BEPC电子直线加速器束流线改进和e、π试验束

BEPC电子直线加速器束流线改进和e、π试验束*李家才1;1）吴元明1崔象宗1张良生1周宝庆1刘正全1张少平1刘士兴2孙长春1沈激2阴泽杰2张永明2陈子瑜2张竹湘1张彩娣1郑林生11（中国科学院高能物理所实验物理中心北京100039）2（中国科学技术大学近代物理系合肥230027）摘要在BEPC电子直线加速器上建立起了E1,E2,E3试验束，其中E1初级束专门提供给强流慢正电子装置应用，E2束是初级正/负电子束，E3为次级高能e±,π±和质子等单粒子试验束，其动量连续可调。粒子定位误差0.2-0.4毫米，混合负粒子计数率3-4赫兹。已成功地为BESⅢ的TOF探测器模型测试提供试验束流。关键词试验束试验束流线刻度单粒子1引言世界各主要高能物理实验室，在高能加速器上都建有若干条试验束（试验束流），用于检验探测器模型或研究其性能，检验加速器部件或试验束流输运方法等。试验束的建造，是对加速器束流资源的充分利用，同时也促进了加速器应用水平和运行效率的提高。其应用向各实验室开放，以提高试验束的利用率。20世纪80年代，中科院高能所建造BEPC/BES（北京正负电子对撞机/北京谱仪），当时国内没有合适的试验束，BES上一些子探测器模型的束流试验要利用日本KEK（高能加速器研究组织）的试验束来做[1,2]。BES即将升级为BESⅢ，急需试验束对其子探测器模型做试验。BEPC及其电子直线加速器(LINAC)的长期稳定运行也提供了有利条件。为此，在BEPC的电子直线加速器上改建和新建起了具有多种用途的3条束流线，并已提供应用。其中次级高能e±，π±单粒子试验束流线（E3线），主要的性能指标达到设计要求，并满足了BESIII飞行时间探测器的束流试验要求。2E1,E2和E3试验束流线KEK有些试验束线通过在储存环真空管道内设置内靶,并利用边缘束打靶2)产生试验粒子束，这样*国家BEPC改进专项经费1)E-mail:[e-mail]2)K.Oide,H.Fukuma,S.Kamadaetal,GammaraysourceusinginternaltargetsintheTRISTANaccumulationring,KEK,Nationallaboratoryforhighenergyphysics,Oho,Tsukuba，Ibaraki,Japan305;K.Ogawa,K.Hayashietal,INTERNALTARGETBEAMLINESFORELETRON/POSITRONIN1做的一个好处是可以很好解决次级粒子多重数问题，也可获得较高的计数率。基于我们加速器现有的条件，考虑从电子直线加速器末端引出电子束流打靶的办法来建立试验束。这种办法简单易行,但是因为直线加速器束流重复频率低(目前12.5pps),而且低能电子和光子的本底很大3)，所以，压低本底和提高计数率是试验束工程和技术面临的关键问题。为了充分利用大厅空间，开辟多条应用束流线，所以，在BEPC电子直线加速器末端对原电子束流线进行了改造，原电子束流线分叉成为E1和E2两条初级束流线，这样可扩展初级电子和正电子束流的应用空间。新增加的E2束流线平行于实验厅东墙。E2电子束线末端设置次级粒子产生靶，靶往后为E3次级束流线，即高能e±，π±单粒子束流线。打靶产生多种宽能谱的次级粒子，利用四极磁铁LQ1,LQ2收集从15度‘产生角’出射的带电粒子。偏转磁铁D1,D2与狭缝一起选择所需电荷（正电荷粒子或负电荷粒子）和所需动量的粒子，动量连续可调。具体的试验束流线布置如图1。ExperimentAreaE1LineE2LinePOWERSUPPLYLINETBTAM3B1Q3Q2Q1BV1BH1BH2BV2B3B2Q5Q4Q6Q7Q8LQ1LQ2D1D2S1CCS2M1M2TORINGDUMPDUMPEXITIHEPBEPC-LINACTHECONFIGURATIONOFTESTBEAMAM3、B1、B2、B3BendingMagnets，BH1、BH2、BV1、BV2DipoleCorrectorQ1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、LQ1、LQ2QuadrupoleSPT:SLOWPOSITRONTARGET;TBT:TESTBEAMTARGET;S1、S2、Scintillator，M1、M2Multi-wireProportionalChanberCC:Cherenkov11deg11deg18.6degSElectronLINACElectronLINACTOLINAC02mSLITPLUGE2LineE3LineE3LineExperimentAreaSlowPositronLineSPTEasternWallExperimentHallNo.10TargetroomDUMP图1实验厅的屏蔽结构和束流线布置示意图2.1E1电子束流线原有的电子束流线[3]，是由BEPC直线加速器末端经2块二极磁铁偏转22度，沿相应的束流输运系统进入实验大厅。对这条束流输运线进行的改造，主要是Q3下游插入2块偏转磁铁B2和B3。所以原有Q3和Q4分别向上下游移动，间距增加到557厘米，以便插入B2和B3。同时Q5向下游移动1.5米，便于延长打靶距离。这样电子束线由原来的20.82米长增加到22.32米。这样的结构安排仍然是漂移传输，并保留了束流线末端透镜组的基本聚焦性能。该线的束流垃圾桶（DUMP，0.5×0.5×0.2立方米铁块）安装在离E1束流出口3米远的水泥墙中。目前这条E1电子束线已专用于核分析实验室的慢正电子装置。根据束流线改造对束流输运线结构空间的要求，在保证束流的基本输运和聚焦性能情况下，确定了E1线的改造方案和磁铁的空间位置。按已限定的元件排布结构做束流输运元件参数和束流输运性TRISTANACCUMULATIONRING,KEKInternal85-2May19853)张良生,蒙特卡罗模拟,档案分类HA3983,1419-12能的计算4)，计算结果表明，在Q5出口处的束流截面近似为2.5×0.6cm2的长椭圆，作用靶（慢正电子产生靶）上入口束流截面近似1×1cm2，以及束流能散为0.8%,满足了使用要求。束流线结构和束流包络如图2。具体参数是：AM3:7028.1Gs;B1:7028.1Gs;Q1:550;Q2:-400;Q3:155.5;Q4:-240;Q5:354.3（参数对应能量E=1.1GeV，Q铁场强单位Gs/cm）。图2E1初级束线结构和束流包络图3E2束流线结构和束流包络2.2E2束流线E1线上的Q3下游插入2块偏转磁铁B2和B3,在束流已偏转22度的基础上再偏转18.6度，使之与实验大厅的东墙平行，成为E2束，它距离实验厅东墙3.5米，可以方便地引出初级电子束或初级正电子束。考虑应用对束流的要求，在B2偏转磁铁下游增加了一个紧凑的3元透镜聚焦组[4]。新增加3块聚焦磁铁，改善了束流的输运品质，束流出口近似平行束。束流线结构和束流包络如图3。具体磁铁设定值如下：AM3:7028.1Gs;B1:7028.1Gs;Q1:550;Q2:-400;Q3:155.5;B2:5932.2Gs;B3:5902.6Gs;Q6:521.4;Q7:-429.6;Q8:143.9（参数对应能量E=1.1GeV，Q铁场强单位Gs/cm）。能散0.8%。在线束流输运参数调试，出口束流截面达到10×10mm2。另外，这条束流线上的偏转磁铁可以很方便地改变供电极性，以满足电子或正电子选择的要求。E2束流垃圾桶（0.8×0.8×0.9M3铁块）安装在E2束线末端5米厚的水泥构件中。E2束流线引出的一个应用是高能电子和正电子在介质中的辐射实验研究。目前在E2线上完成了基础设备安装，设备布置如图4。束线上的狭缝组合用于进一步选择平行电子束。单个狭缝是1毫米的方孔，纵向深度10厘米，2个狭缝相距1.6米，刚性连接，并安装在准直基座上。专门检测部门的计量检测报告给出，狭缝组合的线性度为0.147毫米。3维定角仪用于调整辐射体角度，角度分辨为0.0080。园型极头磁铁用于带电粒子的清除，最大工作磁场1.7特斯拉。狭缝三维定角仪束流线方向光子辐射带电粒子偏转磁铁图4辐射实验研究基础装备示意图2.3E3试验束流线4)胡春良，BEPC电子直线加速器的分支线改进和e/π试验束的束流输运参数计算,档案分类HA3983,1419-43从BEPC电子直线加速器（LINAC）引出的初级电子束，能量为1.1—1.5GeV，脉冲重复频率12.5Hz，脉冲宽度2.5ns，最大峰值流强600mA。它经分叉后的E2束，引入靶区打靶产生次级粒子（γ，e±，π±，P，以及π±衰变产生的μ±等），因此，E3是混合型粒子试验束。电子引出采用钨碳复合靶或铜靶，强子引出（π±和质子P）采用碳靶或铍靶。这些未经分离的混合粒子，经过磁铁，狭缝，多种探测器组成的望远镜系统的选择，获得了较低的本底水平；利用‘在线数据获取’判选出被测到的粒子的种类,再配合‘离线数据分析’分别得到e±，π±及P等单粒子束。E3试验束流线为2Q2D结构的磁谱仪系统[5]。该试验束流线长22米，其中前10米为真空盒。主要由磁谱仪,契仑科夫计数器，闪烁计数器SC1和SC2，两个2维读出的多丝正比室组成。次级束流截面尺寸和动量误差由狭缝决定，目前的电子束流试验，狭缝宽度是3厘米时，聚焦面上的束流宽度为(FWHM)5-6厘米。3试验束流线上的主要装置和性能3.1磁铁带电粒子通过磁场，受劳伦兹力而偏转，所以可根据设备安装空间,设计束流输运线的偏转角.依据场强与偏转角等可知动量大小。所以磁铁既是束流线上必不可少的设备，也是测量带电粒子动量的有效工具。试验束上使用的磁铁总共19块.其中新加工的四极磁铁1块,借用BEPC工程备用的50TQ磁铁2块。另外,对DESY(DeutschesElektronen-Synchrotron)早年借用的5块大功率磁铁进行了检修,内容包括水路，接线端子，线包耐压实验，极头定位等。在检修过程中，还更换了磁铁的过温测量探头，以及磁铁过温保护连锁。试验束上增加的不同类型磁铁参数列表如下：表1磁铁的参数磁铁类型最大磁场(Gs)磁铁有效长度(cm)备注Q6(50TQN)963Gs/cm50.4BEPCQ7(50TQA)882Gs/cm50.3BEPCQ8(50TQ43)907Gs/cm50.4北重厂B2(MC03)B3(MC01)1466014600100.97100.425DESYDESYLQ1(QD1-2)1750Gs/cm53.505DESYLQ2(QD1-9)1750Gs/cm53.855DESYD1(BM03)11000107.2检修D2(MC02)12000106.42DESY3.2屏蔽结构E1初级电子束流线末端（靶室内）安装慢正电子产生靶（金属钽：φ30毫米×15毫米）。束流出口到靶心110毫米，打靶后的剩余束流在2.5米远的DUMP(束流吸收装置)中吸收。根据次级慢正电子引出的结构要求，靶室1.5米厚的顶棚预留φ300毫米的垂直引出孔。为了有效屛蔽打靶后的辐射，利用蒙特卡洛模拟计算方法进行了辐射本底估计。为压低E3单粒子束本底，我们建立了多道水泥屏蔽墙，并事先通过蒙特卡罗模拟，对各种屏蔽结构的效果进行比较，以选择较好的屏蔽结构，屏蔽结构平面图如图1。产生靶与实验区之间由2-3米厚的水泥墙隔开，蒙特卡罗模拟表明，初级电子束（109电子/脉冲）入射到11厘米厚的碳靶上，实验区本底计数为每脉冲0.11/平方厘米，屏蔽结构满足要求。实时剂量测量表明，当电子束停留在束流垃圾桶（DUMP）中，实验区剂量率接近于天然本底，为0.14-0.21μSv/h。从实验大厅（BEPC104号厅）进入直线加速器隧道的防护铁门附近，其剂量率是实验区的40倍左右。剂量率的测量值如表2（加速器中心防护组提供）。表2实验区实时剂量测量值测量区域最大瞬时剂量率（μSv/h）试验区域0.21第3靶室南墙外区域0.15D2铁区域0.14D2铁前束线引出口0