强流质子加速器束流剖面分布及束晕测量系统设计.pdfVIP

第23卷第1期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．23，No．1 2011年1月 HIGHPOWERLASERANDPARTIC[。EBEAMS Jan．，2011 文章编号：lOOl-4322(2011)01—0190—05 强流质子加速器束流剖面分布 及束晕测量系统设计’ 孙纪磊， 阮玉芳， 肖 帅， 彭 军， 王 标， 李 芳， 徐韬光 (中国科学院高能物理研究所，北京100049) 摘要：针对一台用于加速器驱动洁净核能源系统研究，高占空比的强流质子加速器，开展强流质子直 线加速器柬晕产生的研究工作。其中的束流剖面分布特别是束晕部分测鬣的束流诊断系统是研究工作的核心 内容。束晕的产生在低能量段尤其重要，且对整个直线加速器的设计有蓖要影响。介绍了研究束晕增长的束 流输运线和测量系统的布局设计。并根据所研究的加速器束流的情况进行束流剖面探测器和束晕测量的设计 和预研，包括丝靶材料的模拟计算和选择、机械驱动的控制系统设计和研究、前端模拟电路的设计和仿真模拟、 以及整个系统与EPICS和Vxworks的计算机控制接口等。 关键词： 强流质子加速器； 柬流剖面分布； 束晕； 丝靶； 步进马达； 前端模拟电路 中图分类号：TL506 文献标志码：A doi：10．3788／HPI。P0190 射频四极场(RFQ)加速器作为前端加速器或注入器已为国际上几乎所有的质子直线加速器所采用，也是 存在很强的空间电荷效应，束晕的增长非常严重，而柬晕的增长是导致束流损失的最重要因素。在强流加速器 中，束流损失是加速器设计中的一个重要指标，同时也是监测加速器运行是否稳定和环境是否安全的重要参 MeV，峰值流 数。中国科学院高能物理研究所建造的用于ADS研究的RFQ加速器，其输出束流能量为3．5 强达到46mA，很适合研究束晕的形成机制。我们得到973项目的经费资助，将建设一个研究低能强流质子柬 束晕形成的束流传输和测量系统。本文所介绍的束流截面及束晕测量系统的主要作用是测量束流剖面及束晕 的大小和其沿束流线的变化情况，为研究束晕产生和增长的机制以及控制束流损失提供依据[2]。同时，所涉及 的柬流剖面测量和束晕测量设备，也将为CSNS加速器相关设备的研制提供样板。我们建造的束流传输线由 在RFQ后安装的28块磁四极磁铁构成。前4块铁为匹配磁铁，后24块铁构成具有一定周期数的强聚焦结构。 束流剖面及柬晕探测器安装在磁铁的间隙，共14套，可相互配合测量水平方向和垂直方向的束流分布。最前 面的2套用于测量经过4块匹配四极磁铁后的束流剖面情况；后面的12套，前6套z，Y方向交替布置，后6套 全部测量z方向。这样布置是为了保证可以测量束晕及观察束晕的增长情况。束流剖面及束晕测量系统由 探头、探头的运动控制、探头信号的前端模拟电路处理及读出3部分构成。 1束流剖面及束晕探测器的探头设计 束流剖面测量和束晕测量的探头部分设计成一个整体，由同一个机械驱动机构操作，即探头由两部分构 成：细丝和刮柬板。其中细丝用于测量中心部分的束流分布。带水冷的刮束板则用于测量束晕部分的束流分 布。刮束板的结构包括一端带直径为5mm的水冷管道的铜座和其两侧表面焊接厚度为1．5mm的石墨。由 于3．5MeV的质子束入射石墨层的射程为100pm左右，1．5mm的石墨层足以截止束流，从而避免了中间铜 座被活化。 穿过碳丝，丝上的信号主要是由二次电子发射产生；对于刮束板，其测量范围为束流土(2．o～2．5)口宽度外的 束晕部分，粒子密度很小，所有束晕部分均被刮束板挡住，并且入射的束流全部停留在石墨层，产生的信号为积 分信号，这样方便电子学系统设计。根据模拟计算得到的结果，RFQ后的束流仃为0．5"-'2．0mm。为了避免 t收稿日期：2010—03—30{修订日期：2010—08—30 基金项目：国家垂点基础研究发展汁划项目(2007(’B209904) 作者简介：孙纪磊(1985一)，男，博士研究生，从事束流发射度测量系统研究；sunjl(萤ihep．ac．ca。