高能同步加速器

同步加速器因可提供高能、連續、穩定脈衝等高品質的粒子束流而在航天、生物、材料及粒子治療等領域廣泛使用。我國此類專用同步加速器的研究建設開展較晚，僅有少數幾台在建設中。此類同步加速器的建設通 常受限於經費和場地，因此，其設計要求高性能的同時需滿足小型化布局，以儘可能地降低成本、節省空間，這裡稱其為高能同步加速器。

基本介紹

• 中文名：高能同步加速器
• 外文名：High Energy Synchrotron
• 套用學科：能源工程
• 範疇：工程技術

產品簡介

同步加速器因可提供高能、連續、穩定脈衝等高品質的粒子束流而在航天、生物、材料及粒子治療等領域廣泛使用。我國此類專用同步加速器的研究建設開展較晚，僅有少數幾台在建設中。此類同步加速器的建設通常受限於經費和場地，因此，其設計要求高性能的同時需滿足小型化布局，以儘可能地降低成本、節省空間，這裡稱其為高能同步加速器。為滿足多個領域的研究需求，應全面開展高能同步加速器設計研究。隨著我國航天科技事業的快速發展，建設高能同步加速器模擬太空宇宙射線用於航天材料、生物細胞、電子學器件等方面的研究成為當前的緊迫任務。因此，哈爾濱工業大學主持設計建設一台中高能同步加速器裝置用於航天材料、航空器件和航空生物學研究。正在申請立項，而工程的核心同步加速器設計研究已開展，這裡介紹一種可用於此項目的同步加速器建設方案。

高能同步加速器物理設計主要指磁聚焦結構（ ）設計，注入和引出設計是同步加速器物理設計的關鍵點。物理設計中要求實現的基本物理目標為：磁鐵強度合適、孔徑小，工作點易調，空間布局合理而緊湊，簡易快速並高效率地實現注入和引出，引出束流連續、無抖動。基於此設計目標，設計一種可實際套用的高能同步加速器，加速質子束流能量為 ，同步加速器採用凸軌注入方案和基於三階共振法的慢引出方案。基於此同步加速器，採用 程式開發注入和引出模擬軟體，模擬研究注入和引出過程的束流動力學關鍵問題，證明同步加速器物理設計的合理性。

基本原理

同步加速器Lattice設計

用 軟體設計緊湊型同步加速器。設計的同步加速器由3個超周期單元組成，3個長2.1m的長直線節用於安放注入、引出和高頻等設備。

圖1

圖1為同步加速器以注入點為起點的光學參數。同步加速器的設計參數列於圖2，設計名義工作點為（1.73，1.35），引出時工作點調整為（1.67，1.37）。

圖2

全環由12台組合彎轉磁鐵、6台四極磁鐵、3台六極磁鐵、注入和引出設備組成。兩種組合二極磁鐵實現束流彎轉和聚焦，二極磁鐵長0.95m，最大場強小於1.5T，最大化地利用二極磁鐵的邊緣場。6台四極磁鐵都是水平方向的聚焦鐵，同步加速器工作點在1.67~1.73之間連續可調。臨界能量 為1.72，加速粒子始終工作在臨界能量以下。在強六極磁鐵作用下動力學孔徑大於物理孔徑。本同步加速器具有如下優點：（1）同步加速器周長短；（2）水平和垂直最大 小於7m，色散函式 最大值為2.4m，可實現磁鐵較小孔徑；（3）所需磁鐵數量少。

注入設計及模擬

同步加速器採用多圈注入方式將來自直線加速器的質子束流注入到同步加速器中，實際注入在約10圈內完成，其中設計注入圈數為20。利用同步加速器2.1m的長直線節和相位相距為180°的兩台凸軌磁鐵（bump）實現注入。為減小空間電荷效應和累積更多束流，同步加速器採用塗抹注入方式，緩慢降低兩台水平凸軌磁鐵強度以改變注入區循環束軌道，從而使直線束流進入同步加速器循環束穩定相空間的不同位置實現塗抹注入。 注入束流能量為7MeV，在2.1m長直線節安裝1台靜電切割器（IES）即可將直線束流注入到同步加速器的接受度中。

圖3

注入相關參數列於圖3，IES電場強度為3.72kV/mm。

根據設定參數，基於Matlab/AT軟體開發注入模擬程式，模擬跟蹤注入過程。假設每圈注入1000個粒子，模擬跟蹤20圈。

圖4

注入點的束流水平相空間分布如圖4所示，直線為IES的位置，IES右邊為注入束流，左邊為累積循環束流。注入束流高度約42mm，凸軌由初始36mm緩慢下降到27mm，注入完成後循環束流發射度約為120πmm・mrad。注入結束跟蹤80圈，在總100圈內循環束累積和加速過程如圖5所示，注入開始幾圈凸軌較高，循環束流打到切割器上損失較多，從而累積粒子數少。

圖5

20圈注入完成後凸軌磁鐵強度迅速下降到零，模擬跟蹤80圈，循環束流無損失。注入效率大於60%，帶電粒子主要損失在切割器上。

引出設計及模擬

同步加速器採用多圈慢引出的方式將能量為300MeV的質子束流在水平方向長時間連續均勻地引出，引出時間約為2s。引出系統採用靜電切割器（EES）和磁切割板（EMS）的設計方案，EES和EMS均是快上升並有足夠平頂寬的特殊磁鐵，均在水平面內偏轉束流。引出時首先調節同步加速器水平工作點到三階共振線附近，循環束流受到共振六極磁鐵的作用後水平相空間收縮為三角形。射頻kicker（RFK）是幅度不變、頻率在一定頻寬內按一定規律變化的高頻衝擊磁鐵，當其頻率與相穩定區內具有一定動量分散的粒子橫向振盪頻率相同時使這些粒子共振，粒子的橫向振盪振幅增加進而粒子不斷向穩定三角形的邊界（分界線）靠近，束流跳出穩定區進入EES受到ESS的電場作用偏轉，而後進入EMS受到EMS的磁場偏轉而引出。