm，磁極間隙為5 cm，整機(jī)直徑為290 cm。加速腔安放在兩個(gè)相對(duì)的谷區(qū)，加速電壓在主磁鐵設(shè)計(jì)階段假定為恒定值70 kV。

加速器磁鐵的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足等時(shí)性和軸向聚焦的要求，并盡量避免共振線的穿越。經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代優(yōu)化后得到的加速器主要參數(shù)列于圖1，圖2為加速器主磁鐵1/8模型。在整個(gè)加速范圍內(nèi)參考粒子的積分滑相小于40°，工作點(diǎn)不在主要共振線處堆積，中能段共振造成的束流包絡(luò)增長(zhǎng)可忽略不計(jì)，主磁鐵的初步設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足引出軌道計(jì)算的要求。

主磁鐵設(shè)計(jì)時(shí)在磁極的外側(cè)添加了特定形狀的墊鐵以調(diào)整局部磁場(chǎng)分布，目的是使各能量離子的平衡軌道向外移，從而更利于能量較低的質(zhì)子引出。模擬結(jié)果表明，減小螺旋角可使剝離后質(zhì)子的軌跡與磁極谷區(qū)更匹配，能顯著降低引出質(zhì)子的最低能量并改善束流包絡(luò)。

盡管減小螺旋角會(huì)使軸向振蕩頻率減小，從而使工作點(diǎn)穿過(guò)徑向振蕩頻率共振線，但在圖3所示的工作點(diǎn)快速穿越共振線的情況下，共振的影響可忽略不計(jì)。1