針對單粒子效應測試對質子束能量的要求，中國原子能科學研究院設計了一台超導回旋加速器，該加速器使用超導線圈實現主磁鐵小型化，剝離引出H手離子獲得可變能量的質子束。通過調節剝離點位置和分析剝離後質子的軌跡與束流包絡，對該加速器引出過程的束流動力學進行了研究，完成了引出過程的物理設計。結果表明，此台加速器可在205～240 MeV、265～300 MeV內連續變能量引出質子，在更低能量範圍內有單能量點引出質子的能力。
基本介紹
- 中文名：可變能量回旋加速器
- 外文名：variable energy cyclotron
- 套用學科：能源工程
- 範疇：工程技術
概述,加速器的基本設計參數,
概述
太空飛行器在空間環境中運行時，暴露在銀河宇宙射線、太陽宇宙射線、地磁俘獲帶等高能粒子環境下，這些高能粒子會射入太空飛行器中的電子元器件，從而沉積大量能量，誘發各種輻射損傷效應，如單粒子效應、電離總劑量效應、位移損傷效應等，其中，質子的單粒子效應是太空飛行器在軌運行時發生故障的主要原因之一。空間輻射環境的地面模擬主要依靠加速器產生對應能量的粒子束進行，為了準確模擬地磁俘獲帶和太陽宇宙射線中的質子單粒子效應，應在中能區（200～400MeV）選擇多個能量點對器件進行輻照。
早期建造的用於宇航器件測試的中能質子加速器大多採用常溫磁鐵，使用降能器為用戶端提供可變能量束流，如IUCF 200 MeV加速器和TRIUMF 500 MeV加速器，若所需的可變能量範圍較大，降能器處會積累大量輻射劑量，不利於設備維護。剝離引出是實現連續變能量引出的有效方法，而超導技術的套用可明顯降低加速器的體積和造價，由於
離子在強磁場下的洛倫茲剝離效應，超導加速器剝離引出質子只能通過加速
離子來實現。義大利核物理國家實驗室（INFN）設計的SCENT300超導回旋加速器可將
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IBA的C400加速器亦能在265 MeV/A處剝離引出質子，這兩台加速器僅考慮了單能質子的引出。基於宇航器件測試的需求和中國原子能科學研究院串列加速器升級工程部剝離引出、束流動力學設計口的經驗，設計一台300 MeV/A 超導回旋加速器的主磁鐵的物理模型，並開展剝離引出物理設計，研究該加速器中質子軌跡與束流包絡隨剝離點位置的變化，依據質子在加速器中轉過的圈數將引出過程分為一圈引出、兩圈引出和多圈引出，通過限定加速器內部的束流包絡和引出開關磁鐵的尺寸，使205～240 MeV、265～300 MeV兩個能量段的質子經不同的出束口引出，並對更低能量質子、240～265 MeV能量段質子的引出進行初步研究。
加速器的基本設計參數
300 MeV/A 超導回旋加速器主磁鐵的設計包括確定基本參數與最佳化設計兩部分。加速器的主磁鐵為緊湊型結構，採用超導線圈縮小體積，磁極為4葉螺旋扇形，半徑為133 cm，磁極間隙為5 cm，整機直徑為290 cm。加速腔安放在兩個相對的谷區，加速電壓在主磁鐵設計階段假定為恆定值70 kV。
加速器磁鐵的設計需滿足等時性和軸向聚焦的要求，並儘量避免共振線的穿越。經過反覆疊代最佳化後得到的加速器主要參數列於圖1，圖2為加速器主磁鐵1/8模型。在整個加速範圍內參考粒子的積分滑相小於40°，工作點不在主要共振線處堆積，中能段共振造成的束流包絡增長可忽略不計，主磁鐵的初步設計能滿足引出軌道計算的要求。
圖1
圖2主磁鐵設計時在磁極的外側添加了特定形狀的墊鐵以調整局部磁場分布，目的是使各能量離子的平衡軌道向外移，從而更利於能量較低的質子引出。模擬結果表明，減小螺旋角可使剝離後質子的軌跡與磁極谷區更匹配，能顯著降低引出質子的最低能量並改善束流包絡。
圖3儘管減小螺旋角會使軸向振盪頻率
減小，從而使工作點穿過徑向振盪頻率
共振線，但在圖3所示的工作點快速穿越共振線的情況下，共振的影響可忽略不計。
