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激光离子源(LIS)可以提供极高电流强度(10~100 mA)的短脉冲(脉冲持续时间为亚μs至10 μs)高电荷态重离子束,尤其在难熔金属离子的产生方面具有明显优势[1]。基于激光离子源的直线加速器可作为未来医用碳离子治疗装置[2]、大型重离子同步加速器[3]、自准直准单能高通量中子源等装置[4]的注入器。以在医用碳离子治疗装置中的应用为例,由于激光离子源能够产生脉冲流强高达20 emA,脉冲宽度为3 μs的C6+离子束[5],结合直线加速器作为医用同步加速器的注入器[6],可以实现同步加速器的单次单圈注入模式。与传统采用ECR离子源的注入器(提供C4+或C5+离子束)通过剥离注入同步环的方案相比[7-8],不仅注入器更加紧凑,还可以大大降低束流往同步环中注入时的损失,减小束流损失对环境产生的放射性污染。
一般医用碳离子治疗装置的同步加速器要求注入能量为几MeV/u,例如,日本HIMAC(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)同步加速器注入能量为4 MeV/u[9], 德国HIT(Heidelberg Ion Beam Therapy Center)和中国HIMM(Heavy Ion Medical Machine)的同步加速器注入能量为7 MeV/u[10-11]。这类直线注入器主要由离子源、RFQ(Radio Frequency Quadrupole)和DTL(Drift Tube Linac)三部分组成,其引出流强通常为200~400 eμA,例如HIMAC中的IH-DTL(Interdigital H-mode Drift Tube Linac)引出流强为380 eμA[12],HIT中IH- DTL引出流强为115 eμA [13],HIMM中回旋加速器的引出流强仅为10 eμA [14]。本文以激光离子源应用于碳离子治疗装置为背景,给出了一种注入流强在10 emA以上的紧凑型DTL的束流动力学设计。由于激光离子源产生的 C6+不需要在中能束运线进行剥离,因此可以通过二极磁铁的最低可靠磁感强度来确定同步储存环的注入能量,即 DTL 的输出能量。理论上二极磁铁的最低磁感强度可以低至0.1 T,即对应注入能量2 MeV/u,但是考虑到电源的稳定性和可靠性,将同步储存环的注入能量设定在4 MeV/u,对应二极铁磁感应强度0.144 T。假定4 MeV/u 的 C6+,对应相对论因子β = 0.092 4,在同步储存环中运行一圈需要2.03 μs。根据HIMM的设计要求,环上累积粒子数应大于109。目前,在直接等离子注入方案的相关实验中,RFQ出口C6+的峰值流强约为10 emA,束流脉宽小于2 μs[15-16],单脉冲 C6+ 粒子数约为4×109 。假定注入效率为 40%,俘获效率为80%,加速效率也为80% [6],DTL出口C6+应大于4×109 。考虑到DTL、MEBT(Medium Energy Beam Transport)中束流会继续损失,在本文中将DTL的设计流强定为20 emA。在此基础上,进行了强流IH-DTL的束流动力学设计,其能量范围设置为0.5~4.0 MeV/u。该DTL设计采用KONUS(Kombinierte Null Grad Struktur-0度组合结构)动力学方案[17-19],主要参数如表1所列 。
参数 数值 加速粒子种类 C6+ 工作频率/ MHz 162.5 加速模式 π模 能量范围/(MeV·u−1) 0.5~4.0 束流流强设计值/ emA 20 占空比/ % 0.1 横向归一化RMS接受度/(πmm·mrad) 0.37 纵向RMS接受度/(πkeV/u·Deg) 36.7 传输效率/% > 95 长度/m 2.83 -
图7给出了动力学设计完成后IH-DTL中每个加速间隙的间隙电压和沿轴最大间隙电场。间隙电压从低能量端的100 kV到高能量端的317 kV。由于IH-DTL中相邻漂移管分别位于正负电势,而腔体两端位于0电势,因此在IH-DTL中端部间隙电压为相邻间隙电压的一半[24]。通过对DTL间隙电压进行优化,整个DTL的沿轴最大间隙电场基本一致,最大沿轴间隙电场为9.86 MV/m。
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在束流通过四极磁铁时,束团在纵向上受到的影响与束流通过漂移管时基本一致且需要尽可能短,因此需要使用长度短且磁场梯度高的四极磁铁。在其他参数不变的情形下,四极磁铁外径越大则磁场梯度越高。考虑到162.5 MHz的DTL腔体内径有限,且IH-DTL的T型板需要占用一定的空间,最终将IH-DTL腔体内磁铁的外径设置为6 cm。使用OPERA [25]对DTL腔内的两组永磁四极铁磁铁QT2与QT3进行仿真,得到四极磁铁腔内永磁铁的磁场梯度及径向磁场分布如图8、图9,参数见表2。
永磁四极磁铁 QT2 QT3 漂移管长度/cm 23.62 22.99 磁场梯度/(Tm−1) 60/60/60 60/60/60 有效长度/cm 5/7.9/4.4 4.5/8.9/5.5 内径/cm 3.0 3.0 外径/cm 6 6 -
根据LORASR给出的DTL结构参数,进行高频腔体设计。得到DTL内的三维射频电场分布,其沿DTL中心轴线的分布如图10。每个加速单元的有效积分电压与动力学设计要求的电压相比误差不超过1%,如图11所示。为了更好地反映该IH-DTL的性能,将射频电场与四极磁铁磁场导入Tracewin[26]进行多粒子模拟。
IH-DTL由于支撑结构是非对称的,间隙电场会产生垂直二极场,使束流中心在垂直方向产生偏移(图9),使用非对称的漂移管结构可部分消除二极场,但漂移管上的电容分布会增加,导致腔体所需功率增大[21, 24, 27]。经过优化,束流中心的横向位置偏移小于0.05 mm,如图12所示。
输入束流与输出束流的twiss参数及99%归一化束流发射度见表3,其中99%束流横向发射度为3.83 πmm·mrad,小于同步加速器的单次单圈注入要求的13 πmm·mrad[6]。最终输出束流相空间分布与横向束流密度如图13所示。IH-DTL的横纵向rms发射度增长达到1.5倍(图14)。该IH-DTL的束流传输效率达到98.5%,如图15所示。以上模拟结果与LORASR的计算结果基本一致,验证了LORASR所做的动力学设计具有一定的可靠性。
入口 Twiss参数 α β Norm.Emittance[99%] x −8.92 1.92 mm/(πmrad) 1.38 πmm·mrad y −1.28 0.16 mm/(πmrad) 1.45 πmm·mrad z −0.03 66.21 deg/(πMeV) 4.58 πMeV·deg 出口 Twiss 参数 α β Emittance[rms] x −1.77 1.43 mm/(πmrad) 3.30 πmm·mrad y −2.81 2.07 mm/(πmrad) 3.83 πmm·mrad z 0.37 37.70 deg/(π·MeV) 11.05 πMeV·deg
Beam Dynamic Design of IH-DTL with Built-in Permanent Magnet Quadrupole Lens
doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022025
- Received Date: 2023-02-25
- Rev Recd Date: 2023-06-24
- Available Online: 2024-02-04
- Publish Date: 2023-12-20
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Key words:
- IH-DTL /
- KONUS /
- permanent magnet quadrupole lens
Abstract: Based on KONUS dynamics, the beam dynamic design of a compact IH-DTL with built-in permanent magnet quadrupole lens was completed. The DTL consists 37 acceleration cells and two sets of permanent magnet quadrupole lenses, enabling the acceleration of C6+ ion beam of 20 emA from 0.5 MeV/u to 4.0 MeV/u. Throughout the design process, significant focus was placed on optimizing the voltage of the acceleration gap, the parameters of the quadrupole magnet, the phase setting of the beam injection, and the energy and phase setting of the 0-degree reference particle to control the transverse and longitudinal emittance growth of the high-current ion beam in the low-energy range. Consequently, transverse normalized RMS acceptance of the IH-DTL reaches 0.37 πmm · mrad, and the transmission efficiency exceeds 95%.
Citation: | Bo ZHANG, Yao YANG, Yu TANG, Yuhan ZHAI, Huanyu ZHAO. Beam Dynamic Design of IH-DTL with Built-in Permanent Magnet Quadrupole Lens[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 534-540. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2022025 |