Simulation and source design of large area uniform bremsstrahlung field
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摘要: 基于蒙特卡罗方法建立了单环及双环平行电子束轰击钽靶模型，以此模拟环形二极管产生轫致辐射场的过程。模型选用电子束能量为1.5 MeV，钽金属靶厚度为200 μm，并采用探测器计数方法对单环电子束在靶后10 cm产生的轫致辐射场剂量进行模拟研究。对于单环二极管结构，环内径是影响靶后轫致辐射场均匀性的主要因素，内径越大，中心剂量均匀性越差。相比环内径，环宽则主要影响辐射场的剂量大小，对于均匀性的影响较小。当单环内径为19 cm、外径为20 cm时，能得到最大面积为
2 290.221 cm2的均匀辐射场。双环二极管结构对比单环结构能得到更大面积的均匀辐射场。但外环环径的变化会导致辐射场剂量分布出现多级峰值，同时对辐射场各个区域的均匀性造成影响。模拟结果表明，通过在上述单环结构外侧添加内径为43.5 cm、外径为44.167 cm的同心外环，可将满足均匀度要求的辐射场面积增大至7 238.229 cm2。Abstract: Bremsstrahlung diode is an important device for obtaining large area uniform bremsstrahlung field in laboratory. In this paper, based on Monte Carlo method, a model of single and double ring parallel electron beam bombarding tantalum target is established to simulate the process of bremsstrahlung field generated by ring diode. The electron beam energy is 1.5 MeV, the tantalum target thickness is 200 μm, and the dose of bremsstrahlung field generated by a single ring electron beam 10 cm behind the target is simulated by detector counting method. For single-ring diode structure, the inner diameter of the ring is the main factor affecting the bremsstrahlung field uniformity behind the target, and the larger the inner diameter, the worse the central dose uniformity. Compared with the inner diameter of the ring, the ring width mainly affects the dose of the radiation field, but has little influence on the uniformity. When the inner diameter of a single ring is 19 cm and the outer diameter is 20 cm, a uniform radiation field with a maximum area of2290.221 cm2 can be obtained. When the inner diameter of a single ring is 19 cm and the outer diameter is 20 cm, a uniform radiation field with a maximum area of2290.221 cm2 can be obtained. The double-loop diode structure can obtain a larger area of uniform radiation field than the single-loop structure. However, the variation of the outer ring diameter leads to multi-level peaks in the dose distribution of the radiation field, which also affects the homogeneity of each region of the radiation field. The simulation results show that by adding a concentric outer ring with an inner diameter of 43.5 cm and an outer diameter of 44.167 cm to the outside of the single ring structure, the radiation field area meeting the uniformity requirement can be increased to7238.229 cm2.-
Key words:
- X-ray /
- ring diode /
- bremsstrahlung /
- Monte Carlo method /
- homogeneity
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BEPCⅡ储存环上安装着两台日本生产的500 MHz超导腔(每个环上一台)，其造价昂贵，依赖进口。为了解决BEPCⅡ超导腔的备件问题，中国科学院高能物理研究所申请承担了BEPCⅡ国产500 MHz超导腔的研制任务。BEPCⅡ国产500 MHz超导腔2011年10月首次通过水平测试验收，并于2017年10月投入带束运行。超导腔是超导加速器的核心设备，其为带电粒子提供能量，相当于加速器的“发动机”。超导腔的性能直接决定了加速器的性能。BEPCⅡ 500 MHz超导腔的束流管道直径大，低温真空密封接口多，并要高功率带束运行。为了对BEPCⅡ国产超导腔的性能和带束流运行情况有更深入的理解，本文对超导腔进行了实时状态监测，并开展了相关研究：对比分析了超导腔两次降温调试的相关参数，研究了通过高功率老练改善超导腔的品质因数，超导腔老练过程中的辐射剂量和带束流运行。
1. BEPCⅡ 500 MHz超导模组结构
BEPCⅡ 500 MHz超导模组的结构如图 1所示，其主要由铌腔、高功率耦合器、高阶模(HOM)吸收器、调谐器和恒温器五部分构成。铌腔安装在液氦槽内部，为束流补偿同步辐射以及其他寄生损失的能量；高功率耦合器安装在铌腔上部向腔内馈送微波功率；高阶模吸收器安装在铌腔两侧束管处用来吸收束流经过超导腔时激起的危险高次模；调谐器安装在铌腔的大束管端，通过调节铌腔的轴向长度来控制腔的频率；恒温器最外层为常温筒体，中间层为80 K液氮冷屏，内层为液氦槽。BEPCⅡ国产500 MHz超导腔的主要设计参数和验收测量值如表 1所示[1-3]。
图 1 BEPCⅡ 500 MHz超导模组结构及BEPCⅡ 500 MHz裸腔Figure 1. Structure of BEPC'sⅡ 500 MHz superconducting cryomodule and BEPC'sⅡ 500 MHz bare cavity表 1 BEPCⅡ 500 MHz超导腔主要设计参数Table 1. Main design parameters of BEPC'sⅡ 500 MHz superconducting cavitycavity voltage/MV Q0(unloaded quality factor) frequency /MHz QL(loaded quality factor) coupler power (total reflection/kW) HOM power/kW designed 1.5~2.0 >5.0×108 499.8±0.05 1.7×105(1±10%) 50 >4 measured 2.17 7.67×108 499.8 1.33×105 100 9 2. 超导腔调试
2.1 耦合器常温老练
超导腔降温前需对耦合器进行常温老练[4-5]，图 2为2011年10月超导腔首次测试前耦合器常温老练情况。耦合器常温老练三天，图 2(a)所示全反射状态下耦合器入射功率老练至106 kW。老练采取连续波和脉冲相结合的方式。第一次老练时超导腔的真空为2.2×10-6 Pa，耦合器真空为4.74×10-6 Pa；第二次老练时超导腔的真空为8.2×10-7 Pa，耦合器真空为1.64×10-6 Pa；第三次老练时超导腔的真空为7.1×10-7 Pa，耦合器真空为1.18×10-6 Pa。耦合器和超导腔的真空随着高功率老练逐渐改善。
图 2(b)为耦合器常温老练过程中由耦合器Arc打火、腔真空和耦合器真空引起的连锁保护次数情况。耦合器Arc打火主要出现在40 kW功率以下，此功率下由超导腔真空变差引起的保护次数也占很大比重；40 kW以上主要是耦合器真空和超导腔真空引起的保护。
2.2 超导腔降温
降温过程中对超导腔的频率、有载品质因数(QL)、超导腔真空等进行监测，并对比超导腔2011年首次降温与2017年10月降温时的参量变化[1]。
图 3(a)为超导腔降温过程中超导腔的频率和QL的变化，两次降温频率和QL的变化基本一致，两次监测误差量在10%以内，认为超导腔的两次降温状况基本相同。
降温过程中严密监测真空，保证超导腔降温过程中不能出现真空泄露。图 3(b)所示为两次降温过程中各个真空值的变化情况。测试前对耦合器进行低温烘烤，然后安装到束线上。从图 3(b)可以看出2017年11月降温过程中超导腔真空、耦合器真空，以及超导腔束管处真空均好于2011年10月首次降温时的真空，说明超导腔经过长时间放置、以及吊装和降温过程未对其真空密封产生影响。
2.3 调谐器加载
降温完成后通过调谐器对超导腔加载，将腔的频率调至工作频率499.8 MHz。加载时通过矢量网络分析仪监测超导腔的频率，图 4(a)为超导腔负载力与频率的变化关系(约1 kHz/kg)。两次测量曲线不重合可能是压力传感器误差和恒温器在隧道安装过程中腔轴向长度被拉长导致频率升高引起[6-8]。
此外对调谐器也进行了一定的升级，安装了大行程的压电陶瓷，以增大快调谐的范围，降低电机的动作频率。图 4(b)所示为升级后的调谐器装置，压电陶瓷电压为0~1000 V，实际工作电压为250 ~750 V(偏置电压500 V)。图 4(c)所示调谐器加载后，500 V电压范围内超导腔的频率变化大于14 kHz。
2.4 超导腔老练及辐射监测
超导腔降温完成后需对其进行老练，去除吸附在腔表面的杂质气体。为了评估超导腔的老练效果，在超导腔模组的侧方安装了辐射剂量仪监测超导腔老练过程中的辐射情况。超导腔在不同腔压下老练时的最大辐射剂量率，以及每次老练后测量的超导腔的Q0如图 5所示。超导腔真空状态放置6年后，相同的腔压下第一次老练辐射剂量有所上升，并且2 MV腔压下的Q0比2011年10月水平测试值降低约14%，说明腔的性能出现了一定程度下降。对此采取了连续波叠加脉冲老练的方式对超导腔进行了四次老练，随着老练剂量率逐渐降低，腔的性能逐渐恢复，并超过了2011年10月首次水平测试时的性能。说明老练能够一定程度上改善超导腔的性能，有助于超导腔内杂质气体的排出。腔的辐射剂量率下降也说明腔的性能在逐渐变好，辐射剂量率间接体现了超导腔的性能。
3. 超导腔带束运行
图 6为BEPCⅡ进行同步和对撞模式运行时的状态。同步运行模式下电子流强为250 mA，能量为2.5 GeV。图 6(a)为同步模式运行时机器的总体状态，束流恒流注入下超导腔工作稳定(同步运行时腔压1.4 MV，失谐角-8°)；图 6(b)为BEPCⅡ对撞模式运行时的工作状态，340 mA流强对撞，能量为1.85 GeV，工作状态稳定。
束流强度从低至高调试过程中对超导腔的辐射剂量率及调谐器的工作状态进行了重点监测，如图 7所示，腔压固定不变时，超导模组侧方监测到的辐射剂量率基本恒定，束流带来的辐射剂量率约18 μGy/h。如图 7(a)所示，束流注入和衰减时辐射剂量基本不变，当腔压超过1 MV时辐射剂量才会变化，1 MV以下测到的基本是环境本底剂量，这也为高频日常老练、操作和维护提供了一定参考。调谐器工作状况对束流的稳定也起着重要作用，因此调谐器的一些参数被列为重点观测对象，如图 7(b)所示随着束流的注入和衰减，压电陶瓷的电压与其基本同步，此时只有压电陶瓷工作，补偿束流引起的频偏，电机保持不动。
图 7 (a) 辐射剂量率和随流强随时间变化；(b)调谐器工作状态曲线Figure 7. (a)Radiation dose rate and beam change with time; (b) operation data of tuner4. 结论
本文对BEPCⅡ国产500 MHz超导腔两次降调试的相关重要参数进行了监测和对比分析：超导腔两次降温调试中超导腔的有载品质因数、真空变化，以及频率变化等基本一致，表明在储存装配和调试过程中未出现机械损伤和真空泄露；超导腔与束线安装后的空载品质因数出现了下降，但是通过高频老练能够降低超导腔的辐射剂量值，在一定程度上恢复并改善了超导腔的品质因数值。BEPCⅡ国产500 MHz超导腔虽然放置了六年但是状态良好，在250 mA(@2.5 GeV)流强同步模式下，以及340 mA(@1.85 GeV)对撞模式下运行一切正常，各项指标也满足设计要求。
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图 2 靶后10cm轫致辐射场分布
Figure 2. Dose distribution of the 10 cm bremsstrahlung radiation field after the target
图 3 不同内径下的剂量峰值以及中心均匀度大小
Figure 3. Dose peak and center uniformity at different inner diameters
图 4 最大均匀辐射场面积与内径的关系
Figure 4. Relationship between the area of the maximum uniform radiation field and the inner diameter
图 7 靶后10 cm轫致辐射场分布
Figure 7. Dose distribution of the 10 cm bremsstrahlung radiation field after the target
图 8 不同外环内径下的辐射场参数
Figure 8. Radiation field parameters under different inner diameters of outer rings
图 9 靶后10 cm轫致辐射场分布（r3=43.5cm）
Figure 9. Dose distribution of the 10 cm bremsstrahlung radiation field after the target (r3=43.5cm)
表 1 不同内径对应次级凹陷处的均匀度大小
Table 1. Different inner diameters correspond to the uniformity of the secondary depression
r3/cm dose uniformity r3/cm dose uniformity 42 0.5454 43 0.5168 43.5 0.5019 44 0.4892 
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