RIBLL1 RF-Deflector的物理设计 刘 忠 马军兵 王建松 Kubono Shigeru 等 本装置是由近物所特聘教授Kubono 于今年1月建议并、提出的。目的是为了提高RIBLL1次级束、主要是丰质子束的纯度。建议提出后得到了北大、401、上海核子所、近物所包括重离子治癌的医学物理组等RIBLL1主要用户的积极反馈，大家希望次级束纯度能提高10倍以上、流强提高20倍以上。由于离子鉴别探测器计数率的限制，提高纯度是提高流强的前提。 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 目标核偏转角Yʹ = 0， 计算出相位Φ 目标核 污染核 目标核 在束流能量 <10 MeV/u 时，速度选择器 Wien Filter 很有效。能量更高时，Wien Filter 需要很长，费用很高，如GANIL的Wien Filter 8米长，花费数百万美元

实例1 RIKEN-RIPS射频偏转器 RIKEN-RIPS

RIKEN-RIPS偏转器结构图 cylindrical part of the cavity is 1600 mm long and 800 mm in diameter with water cooling 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.

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

实例2 RF Fragment Separator at NSCL Mechanical drawing (top) and picture (bottom) of the RF cavity.

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

68 MeV/u 58Ni + 9Be  44 MeV/u 53Ni 53Ni TOF from target to T1

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

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

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:  = 0.5acc 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 ~11 10 mm ~4 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

射频偏转器的原理与实例 Beam 污染核 目标核

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。

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

Deflector-Slit distance RF Frequency (MHz) Target-Deflector (m) Electrode length (m) Phase length (degree) Deflector-Slit distance (m) RIKEN 12-18 55-83(ns) 21.3 0.7 35 1.8 MSU 19-27 37-52(ns) 54 1.5 140 5.3 RIBLL 10.9 92(ns) T1(17.5) T2(35) 1.0

A case of light low energy beam

51Mn49Cr47V 45Ti 43Sc 47Ti 45Sc 43Ca 41K 39Ar 44Ca 42K 40Ar38Cl 50C 48V 46Ti 44Sc 42Ca 43K 52Fe50Mn48Cr46V 44Ti 41Ar 53Co51Fe49Mn47Cr 54Ni52Co50Fe48Mn 51Co49Fe

Y方向偏转@slit：Y=ΔY+Yʹ * h V=V0Sin(ω T + Φ) Y方向偏转@slit：Y=ΔY+Yʹ * h

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 射频偏转器是根据不同核在y方向的位置分布，通过狭缝去除污染核的，因此应位于聚焦平面附近，T1/T2处。但各有优缺点。 T1处， 可以纯化后做粒子鉴别，便于今后主束流强升级；但空间紧张，现有一长50cm的chamber； 解决办法：将RIBLL1的后半部分，从T1处往下游平移，受现有屏蔽墙限制，最多只能平移1m。 T2位置空间够，但存在其他问题，如主束流强升级后PID会成为问题， 还有偏转器的适宜频率。

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。