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空间环境地面模拟装置SESRI(Space Environment Simulation and Research Infrastructure)是由哈尔滨工业大学负责建造的国家“十二五”科学装置集群,其中委托中国科学院近代物理研究所设计的300 MeV质子重离子加速器是其重要组成部分[1]。它是我国首台专用于航天器件辐照加速器装置,为研究离子辐射与材料、器件及生命体的相互作用规律提供地面模拟辐照源。装置整体结构布局如图1所示,由ECR离子源、直线加速器、注入线、同步加速器、高能线及三个实验终端构成,可提供100~300 MeV的质子,以及7~80 MeV/u的重离子。
同步加速器lattice为六边形结构,具有6个超周期,每个周期包含一块60°偏转角的二极磁铁与两块四极磁铁,设计最大磁钢度为2.8 Tm,周长为43.89 m。ECR离子源可提供质子到铋之间的稳定束流,并经过直线加速器后以5.6 MeV (p)~2 MeV/u (209Bi32+)的能量通过多圈注入方式注入到同步环中,随后由单个磁合金加载腔将束流加速到引出能量300 MeV (p)~7 MeV/u (209Bi32+),谐波数为1 (p)~4 (209Bi32+)。慢引出系统用于提供秒量级的准连续束,经高能线传输至实验终端以开展器件及生物辐照研究。同步环主要参数如表1所列。
参数 数值 周长/m 43.886 4 磁刚度/(T·m) 0.32~2.80 运行周期/s 3~10 粒子种类 P~209Bi32+ 最高能量/(MeV·u−1) 300(p)/80(4He2+)/15(84Kr18+)/7(209Bi32+) 工作点Qx/Qy 1.72/1.62(注入)1.674/1.62(引出) 动量分散 (△p/p) ±0.5% 接受度Ah/Av/(πmm·mrad) 200/30 引出前发射度εh/εv/(πmm·mrad) 26/4(p), 31/5(4He2+), 73/11(84Kr18+), 107/15(209Bi32+) 自然色品$ {Q}_{x}^{{'}} $/$ {Q}_{y}^{{'}} $ −0.72/−0.94 累积粒子数(ppp) 209Bi32+:1.85×108;p:2.3×1010 终端粒子数/(p·spill−1) 106~109 本文在同步加速器引出系统物理设计基础上,探讨局部凸轨对慢引出的影响,并通过自主编写的多粒子追踪程序SESP(Slow Extraction Simulation Program)对束流时间结构进行模拟研究。
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该同步加速器采用水平三阶共振[2]和RF-KO[3]的慢引出方式,利用六极磁铁驱动形成三角形相稳定区,配合横向激励使粒子振荡幅度逐渐增大,并沿特定界轨进入静电偏转板(ES)而被引出。系统元件主要包括用于驱动粒子运动至非稳定区而引出的横向激励,1块静电偏转板用于将粒子偏转至后续的切割铁之内,3台Bump磁铁用于在ES处形成局部凸轨,8块六极磁铁,呈环中心对称分布,以使共振驱动与色品校正相互独立。其中水平色品校正和垂直色品校正用于减小因动量分散导致的工作点漂移及引出时满足Hardt条件[4]。共振驱动六极铁用于形成特定形状和大小的相稳定区。同时环内布局了两台快四极磁铁用于抑制电源纹波,调节束流引出均匀性,引出元件布局如图2所示。
以300 MeV质子束为例,水平工作点设置为1.671,考虑到注入束的最大包络及闭轨余量,引出静电偏转板将放置在水平位置55 mm处,入口局部凸轨幅值为10 mm以确保合适的引出螺距。具体相图如图3所示:引出螺距为10.4 mm,角度−6.7 mrad。归一化相空间中界轨角度为36.6°,符合理论要求。动量分散为0及±1‰的粒子最后三圈轨道如图4所示,由于色散函数为正,因此各元件处横向位置远离中心轨道的粒子动量分散为1‰,最靠近中心轨道的粒子动量分散为−1‰。
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局部凸轨是慢引出设计中很重要的一部分,对于引出发射度较小的束流而言,粒子通过界轨进入ES时螺距往往较大,甚至会超过极板间隙从而造成束流损失。而局部凸轨的引入会整体移动相稳区使其靠近ES阳极丝,适当减小引出螺距,提高引出效率,同时改变引出角度,降低ES极板电压。此外,在局部凸轨的辅助下,束流最后三圈轨道包络也能够相应减小。
值得注意的是,局部凸轨内部往往包含了其它的磁铁元件,且每个元件处的参考轨道均发生了变化,从而改变全环工作点影响束流慢引出。有无10 mm局部凸轨时静电偏转板入口处相稳区大小如图5所示,局部凸轨的存在将使相稳区面积由原来的31.7 πmm·mrad减小为14.3 πmm·mrad,导致引出起始段大量粒子溢出,造成束流引出不均匀,因此凸轨对慢引出的影响需要进行详细研究。
由于慢引出工作点设置在三阶共振线附近,相稳区面积、激励参数均与此有关,而不同元件处局部凸轨的存在使得工作点产生偏移从而影响束流引出。对于漂移节,闭轨畸变不影响整个束流光学。在四极铁中,大的轨道偏差将使得粒子受到二极场分量,对束流光学产生影响,但在单个磁铁中,该影响却非常微小。而在二极铁中,当局部凸轨引入附加角度时,会导致较大的工作点变化,相当于改变了二极铁的边缘角。对于六极铁,传输过程中存在x,y方向的耦合,会使局部凸轨转变成全环闭轨畸变,进一步影响工作点。如图6所示,ES入口10 mm局部凸轨内部同时包含了二极铁(RB)、四极铁(QF)和六极铁(SR/SCH/SCV),它们共同引起的工作点变化近似等于单个元件引起的变化线性叠加。将局部凸轨内元件分为5部分,各自引入的工作点变化如表2所列。线性叠加之后总的工作点变化约为−4.75×10−4。
序号 元件 工作点变化 1 SCV+QD 0.00 2 RB 5.27×10−4 3 QF+SR4 −2.49×10−3 4 RB 3.27×10−4 5 SCH+QF 1.16×10−3 总的工作点变化 −4.75×10−4 工作点的变化同样会影响六极铁相移和总的归一化强度。如图7所示,在共振矢量图上各位置处六极铁相移在有凸轨时会明显改变,等效六极铁强度Svirt相应变化了−0.13。根据相稳区面积计算公式:
${S}_{\Delta }= \frac{48\sqrt{3}{\pi }^{2}}{{S}^{2}}{\Big(q+\xi \frac{\Delta p}{p}\Big)}^{2}$ ,可得动量分散$ \frac{\Delta p}{p} $ 为0的粒子凸轨引起的相稳区面积将减小至23.4 πmm·mrad。其中$ \Delta p $ 为非同步粒子相对同步粒子的动量偏差,$ p $ 为同步粒子动量,S为等效六极铁强度,$ q $ 为工作点与三阶共振线的偏差,$ \xi $ 为全环色品。此时计算得出的相稳区面积仍大于MADX[5]粒子跟踪所得面积(14.3 πmm·mrad),表明在有局部凸轨时全环色品也发生了变化,从而进一步调节相稳区面积。综上所述,慢引出特性决定了该过程对于工作点变化是非常敏感的,轨道扰动和束流光学变化均会对引出造成影响。局部凸轨就是最常见的一种扰动源,对于相稳区面积的改变主要有两个方面:第一,当局部凸轨内部包含二极磁铁、六极磁铁时会导致工作点的显著变化,等效六极铁相移、强度均会随之改变;第二,对于束流而言,凸轨的作用使得色品项发生变化,进一步改变相稳区面积。
Study on Slow Extraction Dynamics of 300 MeV Proton and Heavy Ion Synchrotron
doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022050
- Received Date: 2022-04-19
- Rev Recd Date: 2022-05-08
- Publish Date: 2023-06-20
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Key words:
- SESRI /
- slow extraction /
- RF-KO /
- bump orbit /
- beam uniformity
Abstract: The 300 MeV proton and heavy ion accelerator is an important component of the SESRI(Space Environment Simulation and Research Infrastructure), and the study on slow extraction dynamics is the key part of the accelerator. The third order resonance and RF-Knockout(RF-KO) scheme is adopted to provide quasi-continuous beam in 2~8 s for slow extraction system. 3-bump are used to adjust the spiral step and extraction angle at the electrostatic septum. However, the horizontal tune can be reduced due to the bump orbit, and the stable area in the phase space is shrunk during the extraction flattop. Simulation results show that the bump orbit produced in the dipole and sextupole magnet will reduce the horizontal tune, and a large number of particles are extracted at the initial extraction stage. Therefore, the spill structure should be analyzed and optimized based on the self-written particle tracking program SESP. The extracted beam uniformity is improved by modulating the amplitude of the extraction exciter.
Citation: | Yunzhe GAO, Shuang RUAN, Jian SHI, Jiancheng YANG, Jiawen XIA, Yue LI, Yang ZHOU. Study on Slow Extraction Dynamics of 300 MeV Proton and Heavy Ion Synchrotron[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(2): 207-213. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022050 |