軸向B-dot測量束流偏角模擬計算及實驗研究結(jié)題摘要

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(qiáng)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(zhuǎn)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(zhì)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(qiáng)3A的準(zhǔn)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(fù)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(zhì)量數(shù),βi和γi為相對論因子,θi和θe為冷卻段內(nèi)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(nèi)離子束與電子束的相對位置決定了兩者之間的夾角,進(jìn)而影響束流的冷卻時間。據(jù)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(xué)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(guān)系對稱安裝在真空管道內(nèi)。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(yīng)面積,感應(yīng)靈敏度高,線性度好。當(dāng)束團(tuán)通過時,極板可等效為一電流源,探針極板上產(chǎn)生感應(yīng)電荷,進(jìn)而產(chǎn)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(jù)采集卡以及電子束調(diào)制、離子束測量觸發(fā)、計算機(jī)(數(shù)據(jù)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(yīng)的弱信號進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、頻譜信號強(qiáng)度分析獲得束流位置信息。

由于容式位置探針只能感應(yīng)束團(tuán)信息,故不能測量直流電子束在極板上的感應(yīng)信號;而且冷卻過程中直螺線管冷卻段內(nèi)電子束與離子束同時存在,電子束和離子束流強(qiáng)相差3個量級,使得電子束和離子束團(tuán)感應(yīng)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(tuán)信息。為此,位置測量時需要對電子束進(jìn)行頻率調(diào)制,通過傅里葉變換將探針極板上感應(yīng)的時域信號轉(zhuǎn)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(tuán)的不同感應(yīng)信號。調(diào)制方法是在電子槍端對電子束發(fā)射控制極電源進(jìn)行頻率調(diào)制,調(diào)制頻率要求區(qū)別于離子束團(tuán)的回旋頻率,以便于后期分析頻譜信號。根據(jù)離子束團(tuán)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(diào)制信號。頻譜分析時3MHz頻率信號為電子束感應(yīng)信號,相應(yīng)能量的離子回旋頻率信號為離子束團(tuán)感應(yīng)信號。針對各極板上束流頻率信號強(qiáng)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(diào)制信號的電磁干擾,外部調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)光纖傳送至調(diào)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(chǎn)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(jīng)光纖傳送至高精度數(shù)據(jù)采集卡觸發(fā)數(shù)據(jù)采集,以保證離子束團(tuán)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(nèi),系統(tǒng)不能進(jìn)行實驗室離線測試,為了檢查測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,需要進(jìn)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?qū)﹄娮邮M(jìn)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?qū)﹄娮邮M(jìn)行偏移;2組線圈(CX6,CY6)在直螺線管冷卻段區(qū)域?qū)﹄娮邮M(jìn)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(jìn)而統(tǒng)計、擬合獲得相應(yīng)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(zhǔn)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(jié)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(jié)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(zhǔn)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(qiáng)結(jié)構(gòu)圖。首先離子在7.0MeV/u經(jīng)過持續(xù)9.5s的注入冷卻累積至110μA;接著進(jìn)行高頻捕獲(a點)、第一次加速,離子束能量提高到25MeV/u,流強(qiáng)達(dá)到180μA;然后進(jìn)行第二次高頻捕獲(b點)、加速,12.5s時刻加速結(jié)束(c點),這時離子束能量提高到175MeV/u,流強(qiáng)達(dá)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(tuán)回旋頻率改變,探針極板上感應(yīng)信號頻譜發(fā)生改變,位置信息可獲得。電子束感應(yīng)信號在3MHz調(diào)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(nèi)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(nèi)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(dāng)然,通過電子冷卻裝置內(nèi)的校正線圈以及儲存環(huán)內(nèi)的校正磁鐵可分別對電子束和離子束進(jìn)行位置調(diào)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。