一种紧凑型同步加速器及其设计方法

本发明属于同步加速器，尤其涉及一种紧凑型同步加速器及其设计方法。

背景技术：

1、目前，医用同步加速器方案主要通过以下路径降低体积和成本：采用长直线段和迷你直线段、组合四极/六极磁铁，以及优化慢引出或降能引出系统。

2、然而，在环周长受到严格限制的条件下，由于水平包络函数与垂直包络函数、水平色散函数、动量压缩因子、穿越能量以及注入/引出直线段空间之间会形成强耦合约束，因而同步环的设计自由度显著减少。

3、若继续采用传统同向偏转二极磁铁闭合轨道，则全环色散源项主要为同号累积，容易导致水平色散偏大；若为了进一步压缩周长而减少/取消独立四极磁铁、仅依靠二极磁铁边缘场实现弱聚焦，则聚焦调节自由度不足，容易出现水平包络或垂直包络过大、横向接受度不足、穿越能量对应的洛伦兹因子低于加速过程中离子最高能量对应的洛伦兹因子等问题，从而引发纵向不稳定风险并降低注入、加速和引出效率。

4、因此，目前的同步加速器为获得合适的聚焦、注入和引出条件，均需在同步环内引入数量可观的四极、六极、快四极、组合磁铁或复杂引出部件，导致元件数量多、元件间隙多、调试变量多，环形结构始终受制于直线段长度和功能元件安装空间，紧凑性远未达到物理极限。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种紧凑型同步加速器，在有限周长约束下，仅利用正向偏转二极磁铁与反向偏转二极磁铁，形成复合弯转和边缘聚焦结构，从而在实现结构紧凑的同时，使同步环满足低水平色散、较低的水平包络与垂直包络、足够直线段空间以及穿越能量对应的洛伦兹因子高于目标最高出束能量对应的洛伦兹因子的要求。本发明还公开了一种紧凑型同步加速器的设计方法。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、一种紧凑型同步加速器，包括沿闭合环形路径依次布置的多个弧段，相邻的两个弧段之间设置有直线段；

4、所述弧段包括至少一个正向偏转二极磁铁，且所述多个弧段中的至少一个弧段还包括至少一个反向偏转二极磁铁，所述正向偏转二极磁铁用于使带电粒子束流沿第一偏转方向偏转，所述反向偏转二极磁铁用于使带电粒子束流沿第二偏转方向偏转，所述第一偏转方向和第二偏转方向相反；

5、所述直线段包括至少一个功能元件，所述功能元件用于使带电粒子束流实现注入、加速、引出、降能、诊断或闭环校正；

6、其中，所述带电粒子束流绕行一周的净偏转角为360°，全部正向偏转二极磁铁的偏转角总和大于360°，所述反向偏转二极磁铁提供负偏转角以抵消超过360°的超额偏转角。

7、在一些现有技术中，为获得合适的聚焦与引出条件，需在环内引入数量可观的四极、六极、组合磁铁或复杂引出部件，导致元件数量多、元件间隙多、调试变量多，环形结构始终受制于直线段长度和功能元件安装空间，紧凑性远未达到物理极限；与上述方案不同，本技术通过正向偏转二极磁铁与反向偏转二极磁铁的复合弯转，将符号相反的色散源项分量直接内置于弧段之中，可在不增设独立聚焦磁铁的前提下重分配弧段内水平色散函数与包络函数，从源头减少磁铁元件类型与数量、缩短周长，提升紧凑性；此外，有的现有技术仅依赖边缘场聚焦以追求极致紧凑，与之不同，本技术则在复合弯转的基础上，由正/反向偏转二极磁铁的几何边缘角与边缘场聚焦共同完成横向聚焦、色散调节与动量压缩，从而兼得紧凑性与带电粒子束流的调控。

8、优选的，所述多个弧段中的至少一个弧段包括一个反向偏转二极磁铁，以及位于该反向偏转二极磁铁两端的正向偏转二极磁铁组，所述正向偏转二极磁铁组包括至少一个正向偏转二极磁铁。

9、在本技术中，将一个反向偏转二极磁铁布设于正向偏转二极磁铁组之间，可在保持弧段净偏转满足闭合条件的同时，将符号与正向偏转二极磁铁相反的色散源项引入弧段内部；通过对正向偏转二极磁铁的数量、排列位置、偏转角及边缘角与反向偏转二极磁铁进行联合匹配，可调节弧段内的色散分布和动量压缩特性，为在有限周长下获得满足目标要求的穿越能量提供结构基础。

10、优选的，每个正向偏转二极磁铁组均包括第一正向偏转二极磁铁和第二正向偏转二极磁铁，各所述正向偏转二极磁铁组中，所述第二正向偏转二极磁铁靠近反向偏转二极磁铁设置；

11、所述第一正向偏转二极磁铁和第二正向偏转二极磁铁具有相同的曲率半径与偏转角。

12、该布置使反向偏转二极磁铁两侧形成参数对应的正向偏转二极磁铁序列，使两侧的弯转作用、边缘聚焦作用及横向传输作用趋于对称，并增加弧段内可用于横向聚焦调节的边缘角数量，有利于弧段出口处光学参数的平衡。

13、优选的，所述正向偏转二极磁铁的入口边缘角与出口边缘角均取正值；

14、所述反向偏转二极磁铁的入口边缘角和出口边缘角均取正值或者均取负值。

15、反向偏转二极磁铁的边缘角可参与弧段的边缘聚焦和光学匹配；反向偏转二极磁铁引入反号色散源项的作用主要由其反向弯转特性决定，并不因边缘角同号取正或取负而改变；在对边缘角绝对值及其他光学参数进行相应匹配的条件下，反向偏转二极磁铁两端均取正值亦可用于同步环设计；同时，反向偏转二极磁铁的弯转半径符号与正向偏转二极磁铁相反，因而引入与正向偏转二极磁铁所产生的色散源项符号相反的色散源项，在合适的光学相位处抵消部分正向色散源项，从而降低水平色散，反向偏转二极磁铁能够同步调节动量压缩因子与穿越能量，有效降低束流跨过穿越能量所引起的纵向不稳定风险。

16、优选的，所述直线段包括注入凸轨磁铁、静电偏转板、注入切割磁铁、引出切割磁铁、高频加速腔、降能器的至少一者。

17、该结构利用正向偏转二极磁铁、反向偏转二极磁铁及其边缘聚焦作用形成同步环的基本闭合结构，并完成横向聚焦、色散和动量压缩特性的调节，无需在直线段内额外布置四极磁铁、六极磁铁或四六极组合磁铁，因此，直线段能够为注入凸轨磁铁、静电偏转板、注入切割磁铁、引出切割磁铁、高频加速腔和降能器等功能元件预留布置空间。

18、优选的，所述直线段包括引出切割磁铁，所述引出切割磁铁在垂直于同步加速器的安放平面的方向上，将带电粒子束流引出同步加速器。

19、本技术的同步环不依赖四极磁铁、六极磁铁或四六极组合磁铁，因此不采用依赖共振激发的常规慢引出方案，也就是说，利用降能器使待引出束流产生相对于参考粒子的动量偏差，并利用引出点处的水平色散使该束流产生水平方向轨道偏移，从而进入引出切割磁铁的有场区域并被引出，由此，可在不额外设置用于共振引出的四极磁铁、六极磁铁或组合磁铁的条件下实现束流引出。

20、一种紧凑型同步加速器的设计方法，包括如下步骤：

21、将多个弧段和多个直线段沿环形路径布置，所述弧段包括至少一个正向偏转二极磁铁，全环正向偏转二极磁铁的偏转角总和大于360°；

22、在至少一个弧段中补入至少一个反向偏转二极磁铁，所述反向偏转二极磁铁提供负偏转角，以抵消超过360°的超额偏转角，使带电粒子束流绕行一周的净偏转角为360°；

23、以正向偏转二极磁铁与反向偏转二极磁铁的参数作为多变量数据并进行匹配，使同步环的垂直包络函数低于设定阈值，且使穿越能量对应的洛伦兹因子相对于目标最高出束能量对应的洛伦兹因子具有预设余量，并基于水平色散函数和水平包络函数比较不同参数组合的横向光学性能；

24、校核设计结果是否满足设计约束，若不满足，则重新匹配多变量数据直到满足设计约束。

25、优选的，在匹配多变量数据的步骤中，包括：

26、将每个弧段内的正向偏转二极磁铁和反向偏转二极磁铁排布抽象为拓扑序列，生成多个候选弧段拓扑；

27、将不能在统一约束条件下放入弧段的候选弧段拓扑记录为不可行工况；

28、在统一约束条件下对能够放入弧段的候选弧段拓扑进行线性光学计算，提取光学指标，根据光学指标筛选优选拓扑；

29、对优选拓扑中的连续参数进行单变量扫描，根据扫描结果匹配多变量数据。

30、优选的，在对优选拓扑中的连续参数进行单变量扫描的步骤中，包括：

31、将反向偏转二极磁铁的偏转角在第一预设角度范围内扫描，建立反向偏转二极磁铁的偏转角与水平色散函数、包络函数及穿越能量的第一对应关系；

32、将正向偏转二极磁铁与反向偏转二极磁铁的边缘角在第二预设角度范围内扫描，建立边缘角与垂直包络函数、工作点及穿越能量的第二对应关系；

33、将二极磁铁之间的间距在第一预设距离范围内扫描，建立间距与包络函数及水平色散函数的第三对应关系；

34、根据第一对应关系、第二对应关系、第三对应关系，选取垂直包络函数低于设定阈值且穿越能量对应的洛伦兹因子相对于目标最高出束能量对应的洛伦兹因子具有预设余量的参数组合，并基于水平包络函数和水平色散函数比较所述参数组合的横向光学性能。

35、优选的，所述拓扑序列包括至少一个第一符号和至少一个第二符号，所述第一符号表示正向偏转二极磁铁，所述第二符号表示反向偏转二极磁铁，所述第一符号为1，所述第二符号为0；

36、所述候选弧段拓扑包括01、101、11011、1110111中的一者或多者。

37、和现有技术相比，本发明通过在弧段内同时设置正向偏转二极磁铁与反向偏转二极磁铁，使全环正向偏转角总和大于360°并由反向偏转二极磁铁以负偏转角抵消而维持净360°闭合轨道，且同步环的横向聚焦、色散调节与动量压缩仅由正向偏转二极磁铁与反向偏转二极磁铁的弯转作用、几何边缘角的边缘场聚焦实现，不依赖四极/六极/组合磁铁，以最少磁铁类型与尽可能小周长同时获得低水平色散、较低的水平包络与垂直包络、足够直线段空间，以及使穿越能量对应的洛伦兹因子高于目标最高出束能量对应的洛伦兹因子。