軸向B-dot測量束流偏角模擬計算及實驗研究

蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)由主環(huán)(CSRm)和實驗環(huán)(CSRe)組成,每個環(huán)有一套電子冷卻裝置。電子冷卻是通過以相同平均速度運動的離子束與強流電子束的庫侖碰撞將離子束的橫向振蕩與縱向振蕩能量轉移到電子束,從而降低儲存環(huán)中離子束橫向發(fā)射度和縱向動量散度、提高束流品質目的的方法。CSRm電子冷卻裝置能夠提供能量低于35keV、最大流強3A的準直性及單色性很好的電子束流,用于冷卻能量低于64MeV/u的重離子束。

CSRm電子冷卻裝置的冷卻作用使重離子束的橫向尺寸顯著縮小,為束流重復注入提供空間,從而實現(xiàn)重離子束流的累積。累積增益取決于電子冷卻過程的冷卻時間τ:其中,Qi和Ai為離子的電荷態(tài)和質量數(shù),βi和γi為相對論因子,θi和θe為冷卻段內離子束和電子束相對于儲存環(huán)真空管道中心軸的張角,ηec為冷卻段長度和儲存環(huán)周長的比值,je為電子束密度。裝置冷卻段內離子束與電子束的相對位置決定了兩者之間的夾角,進而影響束流的冷卻時間。據此,在CS-Rm的電子冷卻裝置上建立了用于同時測量電子束和離子束位置的測量系統(tǒng),測量各種校正線圈對電子束和離子束位置的影響,優(yōu)化裝置運行中束流的相對位置,提高對重離子束的冷卻效率。

在電子冷卻裝置冷卻段兩端各裝有一套圓筒形束流位置探針,每套探針由4個彼此絕緣、電學特性相同的圓筒形極板組成。極板由半徑100mm、長度8mm和壁厚1mm的圓筒形不銹鋼材料沿對角面對稱切割而成,并按照相對于束流的上下左右關系對稱安裝在真空管道內。因為極板為圓筒形且沿對角面對稱切開,所以有較大的感應面積,感應靈敏度高,線性度好。當束團通過時,極板可等效為一電流源,探針極板上產生感應電荷,進而產生極板對地的電壓,該電壓受帶電粒子與極板之間距離的影響:包括前置放大器、數(shù)據采集卡以及電子束調制、離子束測量觸發(fā)、計算機(數(shù)據處理軟件)系統(tǒng)。前置放大器選用PET公司P/NAM-4A-000110-11030N型寬帶放大器,對探針極板感應的弱信號進行線性放大,之后送入60MS/s實時采樣率、12位垂直分辨率的PXI-51058通道高精度數(shù)字化儀進行數(shù)據采集,通過軟件對數(shù)據進行傅里葉變換、頻譜信號強度分析獲得束流位置信息。

由于容式位置探針只能感應束團信息,故不能測量直流電子束在極板上的感應信號;而且冷卻過程中直螺線管冷卻段內電子束與離子束同時存在,電子束和離子束流強相差3個量級,使得電子束和離子束團感應在極板上的信號疊加,時域信號分析不能得出電子束與離子束團信息。為此,位置測量時需要對電子束進行頻率調制,通過傅里葉變換將探針極板上感應的時域信號轉換為頻域信號,頻譜中不同的頻率信號表示電子束、離子束團的不同感應信號。調制方法是在電子槍端對電子束發(fā)射控制極電源進行頻率調制,調制頻率要求區(qū)別于離子束團的回旋頻率,以便于后期分析頻譜信號。根據離子束團在CSRm回旋頻率范圍為0.2-1.6MHz的條件,系統(tǒng)選擇由外部信號源提供的頻率為3MHz的正弦信號作為調制信號。頻譜分析時3MHz頻率信號為電子束感應信號,相應能量的離子回旋頻率信號為離子束團感應信號。針對各極板上束流頻率信號強度,按照公式(3)和(4)獲得束流位置信息。為了防止電子槍端35kV高壓對調制信號的電磁干擾,外部調制信號轉換為光信號經光纖傳送至調制模塊。

離子束測量觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)信號使用儲存環(huán)加速腔產生的回旋頻率信號或者加速器事例觸發(fā)系統(tǒng)提供的事例觸發(fā)脈沖,觸發(fā)脈沖經光纖傳送至高精度數(shù)據采集卡觸發(fā)數(shù)據采集,以保證離子束團位置測量同步。

由于位置探針已安裝于電子冷卻段真空管道內,系統(tǒng)不能進行實驗室離線測試,為了檢查測量系統(tǒng)的準確性,需要進行電子束校正線圈偏移能力的在線測試。校正線圈是沿電子束運動方向安裝在電子束真空管道四周的22組線圈,參數(shù)不同的線圈對電子束有不同的偏移能力。其中4組線圈(CX1,CX2,CY1,CY2)在電子槍區(qū)域對電子束進行偏移;6組線圈(CX3,CX4,CX5,CY3,CY4,CY5)在電子槍端彎曲螺線管區(qū)域對電子束進行偏移;2組線圈(CX6,CY6)在直螺線管冷卻段區(qū)域對電子束進行偏移;CX表示電子束水平方向的線圈,CY表示電子束垂直方向的線圈。

測量系統(tǒng)測量線圈在不同電流下電子束的位置,進而統(tǒng)計、擬合獲得相應線圈的實驗偏移能力。通過比較線圈理論偏移能力和實驗偏移能力的差別,判斷測量系統(tǒng)位置測量的準確性。圖4給出了電子束水平(a)和垂直方向(b)的線圈CX6和CY6在不同電流下電子束位置測量和偏移能力線性擬合結果。表1給出了部分校正線圈理論偏移能力、實驗偏移能力和它們的偏差量。結果表明,線圈理論偏移能力和實驗偏移能力差別小于0.5mm/A,即測量系統(tǒng)有較好的位置測量準確性。

離子束在7-25-175MeV/u的加速過程中一個注入、累積、加速周期流強結構圖。首先離子在7.0MeV/u經過持續(xù)9.5s的注入冷卻累積至110μA;接著進行高頻捕獲(a點)、第一次加速,離子束能量提高到25MeV/u,流強達到180μA;然后進行第二次高頻捕獲(b點)、加速,12.5s時刻加速結束(c點),這時離子束能量提高到175MeV/u,流強達到400μA;最后束流儲存2s后慢引出。每個周期中離子束在高頻捕獲、加速過程中,離子束團回旋頻率改變,探針極板上感應信號頻譜發(fā)生改變,位置信息可獲得。電子束感應信號在3MHz調制頻率有類似頻譜信號,電子束位置信息也可獲得。X表示水平方向,Y表示垂直方向。

可知,在電子冷卻裝置4m長的冷卻段內電子束與離子束存在夾角,水平方向電子束與離子束夾角為0.825mrad,垂直方向電子束與離子束夾角為1.025mrad,垂直方向離子束比電子束低大約11mm(如圖6所示)。由于電子束在冷卻段內的直徑為59mm,電子束能夠包裹離子束,這時電子束對離子束仍有高的冷卻效率。當然,通過電子冷卻裝置內的校正線圈以及儲存環(huán)內的校正磁鐵可分別對電子束和離子束進行位置調節(jié),最終使得離子束與電子束相互平行且束流中心位置重合。