用于LCLS-II-HE升级的新型低发射度注入器隧道的辐射物理学设计

《Applied Radiation and Isotopes》：Radiation Physics design of the new Low Emittance Injector Tunnel for LCLS-II-HE upgrade

LCLS-II高能升级项目通过新建超导低发射度注入器（LEI），采用高梯度射频枪和低平均横向能量光阴极，提升电子束亮度和稳定性，支持8.2 GeV能量下的短波长X射线科学，并设计多层屏蔽和防护系统确保安全。

　　

T. Frosio|I. Bendanillo|J. Blaha|M. Santana Leitner|A. Rosenstrom|S. Rokni|L. Turkmen

SLAC国家加速器实验室

摘要

SLAC国家加速器实验室的LCLS-II高能（HE）项目将现有的LCLS-II直线加速器的能量从4.5 GeV提升至8.2 GeV，从而能够产生更短波长、更高能量的光子，为下一代X射线科学研究提供支持。为了实现所需的束流亮度和稳定性，正在一条与现有直线加速器平行的专用隧道中建造一个新的超导低发射度注入器（LEI）。该注入器采用了高梯度超导射频枪和低平均横向能量的光阴极，能够产生发射度远低于现有注入器的电子束。本文介绍了LEI的辐射物理设计及安全考虑因素，包括一种结构化的方法论，用于识别最坏情况下的潜在损失点，使用标准化的FLUKA程序评估场发射驱动的辐射效应，并设计出适用于具有复杂穿透结构的区域的屏蔽措施。通过FLUKA进行的蒙特卡洛模拟表明，结合了被动屏蔽、访问控制系统和束流约束装置后，该注入器在正常运行、误导向以及最大可信入射条件下均能满足SLAC和DOE的辐射安全要求，同时确保两个注入器能够安全互操作。

引言

安装在SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源II（LCLS-II）[1] [2] [3] [4] [5]正在进行一系列升级，将其能量从4.5 GeV提升至8.2 GeV。这一升级[6]将显著扩大该设施的科学应用范围，使其能够在更短的X射线波长（5-21 keV）下进行实验，并提高束流稳定性。能量提升是通过增加23个低温模块（总计37个）来实现的。此次升级涉及束线的多个部分，包括对振荡器段和加速段的修改，以及新增的低发射度注入器（LEI）[7] [8] [9]。

自由电子激光器（FEL）的性能在很大程度上取决于其电子束的发射度和亮度。虽然现有注入器能够满足4.5 GeV运行要求，但它无法可靠地提供8.2 GeV硬X射线能量范围内高效激光发射所需的超低发射度束流。在FEL产生过程中，光子波长和增益长度与电子束的质量密切相关：随着束流能量的增加，维持硬X射线波长的共振需要更低的横向发射度和能量扩散。如果不改善这些参数，FEL的增益长度将会显著增加，从而降低输出功率和光子能量覆盖范围。

为了解决这个问题，LEI引入了一种超导射频（SRF）光阴极枪，其加速梯度（约30 MV/m）高于当前的传统导电枪（约20 MV/m）。这种更高的梯度使得电子束能够更快地被提取和加速，从而最小化源区因空间电荷效应导致的发射度增长。此外，SRF枪的设计支持使用先进的低平均横向能量的光阴极，对于100 pC的电子束团，其热发射度可低于0.1 μm，有效将可实现的束流亮度提高了一倍。

除了提供更高质量的束流外，SRF注入器还支持兆赫兹重复频率的连续波运行。因此，LEI不仅仅是一项技术改进，更是随着设施向更高能量过渡而必须采取的物理驱动措施，以确保FEL性能的持续发挥。它确保LCLS-II-HE能够提供完全相干、高重复率的X射线，具备下一代光子科学研究所需的亮度和光谱覆盖范围。

为了将LEI集成到加速器系统中，正在建造一条与现有LCLS-II注入器平行的新隧道。这条隧道将通过一条专用传输线与主直线加速器相连，从而在不对LCLS-II现有运行造成重大干扰的情况下完成LEI的安装和调试。然而，新增注入器带来了与传统单注入器设施不同的辐射防护挑战，具体包括：

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两个相邻隧道中的注入器需要能够互操作，确保一个隧道中的损失不会影响另一个隧道的正常使用。

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使用为LCLS-II低温模块开发的FLUKA程序评估场发射和暗电流的产生情况。

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制定结构化方法论，以识别最坏情况下的潜在束流损失位置，从而确定针对正常损失、误导向事件和最大可信入射条件的屏蔽性能。

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针对主要穿透结构（如西侧迷宫入口和东侧楼梯井）的屏蔽设计，这些区域的复杂几何形状、公用设施和机械工程限制了可用的屏蔽厚度。

本文概述了与高能（HE）升级相关的新区域的辐射物理（RP）要求。第2节详细介绍了新设施的布局，重点说明了与HE升级相关的改动。第3节强调了确保新LEI安全运行的辐射防护要求。第4节概述了将用于保护人员、环境和机器的工程系统。最后，第5节展示了可进入区域的剂量率，并解释了设计选择的原因。

部分摘录

设施布局

在下文的讨论中，图1展示了SLAC加速器设施的关键组成部分。LEIT是未来的低发射度注入器（LEI）隧道，L0至L3是现有LCLS-II直线加速器的加速段，L4是LCLS-II-HE将新增的加速段，用于将束流能量从4.5 GeV提升至8.2 GeV。

LCLS-II-HE低发射度注入器（LEI）需要增加一条平行束流隧道和一条连接隧道（传输线），以便电子束在其中传输。

低发射度注入器的辐射防护考虑

将低发射度注入器（LEI）集成到LCLS-II高能（HE）升级项目中带来了新的辐射防护挑战，这些挑战在常规注入器安装中并不常见，必须加以解决，以确保人员、公众和环境的安全。LEI将与现有的LCLS-II注入器和直线加速器隧道紧密相邻运行，因此需要有效的屏蔽和保护系统来防止两束流之间的辐射交叉干扰。图2展示了相关细节。

LEI束线沿线的辐射防护系统

低发射度注入器（LEI）的辐射防护设计整合了多种冗余系统，以控制束流损失、减少暗电流风险，并在所有运行和故障条件下确保人员和环境的安全。这些系统沿束线分布，并与LCLS-II的束流控制系统（BCS）和粒子束保护系统（PPS）接口，确保在剂量或电流阈值超过时能够快速检测故障并自动关闭束流。

在电子枪的下游立即

LEIT的辐射防护设计

LCLS-II-HE低发射度注入器的辐射防护设计应对了一系列在现有加速器设施中不常见的挑战：两个独立注入器隧道在近距离内共存；一个注入器隧道在全功率运行时另一个隧道仍需保持可访问性；以及在多年分阶段建设期间保持安全运行的需求。为满足这些要求，我们开发了一套辐射物理防护方案。

结论

将超导低发射度注入器（LEI）集成到LCLS-II-HE系统中，代表了设计、验证和实施能够支持下一代自由电子激光器（FEL）性能的辐射防护系统的协同努力。LEI的辐射防护设计展示了如何通过被动屏蔽、工程化的访问控制和冗余的束流约束系统，确保在高亮度、高工作周期下的安全运行。

CRediT作者贡献声明

Thomas Frosio：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论制定、概念化。Jan Blaha：撰写 – 审稿与编辑。Irene Bendanillo：撰写 – 审稿与编辑、验证、概念化。Andrew Rosenstrom：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、正式分析。Mario Santana Leitner：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论制定。Lokman Turkmen：撰写 – 审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本项工作得到了SLAC国家加速器实验室的支持。所有作者均为SLAC的雇员。作者声明没有其他可能影响工作的财务或个人关系。

致谢

本材料基于美国能源部科学办公室基础能源科学能源前沿研究中心项目（合同编号DE-AC02-76SF00515）的支持。