歐陽華甫，劉盛進，肖永川，呂永佳，曹秀霞，薛康佳，李 輝，朱仁麗，陳衛(wèi)東

（中國科學院高能物理研究所 東莞分部，廣東 東莞 523803）

0 引言

中國散裂中子源（CSNS）是一個基于高功率加速器的多學科的實驗平臺，由加速器、靶站和譜儀三部分構(gòu)成.加速器則主要由一臺能量為81 MeV 的負氫直線加速器（LINAC）、一臺能量為1.6 GeV 的快循環(huán)同步加速器（RCS）和兩條束流傳輸線構(gòu)成.負氫直線加速器由一臺能量為50 keV 的潘寧表面等離子體負氫離子源（IS）、一條長度為1.6 m 的低能束流傳輸線（LEBT）、一臺能量為3.0 MeV 的射頻四極加速器（RFQ）、一條長度約為3.0 m 的中能束流傳輸線（MEBT）、一臺能量為81 MeV 的漂移管直線加速器（DTL）及一條長度約為150 m的高能束流傳輸線（HEBT）組成.如圖1所示，加速器前端系統(tǒng)是指直線加速器的起始部分，包含負氫離子源、低能束流傳輸線、射頻四極加速器及中能傳輸線.作為直線加速器的起點，前端系統(tǒng)是CSNS 的重要和關(guān)鍵組成部分，為CSNS 提供所需要的負氫束流.前端系統(tǒng)能否提供穩(wěn)定可靠的束流，直接決定了CSNS 的運行效率.事實上，由于前端系統(tǒng)的復雜性及高難度，其故障率也一直偏高.

基于CSNS一期100 kW打靶束流功率的要求，前端系統(tǒng)需提供重復頻率為25 Hz，脈沖寬度為400 μs，束流占空比為1%，能量為3.0 MeV，最大脈沖強度為15 mA的脈沖負氫束流.另外，前端系統(tǒng)還需在低能傳輸線對脈寬為400 μs的宏脈沖束流進行切束處理，把束流切成重復頻率約為1 MHz，脈寬約為500 ns（根據(jù)需求可進行調(diào)整）的微束團，以滿足束流從直線加速器到RCS多圈注入的物理要求.15 mA 的脈沖束流需求，已經(jīng)考慮到了束流50%切束損失、直線加速器傳輸損失及RCS環(huán)注入及傳輸損失，因為100 kW的打靶束流功率對應(yīng)切束前后的負氫束流強度為6.25 mA.

圖1 CSNS前端系統(tǒng)示意圖

自2015年完成前端系統(tǒng)的安裝和初步調(diào)試后，前端系統(tǒng)能夠滿足散裂中子源后續(xù)功率提升過程中所需要的各種束流強度及出束模式需求，但其穩(wěn)定性在調(diào)試及運行時并不太令人滿意.前端系統(tǒng)的不穩(wěn)定性主要來自離子源高壓打火（包括引出電壓及加速電壓）及RFQ 腔體高功率下的射頻打火.為此，在后續(xù)5年的調(diào)試和運行中，針對前端系統(tǒng)上述問題進行了諸多軟硬件上的改進，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性及運行效率有了極大的提高.同時，由于運行人員對系統(tǒng)了解的加深及運行經(jīng)驗的提高，前端系統(tǒng)的故障率得到進一步改善.

1 潘寧表面等離子體負氫離子源（IS）

離子源是加速器的起點，用于產(chǎn)生CSNS 所需的負氫離子束.其關(guān)鍵是要能夠提供大流強、低發(fā)射度的負氫離子束，同時離子源運行穩(wěn)定可靠、使用壽命適當.離子源能否提供高品質(zhì)的穩(wěn)定束流關(guān)系到整個加速器及散裂中子源的性能和運行效率.CSNS 采用的是潘寧（Penning）表面等離子體負氫離子源，該類型離子源在流強、發(fā)射度及使用壽命等方面都滿足CSNS 一期要求，造價也相對便宜.潘寧表面等離子體負氫離子源是一種弧放電需要注銫的離子源，只有往放電室注入合適的銫蒸汽，才能得到穩(wěn)定的弧放電及足夠大的負氫束流.CSNS負氫離子源的主要束流參數(shù)如表1所示.

表1 負氫離子源的主要束流參數(shù)

如表1 所示，離子源的引出能量選擇為50 keV，兼顧了包括離子源的高壓難度及穩(wěn)定性、低能傳輸線束流發(fā)射度增長、RFQ 的注入能量等幾個方面的因素.離子源輸出脈沖束流強度必須大于20 mA，是因為必須考慮前端系統(tǒng)自身的束流傳輸效率.通常情況下，前端系統(tǒng)的束流傳輸效率大于75%.離子源束流占空比為1.3%，也遠遠超出了CSNS對前端束流占空比1%的要求.離子源的主要構(gòu)成、放電室組件及安裝情況如圖2所示.束流（包括電子和負氫）垂直向下引出后，通過90°偏轉(zhuǎn)磁鐵的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)引出負氫束流與引出電子的分離，電子損失在偏轉(zhuǎn)磁鐵中，負氫束流偏轉(zhuǎn)90°后繼續(xù)沿水平方向傳輸進入低能傳輸線.該離子源的壽命約為30～50天，基本滿足散裂中子源用戶需求.離子源的壽命主要受限于離子源核心部件——放電室的濺射損傷.放電室主要包括縫板、陽極、陰極、陶瓷絕緣環(huán)和放電室殼體.新放電室的安裝和調(diào)試準備工作可以事先在實驗室進行.目前，將壽命到期的舊放電室（包括放電室相關(guān)部件）更換成新放電室并讓離子源重新正常工作所需要的時間約為4～6 個小時，因放電室的更換必須在大氣壓下進行，時間主要用在系統(tǒng)的真空恢復上.

圖2 離子源的主要構(gòu)成、放電室組件及安裝情況圖

中國散裂中子源的調(diào)試和運行至今已超過5 年時間，總共使用了約40 套放電室，使用時間最長的一套放電室為55 天.一般而言，對每一套放電室，在重復頻率為25 Hz，脈沖寬度為400 μs，束流占空比為1%的運行狀態(tài)下，離子源最大能引出約50 mA 的負氫束流，束流的歸一化均方根發(fā)射度約為0.8 πmm·mrad，大于 RFQ 所需要的 0.2 πmm·mrad 接收度，但仍有超過 20 mA 的束流小于 RFQ 的接收度，滿足CSNS一期對離子源束流強度的要求.為了確保RFQ的傳輸效率，我們將多余的、不滿足RFQ接收度的束流通過安裝在RFQ 入口、LEBT 末端第三真空腔內(nèi)的束流準直器進行刮除.事實上，在CSNS日常運行中，離子源引出的負氫束流只要大于30 mA 就能實現(xiàn)100 kW 打靶束流功率.離子源從2014年10月安裝到隧道至今，針對離子源的穩(wěn)定性問題我們已經(jīng)進行了諸多改進.首先，把等離子體放電所需的潘寧電磁鐵更換成永磁鐵.永磁鐵因無供電需求，安裝位置更加靈活，方便永磁鐵和離子源放電室安裝在相同法蘭上.這樣，放電室與永磁鐵所處電位相同，避免了永磁鐵與放電室間的打火，提高了離子源穩(wěn)定性.其次，將離子源引出電源從電源廳移至隧道離子源旁邊，引出電源輸出電纜長度變短，減少了線纜的寄生電感及電纜的感應(yīng)電壓，引出負載電壓更加穩(wěn)定.再次，更換了新的加速高壓絕緣陶瓷件，與舊的高壓絕緣件相比，新的高壓絕緣件增加了一個高為45 mm的陶瓷衣領(lǐng)，在保證加速間隙不變的情況下增大了絕緣件的爬電距離（增大了90 mm），使50 kV加速高壓打火問題得到了徹底解決.最后，用功率更大的直流高壓加速電源（65 kV/80 mA）代替原高壓加速電源（55 kV/10 mA），省去了高壓電源的外接電容，打火能量得到了很好的控制，設(shè)備更加安全.經(jīng)過這些改進，徹底解決了加速高壓的打火問題、放電室與潘寧磁鐵之間的打火問題以及引出輸出線纜寄生電感帶來的問題，控制了高壓打火的能量.離子源的穩(wěn)定性及可靠性得到極大的提高［1］.

但是引出高壓打火的問題并未得到徹底解決，可能還會存在一段時間.只有當銫注入量的問題得到解決后，引出高壓打火的問題才能避免.正如前面所述，潘寧表面等離子體負氫離子源是一種弧放電需要注銫的離子源，只有往放電室注入合適的銫蒸氣，才能得到穩(wěn)定的弧放電及足夠大的負氫束流.銫的熔點為28.4oC，沸點為678.4oC，離子源銫的工作溫度遠遠小于銫的沸點溫度.引出高壓的打火原因是銫蒸氣在包括引出電極、引出電極陶瓷絕緣柱等上的沉積及積累降低了引出高壓的絕緣耐壓.為了提高等離子體放電的負氫產(chǎn)額，一般都會往負氫離子源放電室注入銫蒸氣.注入放電室內(nèi)的銫蒸氣量必須嚴格控制，當銫原子鋪滿放電室陰極（金屬鉬）表面晶格原子的60%，負氫產(chǎn)額最佳.目前，我們是通過控制銫鍋及銫傳輸管道的溫度來控制銫的蒸氣壓，從而控制銫注入放電室的流量.我們知道，蒸氣壓只與溫度有關(guān)，是溫度的指數(shù)函數(shù).只有嚴格控制好銫的注入量，才能保證離子源的最佳出束狀態(tài)，同時避免引出高壓的打火，保證離子源運行的穩(wěn)定性.雖然銫的注入量物理上可以通過銫的蒸氣壓及放電室的壓力差計算出來，也可以通過光譜儀測量放電室里銫蒸氣的濃度得到，但要在線同步控制銫的注入量并非易事.實際運行中，我們是通過銫注入量對等離子體放電的外在表現(xiàn)來實現(xiàn)銫注入量的間接控制.銫注入量主要對等離子體放電以下參數(shù)或波形有影響：（1）弧放電電壓的大?。ǚ€(wěn)流工作模式）；（2）引出電流的大?。òㄘ摎涫骱碗娮樱?；（3）負氫束流流強的大小；（4）負氫束流脈沖波形的形狀和光滑度.原則上，除了最后一點以外，其他三個都可以用來作為銫注入量的反饋參數(shù)，實現(xiàn)銫的注入量閉環(huán)控制.圖3 顯示的是離子源輸出的三種負氫束流脈沖波形，分別代表銫注入量不足、適量和過多的情況.如圖3所示，當銫注入量不足時，負氫束流脈沖波形平頂會很不光滑，而當銫注入量過多時，脈沖內(nèi)的負氫束流的大小會出現(xiàn)前高后低的現(xiàn)象.

圖3 離子源輸出的三種負氫束流脈沖波形（曲線1），從左至右分別代表銫注入量的不足、適量和過多三種情況

另外，針對加速器低占空比或單發(fā)模式下的調(diào)試、運行等特殊情況下，引出高壓容易打火的問題，研制了一臺新型的、具有雙脈沖輸出的引出電源.在進行物理調(diào)試及機器研究時束流損失通常會比較大，為了避免束流損失造成的設(shè)備損傷，加速器調(diào)試和機器研究需在低占空比（如1 Hz/100 μs）或單發(fā)模式下（降低束流的平均功率）進行.這時也是離子源引出電壓最易出現(xiàn)打火或引出過流問題，原因是這時打在引出電極的束流（電子和負氫打在引出電極上的束流具有很好的清銫功能）平均量很小，引出電極此時很容易積銫，降低引出電極的耐壓.為解決物理調(diào)試和機器研究時加速器低占空比或單發(fā)模式運行下的引出電壓打火問題，我們研制了一種新型的雙脈沖輸出引出電源，該引出電源能夠先后輸出兩個電壓脈沖.如圖4 所示，利用該電源的25 Hz、低電壓（電壓＜8 kV）、寬脈沖引出的束流，可以清除引出電極上的積銫.該脈沖束流因能量低，全部損失在LEBT 而不會進入RFQ，對下游加速器沒有任何影響.而另一個正常的1 Hz、正常電壓（14～17 kV）、窄脈沖引出的束流可以通過LEBT 進入到RFQ.當然，在100 kW束流功率運行（25 Hz/400 μs）時，如有需要，我們也會啟用引出電源的除銫功能.

圖4 利用新的引出電源，離子源可引出兩個脈沖束流（曲線1），左邊的是正常的束流脈沖，右邊的是除銫脈沖，曲線2顯示的是離子源的弧流脈沖波形

為了提高前端系統(tǒng)的穩(wěn)定性，除了上述硬件上的改進，我們在軟件方面也做了諸多改進和提高.第一，規(guī)范化離子源放電室的安裝及更換步驟和流程，提高了離子源放電室的可靠性和一致性；第二，在控制上，我們設(shè)計了三個閉環(huán)控制程序分別用來控制銫蒸氣的注入量、離子源的引出束流軌道及打靶束流功率.圖5顯示的是這三個閉環(huán)控制程序的操作界面.第一個閉環(huán)控制程序是離子源引出電壓自動調(diào)節(jié)程序，該程序的功能是根據(jù)引出電流的大小自動調(diào)節(jié)引出電壓的設(shè)定值，來確保負載電壓的穩(wěn)定和束流軌道穩(wěn)定在中心位置.因為引出電源輸出線路上串聯(lián)電阻的存在（保證電源引出打火時的安全），引出電流的波動會改變串聯(lián)電阻上的電壓降從而導致負載電壓的變化，為了保持負載電壓和束流軌道穩(wěn)定，這時就必須調(diào)節(jié)引出電壓的設(shè)置值.

圖5 前端系統(tǒng)的三個閉環(huán)控制程序操作界面

如圖5 所示，引出電壓的設(shè)定值的調(diào)節(jié)步長可以精確到0.05 kV.第二個閉環(huán)控制程序是LEBT SOLPS01（低能傳輸線1 號聚焦螺線管）電流自動調(diào)節(jié)程序.正如前面所述，目前離子源具有提供大于100 kW 束流功率的能力，多余的束流可以通過低能傳輸線安裝的束流準直器刮除.調(diào)節(jié)低能傳輸線第一個螺線管勵磁電流的大小，即可調(diào)節(jié)螺線管的聚焦，改變束流在束流準直器處包絡(luò)的大小，從而改變束流準直器刮除束流的量，也即進入RFQ 束流大小，實現(xiàn)螺線管勵磁電流和打靶束流功率的閉環(huán)控制和功率的鎖定.操作界面中，打靶束流功率控制在100～101 kW 之間，螺線管勵磁電流改變的步長為0.5 A.圖6顯示的是2021年4月2日—3日24小時的打靶束流功率曲線.從圖6可以看出，打靶束流功率的穩(wěn)定性非常好，這一天的運行效率也達到了98.97%.

圖6 CSNS 24小時打靶束流功率圖

第三個閉環(huán)控制程序是銫鍋（或管道2）溫度自動調(diào)節(jié)程序，利用引出負氫束流和引出電流的大小與銫蒸氣的注入量即色溫的相關(guān)性，根據(jù)CSNS 100 kW束流功率運行對引出負氫束流的實際需要（一般需要大于30 mA）以及引出電流上限（引出電流太大，容易導致引出電源的過流保護），自動調(diào)節(jié)銫鍋（或管道2）的溫度.CSNS 離子源的供銫系統(tǒng)如圖7 所示，主要包括銫鍋、銫傳輸管道1 和管道2.銫鍋和管道1 位于真空外，外纏電加熱絲及絕熱玻璃帶，并裝有熱偶測溫.管道2 位于真空內(nèi)，也是外纏電熱絲并裝有熱偶測溫.三者可以獨立加熱和測溫.通常情況下，銫鍋的溫度為140～170oC，管道1和管道2的溫度為260～280oC.在銫注入量適量的情況下，引出負氫束流的大小與銫的注入量（或溫度）正相關(guān)，而引出電流則與銫的注入量（或溫度）反相關(guān)（在不考慮漏電流的情況下）.但是，由于銫蒸汽在包括引出電極、引出電極陶瓷絕緣柱等上的沉積及積累，在放電室使用一段時間后，引出電流中的漏電流會占主導地位，這時引出電流與銫溫正相關(guān).如果前期銫的注入量沒有嚴格控制好，引出高壓打火及引出過流此時就很容易發(fā)生.在離子源的實際運行中，我們可根據(jù)離子源的運行狀態(tài)選擇銫鍋的溫度或管道2 的溫度作為調(diào)節(jié)參數(shù).圖5控制界面顯示的是選擇管道2作為調(diào)節(jié)參數(shù).管道2因為緊靠放電室，引出負氫束流的流強（表征為LEBTCT01）對管道2 的響應(yīng)更加快速.LEBTCT01 是通過安裝在離子源的出口、LEBT入口的束流變壓器（CT01）測量得到的.這里最小LEBTCT01 設(shè)置值為33 mA，最大LEBTCT01 設(shè)置值為36 mA.當LEBTCT01 的值大于36 mA 時，程序會自動按照設(shè)定的溫度調(diào)節(jié)步長（這里為0.5oC），在設(shè)定的降溫調(diào)節(jié)時間間隔內(nèi)（這里為600 s）降溫；當LEBTCT01的值小于33 mA時，程序也會自動按照設(shè)定的溫度調(diào)節(jié)步長（這里為0.5oC），在設(shè)定的升溫調(diào)節(jié)時間間隔（這里為6×600 s）升溫；因為銫的注入量有累積效應(yīng)，所以選擇的升溫時間間隔更長.而當LEBTCT01 的值在33～36 mA 之間，保持色溫不變.另外，為確保離子源運行的穩(wěn)定性，程序還設(shè)置了最大引出電流（550 mA）和最小引出電流（300 mA）的安全范圍，只有在設(shè)定的引出電流范圍內(nèi)，銫溫才進行調(diào)節(jié).自從啟用銫溫自動調(diào)節(jié)程序后，前端系統(tǒng)實現(xiàn)了電話（on-call）值班，既節(jié)省了人力，同時離子源的運行也更加穩(wěn)定.盡管如此，對于不同放電室，銫溫自動調(diào)節(jié)程序中的參數(shù)設(shè)定值也會不同，需要根據(jù)離子源的具體放電狀態(tài)進行調(diào)整.

圖7 CSNS離子源的供銫系統(tǒng)，包括銫鍋、銫傳輸管道1及銫傳輸管道2

2 低能束流傳輸線（LEBT）

如圖1 所示，LEBT 主要包括三個聚焦螺線管、兩個雙向?qū)蜩F、一套雙縫掃描發(fā)射度測量儀、一個偏轉(zhuǎn)板型靜電預(yù)切束器及一個束流準直器.發(fā)射度測量儀安裝在第一個螺線管下游LEBT 中間的位置.圖8 顯示的是束流強度為53 mA 時，由LEBT 發(fā)射度測量儀測得的束流發(fā)射度結(jié)果.測量結(jié)果表明，x 方向和y方向的歸一化均方根發(fā)射度分別為0.892 πmm·mrad和0.742 πmm·mrad.在發(fā)射度0.2 πmm·mrad內(nèi)，x方向和y方向的束流強度分別為15 mA和25 mA，基本滿足CSNS一期對離子源束流強度的要求.顯然，束流在兩個方向的發(fā)射度并不是旋轉(zhuǎn)對稱的，這也正是LEBT 采用3 個螺旋管而非傳統(tǒng)的2 個螺旋管的原因.理論和實驗表明，采用3 個螺旋管可以將非旋轉(zhuǎn)對稱的束流轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)對稱束流，實現(xiàn)離子源束流與RFQ接收度的匹配.

圖8 LEBT束流發(fā)射度測量結(jié)果：左側(cè)上下兩圖分別顯示的是流強為53 mA時x方向和y方向的發(fā)射度；右側(cè)上下兩圖分別顯示的是x方向和y方向不同發(fā)射度（相空間中面積）內(nèi)所包含的流強大小

因為從離子源引出的負氫束流歸一化均方根發(fā)射度約為0.8 πmm·mrad，大于RFQ 接收度0.2 πmm·mrad 的要求，在LEBT 未安裝束流準直器的初始調(diào)試階段，如圖9 左所示，RFQ 的束流傳輸效率通常只有75%～88.5%（這里為86.5%），但RFQ出口的束流強度（MEBTCT01）可以高達30多毫安（這里為34.81 mA），遠遠大于CSNS 100 kW 打靶束流功率要求的12.5 mA 束流強度.為了提高RFQ 的束流傳輸效率，減少損失束流對RFQ 腔體損害的風險，我們在RFQ 入口、LEBT 末端的第三真空腔內(nèi)安裝了一個束流準直器，將發(fā)射度大于RFQ 接收度的束流刮除.有了束流準直器后，如圖9（b）所示，RFQ 的束流傳輸效率提高到92%～97%之間.RFQ 出口束流強度越小，RFQ 束流傳輸線效率越高（這里束流強度為16.726 mA，傳輸效率為92.1%）.

圖9 RFQ在有無束流準直器時的束流傳輸效率

如前所述，為了提高束流從直線加速器到RCS 的注入及加速效率，前端系統(tǒng)還需在低能傳輸線對脈寬為400 μs 的宏脈沖束流進行切束處理，把束流切成重復頻率約為1 MHz，脈寬約為500 ns（根據(jù)需求可進行調(diào)整）的微束團.為此，我們在RFQ 入口、LEBT 的末端的第三真空腔內(nèi)安裝了一個偏轉(zhuǎn)板型靜電預(yù)切束器.之所以稱之為預(yù)切束器，是因為切束后的束流，如果其上升沿/下降沿不滿足要求，還需在MEBT 安裝另一個切束器對束流上升沿/下降沿再切束，直至切束束流的上升沿/下降沿滿足RCS 要求.預(yù)切束器安裝在RFQ 的入口、LEBT 的末端，一方面，可以避免破壞束流在LEBT 的空間電荷中和效應(yīng)，而空間電荷中和效應(yīng)對減少束流在LEBT 傳輸?shù)陌l(fā)射度增長非常重要［2-3］；另一方面，因為束流在RFQ入口為匯聚束，束流包絡(luò)小，這樣靜電預(yù)切束器尺寸就小，其負載電容也小，切束束流的上升沿/下降沿也就小.為進一步減小偏轉(zhuǎn)板型靜電預(yù)切束器的負載電容，兩塊偏轉(zhuǎn)板之間并非平行，而是讓偏轉(zhuǎn)板之間的間隙隨匯聚束流包絡(luò)的減小而減小，同時，偏轉(zhuǎn)板的寬度也隨包絡(luò)變小而變小.這樣就可以進一步減小切束器的負載電容及工作偏轉(zhuǎn)電壓，減小切束束流的上升沿/下降沿.但是，因為預(yù)切束器緊靠RFQ 的入口，切除的部分束流會損失在RFQ 加速器中，對RFQ 的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.圖10 顯示的是重復頻率為1 Hz、脈寬為100 μs宏脈沖束流經(jīng)過切束后的測量結(jié)果.實驗中，切束器將脈寬為100 μs的宏脈沖切成脈寬為500 ns、重復頻率為1 MHz的微脈沖，切束率為50%.切束率可以根據(jù)實際運行需求進行優(yōu)化調(diào)整.目前，在CSNS 100 kW打靶束流功率運行中，切束率經(jīng)過優(yōu)化后選擇為43%，即切除的束流比例為43%.

圖10 RFQ出口束流的BPM信號.上：切束后脈寬為500 ns的微脈沖；中：微脈沖束流上升沿約10～12 ns；下：微脈沖束流下降沿約10～12 ns

圖10 顯示的信號為RFQ 出口，由束流位置監(jiān)視器（BPM）給出的束流信號.加載的切束電壓為4.5 kV.理論上，只要加載的切束電壓大于3.9 kV 即可徹底切除不需要的束流.但是加載的電壓越大，切束束流的上升沿/下降沿就越小.從圖10 可以看出，切束束流的上升沿/下降沿約為3～4 個射頻（RF）脈沖周期.CSNS直線加速器的射頻工作頻率為324 MHz，一個RF周期的時間為3.086 ns.因此，切束束流的上升沿/下降沿約為10 ns，達到了此類切束器的世界最好水平.由于CSNS LEBT 預(yù)切束器完美的切束結(jié)果，MEBT 不再需要另外安裝切束器，為MEBT 結(jié)構(gòu)設(shè)計和束流物理的優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件.利用LEBT的靜電切束器，前端系統(tǒng)可以提供豐富的出束模式，更好地服務(wù)于加速器的調(diào)試和研究，如單發(fā)模式、單束團模式、雙束團模式以及各種脈寬和重復頻率的束流模式.

3 射頻四極加速器（RFQ）

CSNS RFQ 是一個集橫向聚焦、縱向聚束及縱向加速于一身的四翼型射頻加速結(jié)構(gòu)，也是CSNS 加速器的第一個加速結(jié)構(gòu).RFQ將離子源產(chǎn)生的能量為50 keV的負氫束流加速至能量3.0 MeV.盡管CSNS一期100 kW 打靶束流功率只要求前端系統(tǒng)提供束流強度為15 mA、脈寬為400 μs、重復頻率為25 Hz的脈沖束流，但考慮到CSNS二期升級的需要，RFQ 設(shè)計的脈沖束流強度選擇為40 mA［4］，同時RFQ 腔體的冷卻設(shè)計也是按CSNS二期的RF占空比進行的，RFQ設(shè)計的參數(shù)值如表2所示.

表2 CSNS RFQ的主要設(shè)計參數(shù)

正如前面所述，為了盡量減小預(yù)切束器的負載電容、切束電壓及切束束流上升沿/下降沿，預(yù)切束器安裝在RFQ 的入口、LEBT 末端的第三真空腔里.這就導致切除的束流部分損失在RFQ 加速腔內(nèi)，造成RFQ 加速腔的慢損害及RFQ 的射頻打火，影響RFQ 運行的穩(wěn)定性.在CSNS初期的10 kW 打靶束流功率調(diào)試和運行期間，切除束流對RFQ 的穩(wěn)定運行幾乎毫無影響.但在2018 年5 月，隨著CSNS 打靶束流功率提高到20 kW，切除束流對RFQ 的穩(wěn)定影響越來越大，甚至到了RFQ 不能運行的程度，必須停束并進行RFQ 射頻高功率老練，老練后運行方能繼續(xù)下去.經(jīng)過理論和實驗分析，RFQ 打火原因聚焦在切除束流上.根據(jù)注入RFQ 的束流參數(shù)，理論熱分析表明損失在RFQ 腔上的束流功率不可能融化RFQ 的金屬銅電極，只能是束流打在電極上產(chǎn)生的濺射，損害了電極表面的光潔度，導致高功率下電極間的耐壓不夠而引起射頻打火.為此，我們將預(yù)切束器繞束流方向旋轉(zhuǎn)45°角重新安裝，使切除的束流從RFQ 兩個電極之間的間隙中進入RFQ 腔體，打在RFQ 的腔壁上.RFQ 腔壁處為RF 電磁場的磁場區(qū)，RF 電場幾乎為零.這樣即使RFQ 腔壁表面的光潔度變差，也不會引起RF 打火.同時，物理上通過調(diào)整LEBT 第三個螺旋管的聚焦，確保進入RFQ 束流的包絡(luò)小于RFQ 電極之間的間隙；機械上通過調(diào)整RFQ 入口端板束流孔徑的尺寸，限制進入RFQ 束流的包絡(luò)，使包絡(luò)小于RFQ 電極間的間隙.盡管如此，在加速器的實際運行中，由于從離子源引出束的束流參數(shù)波動，物理上很難百分百保證束流包絡(luò)小于RFQ 電極間的間隙，仍有少量束流會打在RFQ 電極上，引起RFQ 的打火.因此，離子源的穩(wěn)定性至關(guān)重要.加速器的實際運行表明，離子源運行越穩(wěn)定，表征RFQ 打火的駐波比（SWR）保護次數(shù)就越少、RFQ 的運行也越穩(wěn)定.

另外，在加速器100 kW 打靶束流功率的實際運行中，為減少RFQ 打火的次數(shù)，我們采取了更加智能的射頻功率饋入模式，即當RFQ正常工作時，RFQ射頻功率以正常的脈沖寬度500 μs，重復頻率25 Hz的饋入模式進行.但RFQ 因打火發(fā)生駐波比保護時，RFQ 的低電平控制系統(tǒng)會及時地切斷該脈沖剩余時間的功率饋入，同時暫停接下來的24個脈沖的功率饋入.同時，離子源也會暫停接下來的24脈沖的束流引出，即CSNS 系統(tǒng)會暫時停束1 s，然后自動恢復出束.這樣做的優(yōu)點是，避免了RFQ 打火時RFQ 腔體內(nèi)真空的急促惡化，減小了打火對RFQ的損傷.

通過以上改進后，CSNS 100 kW打靶束流功率運行時RFQ的穩(wěn)定性得到了很好的改善.RFQ每天24小時的駐波比保護次數(shù)長期穩(wěn)定在約100～150 次的范圍內(nèi)，即RFQ 每天24 小時因為腔體打火而停束的故障時間約為100～150 s.

如表2 所示，RFQ 腔體的功率損耗為390 kW.物理上，RFQ 的饋入射頻功率只需390 kW，就能在腔體內(nèi)建立起所需要的電場強度.在RFQ的實際運行中，為了使RFQ束流傳輸效率更高，RFQ的饋入射頻功率一直維持在400 kW.最近，為了進一步減少RFQ的駐波比保護次數(shù)，我們將RFQ的饋入功率從以前的400 kW降到393 kW，RFQ每天24小時的駐波比保護次數(shù)也相應(yīng)下降到50次左右.

4 中能束流傳輸線（MEBT）

由于不需要安裝切束器，MEBT 的結(jié)構(gòu)設(shè)計及束流物理都很完美.MEBT 自2015 年開始調(diào)試運行以來，MEBT所有設(shè)備包括各種束測元件、2個聚束腔以及10塊四極磁鐵運行都基本正常.在MEBT測得的束流歸一化均方根發(fā)射度在x 和y 方向皆約為0.23 πmm·mrad.MEBT 的束流傳輸效率也基本保持在100%，幾乎沒有損失.

5 前端系統(tǒng)運行狀態(tài)

前端系統(tǒng)作為一個整體，在近三年（2018—2020 年）CSNS 運行中，其故障時間在所有分系統(tǒng)的排名基本都是名列三甲.圖11 給出了前端系統(tǒng)近三年的故障時間統(tǒng)計及在所有分系統(tǒng)中的占比.前端系統(tǒng)的故障基本都集中在離子源和RFQ 上.離子源的故障時間分布比較復雜，主要集中在離子源放電室更換、起弧放電以及離子源的穩(wěn)定性等方面.離子源放電室只有一個多月的壽命，需要及時定期更換.但是離子源放電室是否還能繼續(xù)正常工作，很難判斷.因為大多數(shù)情況下是放電室突然短路就沒法正常工作了，需要立即更換新的放電室.而非計劃性的更換放電室，所占的時間都算故障時間.如果在更換放電室的過程中出現(xiàn)紕漏，比如更換的新放電室不能正常放電（盡管在實驗室一切正常），那么僅一次故障就會占去幾十個小時的時間.2018 年和2019 年離子源的故障時間偏長就是這個原因.因為離子源穩(wěn)定性問題造成的故障主要是銫的使用不當造成的，如引出高壓打火、引出電流過流等.自從啟用銫溫自動調(diào)節(jié)程序以來，離子源的穩(wěn)定性得到了很大的提高.RFQ 的故障時間基本都是因為RFQ 打火，需要長時間射頻老練所耗費的時間.2019年RFQ 打火故障是因為加速器機器研究時，長時間啟用96%的束流切束率，過多的切除束流損失在RFQ 腔體里，造成了RFQ 的損傷.2020 年的RFQ 故障主要因為離子源銫使用不當造成的束流不穩(wěn)引起的RFQ 打火損傷.因此，必須確保離子源的穩(wěn)定運行和離子源放電室的及時更換，才能將前端系統(tǒng)的故障時間降下來.當然，LEBT 束流切束方案的改進是解決RFQ 打火問題的根本.如何在保證切束束流上升沿/下降沿的前提下，將切除束流對RFQ的影響降到最低是關(guān)鍵.另外，我們也在開發(fā)新的負氫離子源——RF負氫離子源，該類型的離子源有更長的使用壽命［5］.

圖11 前端系統(tǒng)近三年（2018—2020年）的故障時間統(tǒng)計及在所有分系統(tǒng)中的占比

6 結(jié)語

前端系統(tǒng)能夠提供CSNS 100 kW打靶束流功率運行所需要的流強及RCS加速器注入需要的束流結(jié)構(gòu).離子源經(jīng)過多次軟硬件上的改進，尤其是銫溫自動調(diào)節(jié)程序的啟用，離子源的穩(wěn)定性得到了很大的提高.LEBT 低能傳輸線束流準直器的使用提高了RFQ 的傳輸效率，安裝在RFQ 入口的靜電切束器在滿足切束束流上升沿/下降沿的同時，也帶來RFQ 打火的穩(wěn)定性問題.通過調(diào)整靜電切束器的安裝角度及穩(wěn)定注入RFQ束流包絡(luò)，原則上可以解決RFQ的打火問題.目前情況下，離子源的穩(wěn)定運行對RFQ的穩(wěn)定運行至關(guān)重要.