[科普中国]-高能同步加速器

概述

同步加速器因可提供高能、连续、稳定脉冲等高品质的粒子束流而在航天、生物、材料及粒子治疗等领域广泛使用。我国此类专用同步加速器的研究建设开展较晚，目前仅有少数几台在建设中。此类同步加速器的建设通常受限于经费和场地，因此，其设计要求高性能的同时需满足小型化布局，以尽可能地降低成本、节省空间，这里称其为高能同步加速器。为满足多个领域的研究需求，应全面开展高能同步加速器设计研究。随着我国航天科技事业的快速发展，建设高能同步加速器模拟太空宇宙射线用于航天材料、生物细胞、电子学器件等方面的研究成为当前的紧迫任务。因此，哈尔滨工业大学主持设计建设一台中高能同步加速器装置用于航天材料、航空器件和航空生物学研究。目前正在申请立项，而工程的核心同步加速器设计研究已开展，这里介绍一种可用于此项目的同步加速器建设方案。

高能同步加速器物理设计主要指磁聚焦结构（ ）设计，注入和引出设计是同步加速器物理设计的关键点。物理设计中要求实现的基本物理目标为：磁铁强度合适、孔径小，工作点易调，空间布局合理而紧凑，简易快速并高效率地实现注入和引出，引出束流连续、无抖动。基于此设计目标，设计一种可实际应用的高能同步加速器，加速质子束流能量为 ，同步加速器采用凸轨注入方案和基于三阶共振法的慢引出方案。基于此同步加速器，采用 程序开发注入和引出模拟软件，模拟研究注入和引出过程的束流动力学关键问题，证明同步加速器物理设计的合理性。1

基本原理同步加速器Lattice设计用 软件设计紧凑型同步加速器。设计的同步加速器由3个超周期单元组成，3个长2.1m的长直线节用于安放注入、引出和高频等设备。

图1为同步加速器以注入点为起点的光学参数。同步加速器的设计参数列于图2，设计名义工作点为（1.73，1.35），引出时工作点调整为（1.67，1.37）。

全环由12台组合弯转磁铁、6台四极磁铁、3台六极磁铁、注入和引出设备组成。两种组合二极磁铁实现束流弯转和聚焦，二极磁铁长0.95m，最大场强小于1.5T，最大化地利用二极磁铁的边缘场。6台四极磁铁都是水平方向的聚焦铁，同步加速器工作点在1.67~1.73之间连续可调。临界能量 为1.72，加速粒子始终工作在临界能量以下。在强六极磁铁作用下动力学孔径大于物理孔径。本同步加速器具有如下优点：（1）同步加速器周长短；（2）水平和垂直最大 小于7m，色散函数 最大值为2.4m，可实现磁铁较小孔径；（3）所需磁铁数量少。

注入设计及模拟同步加速器采用多圈注入方式将来自直线加速器的质子束流注入到同步加速器中，实际注入在约10圈内完成，其中设计注入圈数为20。利用同步加速器2.1m的长直线节和相位相距为180°的两台凸轨磁铁（bump）实现注入。为减小空间电荷效应和累积更多束流，同步加速器采用涂抹注入方式，缓慢降低两台水平凸轨磁铁强度以改变注入区循环束轨道，从而使直线束流进入同步加速器循环束稳定相空间的不同位置实现涂抹注入。 注入束流能量为7MeV，在2.1m长直线节安装1台静电切割器（IES）即可将直线束流注入到同步加速器的接受度中。

注入相关参数列于图3，IES电场强度为3.72kV/mm。

根据设置参数，基于Matlab/AT软件开发注入模拟程序，模拟跟踪注入过程。假设每圈注入1000个粒子，模拟跟踪20圈。

注入点的束流水平相空间分布如图4所示，直线为IES的位置，IES右边为注入束流，左边为累积循环束流。注入束流高度约42mm，凸轨由初始36mm缓慢下降到27mm，注入完成后循环束流发射度约为120πmm・mrad。注入结束跟踪80圈，在总100圈内循环束累积和加速过程如图5所示，注入开始几圈凸轨较高，循环束流打到切割器上损失较多，从而累积粒子数少。

20圈注入完成后凸轨磁铁强度迅速下降到零，模拟跟踪80圈，循环束流无损失。注入效率大于60%，带电粒子主要损失在切割器上。

引出设计及模拟同步加速器采用多圈慢引出的方式将能量为300MeV的质子束流在水平方向长时间连续均匀地引出，引出时间约为2s。引出系统采用静电切割器（EES）和磁切割板（EMS）的设计方案，EES和EMS均是快上升并有足够平顶宽的特殊磁铁，均在水平面内偏转束流。引出时首先调节同步加速器水平工作点到三阶共振线附近，循环束流受到共振六极磁铁的作用后水平相空间收缩为三角形。射频kicker（RFK）是幅度不变、频率在一定带宽内按一定规律变化的高频冲击磁铁，当其频率与相稳定区内具有一定动量分散的粒子横向振荡频率相同时使这些粒子共振，粒子的横向振荡振幅增加进而粒子不断向稳定三角形的边界（分界线）靠近，束流跳出稳定区进入EES受到ESS的电场作用偏转，而后进入EMS受到EMS的磁场偏转而引出。1