RIBLL1 RF-Deflector 的物理设计

刘 忠 马军兵 王建松 Kubono Shigeru 等

HIRFL-RIBLL1 合作组会议 兰州 2013.8.15-16

Outline

丰质子次级束的纯度问题 射频偏转器的原理与实例 RIBLL1 射频偏转器的物理设计 - 初步设计 - 费用估算 下步工作

丰质子次级束的纯度问题

PF 型放射性束装置分离方法： B - ΔE - B

中低能 ( 主束能量 100 MeV/u) 碎片动量分布有一低能尾巴 丰质子一侧纯度很低

射频偏转器的原理与实例

Beam

目标核

污染核

目标核偏转角 Yʹ = 0 ， 计算出相位Φ

实例 1 RIKEN-RIPS 射频偏转器 RIKEN-RIPS

700mm

40mmelectrode

RIKEN-RIPS 偏转器结构图

The Y-SLIT consists of two 120 × 115 mm2 copper plates of 25 mm thickness, and its aperture can be changed from ±0.5 mm to ±100 mm.

cylindrical part of the cavity is 1600 mm long and 800 mmin diameter with water cooling

RIKEN-RIPS 偏转器设计参数

参数 V0 ω L d w h

数值 100KV 12 18MHz∼ 700mm 40mm 120mm 1800mm

58Ni + Be 57MeV/u 54Ni 偏转器的效果： 目标核纯度提高了 10 倍

Mechanical drawing (top) and picture (bottom) of the RF cavity.

实例 2 RF Fragment Separator at NSCL

RIBLL1 射频偏转器的物理初步设计

A challenging case ： RIBLL1 最重次级束

58Ni 53Ni

偏转板几何尺寸的影响 RF deflector location ： T1 or T2

射频频率的影响

TOF from target to T1

68 MeV/u 58Ni + 9Be 44 MeV/u 53Ni

53Ni

Vert i cal posi t i on vs TOF(L=1. 0m, f requency=RF, di stance betweenY Sl i t s and el ect rode i s 1m)

- 5

0

5

10

15

20

25

180 185 190 195 200 205

TOF f rom target to T1(ns)

vert

ical

pos

itio

n at

Y s

lits

(mm

)

Vert i cal posi t i on vs TOF(L=1. 5m, f requency=RF, di stance betweenY Sl i t s and el ect rode i s 1m)

- 5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

180 185 190 195 200 205

TOF f rom target to T1(ns)

vert

ical

pos

itio

n at

Y s

lits

(mm

)

Vert i cal posi t i on vs TOF(L=2. 0m, f requency=RF, di stance betweenY Sl i t s and el ect rode i s 1m)

- 10

0

10

20

30

40

50

60

180 185 190 195 200 205

TOF f rom target to T1(ns)

vert

ical

pos

itio

n at

Y s

lits

(mm

)

Vert i cal posi t i on vs TOF(L=0. 5m, f requency=RF, di stance betweenY Sl i t s and el ect rode i s 1m)

- 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

180 185 190 195 200 205

TOF f rom target to T1(ns)

vert

ical

pos

itio

n at

Y s

lits

(mm

)

偏转板尺寸的影响

极板高压频率对 Y 方向偏转大小的影响 : T1

Vert i cal posi t i on vs TOF(L=0. 5m, f requency=0. 5RF, di stancebetween Y Sl i t s and el ect rode i s 1m)

47Ti

48V

49Cr

51Fe

52Co

53Ni

50Mn

- 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

370 380 390 400 410 420 430

TOF f rom target to T2 (ns)

vert

ical

pos

itio

n at

Y s

lits

(mm

)

Vert i cal posi t i on vs TOF(L=0. 5m, f requency=RF, di stance betweenY Sl i t s and el ect rode i s 1m)

47Ti

48V

49Cr

51Fe

52Co

53Ni

50Mn

- 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

370 380 390 400 410 420 430

TOF f rom target to T2 (ns)

vert

ical

pos

itio

n at

Y s

lits

(mm

)

偏转板频率的影响 : T2

RIBLL1 射频偏转器的结构示意图及其参数

V0 (V) f L(mm) d(mm) w(mm) h(mm)

100k facc@T1, 0.5facc@T2

1000 50 120 1000

物理设计的结果

偏转板几何尺寸的影响 : 极板越长、分离效果越好 射频频率的影响： T1: = acc

T2: = 0.5acc

RF deflector location ： T1 or T2

有无偏转板时束流在 Y-SLIT 处的 Y 位置分布

初步模拟纯化效果 纯化效果的决定性因素： - 污染核 y 方向偏转量 - 核的 y 位置分布宽度 for the challenging case ： 58Ni 53Ni

影响纯化能力的因素 - 初级束束斑大小 - Y 方向聚焦能力

Y 分布宽度 狭缝宽度 纯度比

5 mm 5 mm ~11

10 mm ~4

2 mm 2 mm ~130

4 mm ~ 40

费用估算

高频偏转器 Subsystems ： cavity resonator, RF power amplifier, power supply for the power amp., a driver amplifier, vacuum system, control system, low-level circuit system

@T1 ： ¥6.5M

- 基频（ basic frequency ）偏转器： ¥5.5M

- 平移 RIBLL1 后半部分： ¥0.5M

@T2 ： ¥9.0M

- 半基频（ half basic frequency ）偏转器： ¥7.5M

- 新聚焦透镜： ¥1.0M

组装费： ¥0.4M

狭缝系统： ¥0.1M

探测器： ¥0.5M

下步工作

落实经费来源，项目立项 详细束流光学模拟： - The influence of the RF deflector on beam profile

- modify the y-focusing to the Y-slit

Many Thanks

D1

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Q1Q2

Q3Q4 Q5 Q6

Q7Q8

Q9Q10

Q11Q12Q13

Q14Q15

Q16Q01

Q02Q03

Q04Q05

Q06

D0/E0

T00

T0

C1

C2

T1

T2

1 图 兰州重离子加速器放射性次级束流线RIBLL

Beam from HIRFL

射频偏转器的原理与实例

Beam目标核

污染核

模拟位置分布需要考虑的因素： 1.T0 初始位置处，粒子的位置分布（ x,y ） .

2.T0 初始位置处，粒子的动量分布 (px,py).

3. 主束的时间结构： 因为大器出来的束流是有时间结构的，即在△T 时间内有很多主束粒子（一个束团内的粒子）打到初级靶子上，这些主束粒子产生的次级粒子可能有一个或几个；但我们实验时，一个束团最多获取一个次级粒子，所以我们只考虑一个次级粒子的情况。这个次级粒子入射到偏转板的时间，由于主束的时间结构，而有一个△T 的不确定度，这个模拟时需要考虑。

D1

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Q1Q2

Q3Q4 Q5 Q6

Q7Q8

Q9Q10

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Q14Q15

Q16Q01

Q02Q03

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D0/E0

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T0

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T1

T2

1 图 兰州重离子加速器放射性次级束流线RIBLL

Beam from HIRFL

模拟的内容：需要逐事件模拟。 1. 给定一个粒子在 T0 处的位置（ x ， y ）、入射角度和动量，需要得到在 T1, T2 处该粒子的位置（ x ， y ）。 2. 在 T0 处，粒子的初始位置有一定分布（高斯或者均匀），同时动量也有分布，这样的粒子经过束流线的传输，在 T1, T2 处粒子的位置分布。

Sigma=5.207mm

RF Frequency

(MHz)

Target-Deflector (m)

Electrode length (m)

Phase length(degree)

Deflector-Slit

distance(m)

RIKEN 12-1855-83(ns)

21.3 0.7 35 1.8

MSU 19-2737-52(ns)

54 1.5 140 5.3

RIBLL 10.992(ns)

T1(17.5)T2(35)

1.0 1.0

A case of light low energy beam

50C 48V 46Ti 44Sc 42Ca

47Ti 45Sc 43Ca 41K 39Ar

51Mn49Cr47V 45Ti 43Sc

52Fe50Mn48Cr46V44Ti

53Co51Fe49Mn47Cr

44Ca 42K 40Ar38Cl

43K

54Ni52Co50Fe48Mn

51Co49Fe

41Ar

Y 方向偏转 @slit ： Y=ΔY+Yʹ * h

V=V0Sin(ω T + Φ)

目标核偏转角 Yʹ = 0 ， 计算出 Φ ，即初始相位 Φ0 ；其他核的相位等于初始相位加上飞行时间差造成的相位差。

HIRFL-RIBLL1 射频偏转器的物理初步设计

D1

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Q1Q2

Q3Q4 Q5 Q6

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Q9Q10

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Q14Q15

Q16Q01

Q02Q03

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D0/E0

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T1

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1 图 兰州重离子加速器放射性次级束流线RIBLL

Beam from HIRFL

Vert i cal posi t i on vs TOF(L=0. 5m, f requency=RF, di stance betweenY Sl i t s and el ect rode i s 1m)

47Ti

48V

49Cr

51Fe

52Co

53Ni

50Mn

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TOF f rom target to T2 (ns)

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Vert i cal posi t i on vs TOF(L=0. 5m, f requency=RF, di stance betweenY Sl i t s and el ect rode i s 1m)

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TOF f rom target to T1(ns)

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(mm

)

偏转板 location ：上图为 T1 处 , 下图 T2 处。

不同形状的高压引起的偏转效果

总结

1. 根据模拟计算，初步确定了偏转板几何参数： 极板长度 L, 宽度 W, 板间距离 d, 偏压幅度 V0 与形和频率。

2. 下一步计划 结合 RIBLL1 已有的次级束流实验数据与今后的束流要求，进行更多的模拟计算，以确定最优的偏转板参数，同时进行束流光学的模拟计算。