强流加速器中子源高能束流传输线的束流均匀化研究

苏浩泉; 孔国庆; 李竞伦; 潘文龙; 陈勇奇; 胡耀程; 姜泉旭; 杨京鹤; 李海鹏; 王盛

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (12) : 92 -104.

苏浩泉, 孔国庆, 李竞伦, 潘文龙, 陈勇奇, 胡耀程, 姜泉旭, 杨京鹤, 李海鹏, 王盛

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摘要

为满足强流连续波运行模式下加速器中子源对高传输效率与束流均匀度的双重要求，开展了高能束流传输线(HEBT)的束流动力学设计与均匀化研究，提出了一种兼顾双靶供束与末端均匀展宽的HEBT结构优化方案。设计通过磁铁布局优化，实现了质子能量2.8 MeV、束流强度20 mA、束流占空比100%的质子束从加速器出口至靶终端的高效传输，传输效率超过99.90%。在终端段前引入1台双向偏转2极磁铁，实现对2个靶站的独立供束，显著提升了束流利用率。针对终端段空间紧凑的问题，通过在偏转磁铁后设计了由2组双单元4极磁铁和2台连续布置的8极磁铁构成的组合磁铁布局，在3.2 m空间内实现了x、y方向的均匀展宽，并在靶面上形成了边长约110 mm,均匀度超过90%的方形束斑，从而兼顾了高传输效率与高均匀度需求。通过调节终端段4极与8极磁铁参数，实现了在50～130 mm范围内灵活调控束斑尺寸，均匀度保持在86%以上。采用TraceWin进行多粒子追踪模拟，系统评估了该方案在非理想入射束流和磁铁误差条件下的稳定性。进一步引入束流位置监测器与校正磁铁的联合控制机制，建立反馈回路，实现了束流轨道的有效校正，降低误差对传输性能的影响。1 000次随机误差模拟结果表明：该设计在多种工况下均能保持传输效率大于99.84%,均匀度大于80%,验证了其良好的误差容忍性与工程可实现性。