[科普中国]-可变能量回旋加速器

概述

航天器在空间环境中运行时，暴露在银河宇宙射线、太阳宇宙射线、地磁俘获带等高能粒子环境下，这些高能粒子会射入航天器中的电子元器件，从而沉积大量能量，诱发各种辐射损伤效应，如单粒子效应、电离总剂量效应、位移损伤效应等，其中，质子的单粒子效应是航天器在轨运行时发生故障的主要原因之一。空间辐射环境的地面模拟主要依靠加速器产生对应能量的粒子束进行，为了准确模拟地磁俘获带和太阳宇宙射线中的质子单粒子效应，应在中能区（200～400MeV）选择多个能量点对器件进行辐照。

早期建造的用于宇航器件测试的中能质子加速器大多采用常温磁铁，使用降能器为用户端提供可变能量束流，如IUCF 200 MeV加速器和TRIUMF 500 MeV加速器，若所需的可变能量范围较大，降能器处会积累大量辐射剂量，不利于设备维护。剥离引出是实现连续变能量引出的有效方法，而超导技术的应用可明显降低加速器的体积和造价，由于离子在强磁场下的洛伦兹剥离效应，超导加速器剥离引出质子只能通过加速离子来实现。意大利核物理国家实验室（INFN）设计的SCENT300超导回旋加速器可将和离子加速到300 MeV/A，其中，离子在265 MeV/A处剥离引出，比利时IBA的C400加速器亦能在265 MeV/A处剥离引出质子，这两台加速器仅考虑了单能质子的引出。基于宇航器件测试的需求和中国原子能科学研究院串列加速器升级工程部剥离引出、束流动力学设计口的经验，设计一台300 MeV/A 超导回旋加速器的主磁铁的物理模型，并开展剥离引出物理设计，研究该加速器中质子轨迹与束流包络随剥离点位置的变化，依据质子在加速器中转过的圈数将引出过程分为一圈引出、两圈引出和多圈引出，通过限定加速器内部的束流包络和引出开关磁铁的尺寸，使205～240 MeV、265～300 MeV两个能量段的质子经不同的出束口引出，并对更低能量质子、240～265 MeV能量段质子的引出进行初步研究。1

加速器的基本设计参数300 MeV/A 超导回旋加速器主磁铁的设计包括确定基本参数与优化设计两部分。加速器的主磁铁为紧凑型结构，采用超导线圈缩小体积，磁极为4叶螺旋扇形，半径为133 cm，磁极间隙为5 cm，整机直径为290 cm。加速腔安放在两个相对的谷区，加速电压在主磁铁设计阶段假定为恒定值70 kV。

加速器磁铁的设计需满足等时性和轴向聚焦的要求，并尽量避免共振线的穿越。经过反复迭代优化后得到的加速器主要参数列于图1，图2为加速器主磁铁1/8模型。在整个加速范围内参考粒子的积分滑相小于40°，工作点不在主要共振线处堆积，中能段共振造成的束流包络增长可忽略不计，主磁铁的初步设计能满足引出轨道计算的要求。

主磁铁设计时在磁极的外侧添加了特定形状的垫铁以调整局部磁场分布，目的是使各能量离子的平衡轨道向外移，从而更利于能量较低的质子引出。模拟结果表明，减小螺旋角可使剥离后质子的轨迹与磁极谷区更匹配，能显著降低引出质子的最低能量并改善束流包络。

尽管减小螺旋角会使轴向振荡频率减小，从而使工作点穿过径向振荡频率共振线，但在图3所示的工作点快速穿越共振线的情况下，共振的影响可忽略不计。1