一种强流回旋加速器中心区物理设计方法与流程

1.本发明属于强流回旋加速器技术领域，尤其涉及一种强流回旋加速器中心区物理设计方法。


背景技术：

2.在回旋加速器中，中心区是指粒子从静止(内部离子源情况)或低能(外部离子源情况)到一定高能量的加速过程的过渡区域、覆盖了束流在加速器中运动的前几圈。中心区束流品质对于粒子加速后能否从加速器引出有决定性的影响。中心区的束流品质包括中心区粒子的引出效率、中心区粒子经过加速间隙时的加速相位、中心区粒子的径向对中、中心区束流的轴向聚焦等，这些关键束流动力学问题都集中于中心区。
3.中心区物理结构的设计包括中心区粒子轨迹的设计、加速间隙位置的设计、径向对中的设计、轴向聚焦的设计。其中，难点之一在于找到一种中心区粒子轨迹的精准设计方法，现有技术中心区粒子轨迹的设计只是一种粗略的设计方法。中心区粒子轨迹首先应用于束流品质中的粒子的引出效率，粒子的引出效率来自中心区卡束的位置，卡束位置准确才能把中心区无效粒子卡掉，从而提高中心区粒子的引出效率，而卡束位置的准确来源于粒子轨迹位置的准确；难点之二在于，满足了当前引出效率的卡束位置的束流轨迹的位置，不一定就是束流品质最好的位置，有可能出现当前束流轨迹的卡束位置很准确，但是该束流轨迹的径向对中不够好，而满足了径向对中的束流轨迹又可能会影响卡束的束流轨迹；当加速相位调整好以后，整个电场就会跟着改变，电场改变了，径向对中和轴向聚焦也会跟着改变，而径向对中改变了，先前的卡束位置也会跟着改变，如此反复调整，因此，中心区物理结构的设计难点之二在于找到一个能够兼顾中心区粒子引出效率、加速相位、径向对中、轴向聚焦四者平衡的平衡点。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提出一种强流回旋加速器中心区物理设计方法，目的在于解决现有技术不能找到一种中心区粒子轨迹的精准设计方法、以及不能找到一个能够兼顾中心区粒子引出效率、加速相位、径向对中、轴向聚焦四者平衡的平衡点的问题。
5.本发明为解决其技术问题，采取以下技术方案。
6.一种强流回旋加速器中心区物理设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
7.步骤一、计算粒子经过中心区各个物理实体时的能量，所述中心区各个物理实体为中心区相邻两条加速间隙之间的高频腔体或者法兰盘；
8.步骤二、基于各个物理实体上的能量，计算粒子静态平衡轨道半径；
9.步骤三、根据计算出的粒子静态平衡轨道半径，确定用于卡束的中心区结构，该中心区结构为：环绕中心区第1、2圈束流轨道、分别布设在束流轨道的高频腔和法兰盘适当位置的多个电极柱子，该多个电极柱子用于卡掉中心区那部分得不到加速的粒子；
10.步骤四、使用粒子跟踪的方法，优化用于卡束的中心区结构：从中心区反向跟踪参
考粒子，即：从高能量下的静态平衡轨道跟踪至中心区，从而根据束流轨迹优化调整中心区结构，所述优化调整中心区结构即为优化调整电极柱的位置；
11.步骤五、使用粒子跟踪的方法，优化中心区束流品质、确定用于优化中心区束流品质的中心区结构：从中心区正向跟踪参考粒子，得到新的粒子轨迹、根据新的粒子轨迹得到电极柱卡束的位置、加速相位、径向对中和轴向聚焦，从而根据结果进一步优化调整用于提高束流品质的中心区结构，具体为：首先通过调整加速间隙的前后位置调整粒子经过加速间隙时的加速相位，同时，通过束流轨迹的位置确定电极柱卡束的位置；当加速相位确定以后，根据当前电场方向，通过调整加速间隙束流入口和出口电极柱子的位置调节中心区的径向对中；当径向对中调节完成以后再次调节电极柱卡束的位置；当加速相位确定以后，再通过调节加速间隙的高低调节中心区的轴向聚焦。
12.步骤六、重复步骤五，反复迭代、优化调整用于卡束和用于提高束流品质的中心区结构，直至中心区结构达到设计标准为止；
13.步骤七、使用多粒子跟踪的方法，考虑空间电荷效应的影响，重复步骤五、步骤五，确定最终的中心区结构；所述空间电荷效应就是粒子之间的相互作用。
14.所述步骤一的计算粒子经过中心区每两个相邻加速间隙之间的物理实体时的能量，具体过程如下：
15.1)获取粒子的初始能量e
init
、高频电压v0、以及谐波数h，它们已经在加速器的初步设计中确定，其中，粒子在经过两个加速间隙的时间差和谐波数、高频张角的关系为：τ2‑
τ1＝hα；
ꢀꢀꢀ
(1)
16.2)设定粒子在1/2高频腔张角处的相位角为：τ1为粒子经过第1个加速间隙的时间，τ2为粒子经过第2个加速间隙的时间，
17.3)以加速带有负电荷的粒子为例，设其电荷为
‑
q，计算粒子在加速间隙
①
和加速间隙
②
获得的能量，分别为：
[0018][0019]
4)计算粒子在两个加速间隙获得的能量之和：
[0020][0021]
5)粒子第n次加速后的能量为：
[0022][0023]
其中，
‑
q是粒子电荷，当hα＝180
°
、时，能量增益最大，在回旋加速器中，通过合理的设计可以使接近0，受到加速器结构限制，α存在最大值α
m
，有时hα
m
<180
°
。
[0024]
所述步骤二的基于各个物理实体上的能量，计算粒子静态平衡轨道半径，具体过程如下：
[0025]
1)将步骤一得到的静态平衡轨道连接，得到初步的粒子加速轨迹；
[0026]
2)根据初步粒子加速轨迹放置各电极柱，使粒子轨迹从电极柱之间通过；
[0027]
所述过程2)的根据初步粒子加速轨迹放置各电极柱，使粒子轨迹从电极柱之间通过，具体环节如下：
[0028]
1)在中心区设置第1圈电极柱，该第1圈电极柱布设在每个高频腔头部的第1圈初步粒子加速轨迹的小半径处；
[0029]
2)在中心区设置第2圈电极柱，该第2圈电极柱布设在每个高频腔和法兰盘的第2圈初步粒子加速轨迹的小半径处；
[0030]
所述环节1)和环节2)的小半径为粒子受到高频电场负相位作用时粒子所在的轨迹半径；所述环节1)和环节2)小半径处布设的电极柱用于将该小半径处的不能加速的粒子从中心区卡掉。
[0031]
所述步骤五的调整粒子加速间隙的前后位置，既是将加速间隙两侧的法兰盘、高频腔体、以及法兰盘和高频腔体上的柱子一起移动，从而调整加速间隙的前后位置。
[0032]
所述步骤五的通过调整加速间隙束流入口和出口电极柱子的位置，具体为：兼顾电极柱卡束和电极柱调整束流径向对中，在不影响电极柱卡束位置的情况下，当调整束流对中时需要束流向大半径移动时，则将加速间隙的入口向大半径移动、出口向小半径移动，当调整束流对中时需要束流向小半径移动时，则将加速间隙的入口向小半径移动、出口向大。
[0033]
本发明的优点效果
[0034]
本发明通过采用静态平衡轨道进行第一次定位电极柱、反向粒子跟踪进行第二次定位电极柱，解决了精确设计中心区加速平衡轨道的难题。通过从中心区正向跟踪参考粒子、得到新的粒子轨迹，根据新的粒子轨迹得到电极柱卡束的位置和加速相位的位置，再根据加速相位进行径向对中，以及在径向对中后再调整卡束位置，并在径向对中后调整轴向聚焦，通过以上各个部分的协调工作、相互支持和依赖，找到了一个能够兼顾中心区粒子引出效率、加速相位、径向对中、轴向聚焦四者平衡的平衡点。
附图说明
[0035]
图1为本发明中心区部分物理结构设计示意图；
[0036]
图2本发明调整中心区径向对中和卡束位置示意图；
[0037]
图3为不同能量下的静态平衡轨道示意图；
[0038]
图4为本发明强流回旋加速器中心区物理设计流程图；
具体实施方式
[0039]
本发明设计原理
[0040]
1、反向跟踪中心区粒子轨迹的设计原理。本发明创新点在于不容易想到。所述不容易想到是指本发明电极柱子卡束位置为两次定位。没有第一次定位，则第二次定位就是不准确的，但是只有第一次定位没有第二次定位，则第一次定位更加不准确的，只有二次定位结合起来才是准确定位。第一次定位是在静态平衡轨道计算出来以后先将电极柱放到高频电场中去，此时放入电极柱的目的在于把电极柱的电场代入反向跟踪的电场中，否则如果反向跟踪时没有把电机柱的电场算进去，当反向跟踪确定的中心区束流轨迹后再放入电极柱，此时电场又会发生变化，电场变化则束流轨迹也会发生变化，那么反向跟踪不带电极
柱的跟踪结果和实际带电极柱的跟踪结果就是有误差的。所以在反向跟踪以前必须先把电极柱放入电场，此时电极柱位置是根据静态平衡轨道计算的粗略的位置，虽然是粗略的位置但是意义重大；第二次定位：利用加速器达到最高能量的最外圈时，静态平衡轨道和加速平衡轨道的轨迹半径几乎贴近的特点，先算出粒子的静态平衡轨道(所述静态平衡轨道就是粒子在高频腔电压为0时、粒子仅仅凭着磁场的力运行时的轨道，这个静态平衡轨道是能够通过初始能量e
init
、高频电压v0、以及谐波数h计算出来的)，向粒子跟踪软件输入静态平衡轨道最外圈粒子轨迹的相关参数，例如输入参数r,p
r
,粒子跟踪软件根据输入的静态平衡轨道最外圈粒子轨迹的相关参数，就能够计算出从小半径到大半径所有区域的加速平衡轨道的粒子轨迹的参数，从这些参数中找到粒子在中心区的加速平衡轨道的束流轨迹，从而中心区的加速平衡轨道的束流轨迹，最终确定中心区用于卡束的电极柱的位置。
[0041]
以上之所以只能利用加速器最外圈静态平衡轨道的相关参数而不能用加速器静态平衡轨道中心区轨迹的相关参数的原因，是因为加速器的静态平衡轨道和加速平衡轨道每一圈的束流轨迹是不同的，静态平衡轨道是封闭的，同一圈的对称位置半径相同，但加速平衡轨道的同一圈的束流轨迹是半径逐渐增大的螺旋线轨迹，每个点的半径均不相同，这种半径逐渐增大的螺旋线轨迹越和静态平衡轨道轨迹，越是接近中心区差别就越大，所以无法采用中心区的静态平衡轨道代替中心区的加速平衡轨道，而必须采用最高能量的远离中心区的最外圈的静态平衡轨道的束流轨迹作为加速平衡轨道最外圈的束流轨迹。
[0042]
2、平衡点设计原理。平衡点设计的缘由是因为束流品质中的加速相位变化以后，会引起束流品质的其它三个方面包括卡束位置、径向对中、轴向聚焦的一连串的变化，因此必须采用反复迭代的方法。当加速器中心区束流轨迹确定后，首先确定电极柱卡束的位置和加速间隙的前后位置(加速间隙的位置决定了加速相位的束流品质)，因为这两个并不冲突。加速相位的调整会影响到径向对中，因为加速相位变化使得电场方向变化了，要根据新的电场方向进行径向对中的调节，所以径向对中的步骤要在加速相位确定以后再进行。由于采用电极柱调整径向对中，同时采用电极柱卡束，电极柱位置在径向对中过程中发生了变化，这种变化又会影响原来已经确定的卡束的位置，因此，调节径向对中后还要再次调节电极柱卡束的位置。加速相位的变化不仅仅影响径向对中和卡束，还会影响轴向聚焦，加速相位调节好以后，中心区的轴向聚焦也会变化，此时再通过调节中心区加速间隙的高低来调节轴向聚焦。
[0043]
基于以上发明原理，本发明设计了一种强流回旋加速器中心区物理设计方法。
[0044]
一种强流回旋加速器中心区物理设计方法如图1所示，其特征在于：包括以下步骤：
[0045]
步骤一、计算粒子经过中心区各个物理实体时的能量，所述中心区各个物理实体为中心区相邻两条加速间隙之间的高频腔体或者法兰盘；
[0046]
补充说明：图1为加速器中心平面的下半部分的俯视图，高频腔为中心平面以下的下高频腔、法兰为中心平面以下的下法兰，参考粒子轨迹布设在中心平面上，所述中心平面就是加速器上下磁极、上下法兰、上下高频腔之间的中心平面，束流从离子源注入到加速器中心后，通过磁场的偏转和高频电场的加速，在中心平面上运行并不断加速，从中心区的低能量区域到加速器外圈的高能量区域，一直到被引出到加速器以外的束流线上。
[0047]
步骤二、基于各个物理实体上的能量，计算粒子静态平衡轨道半径；
[0048]
补充说明：粒子静态平衡轨道如图3所示，回旋加速器依靠磁场提供偏转，使束流在加速器内旋转，反复通过高频腔加速。静态平衡轨道是指粒子在磁场作用下，粒子在加速器中心平面运动的封闭轨道。当高频腔无电压时，粒子可一直沿静态平衡轨道运动。如图3所示，不同能量对应不同的静态平衡轨道，目前已有成熟的静态平衡轨道计算软件。
[0049]
步骤三、根据计算出的粒子静态平衡轨道半径，确定用于卡束的中心区结构，该中心区结构为：环绕中心区第1、2圈束流轨道、分别布设在束流轨道的高频腔和法兰盘适当位置的多个电极柱子，该多个电极柱子用于卡掉中心区那部分得不到加速的粒子；
[0050]
补充说明：这是卡束电极柱的第一次定位，第一次定位只是为了粒子跟踪软件反向跟踪时，能够把电极柱的电场计算进去，但由于第一次定位不是束流的实际轨迹而是基于静态平衡轨道的定位，所以这个定位是粗略的。
[0051]
步骤四、使用粒子跟踪的方法，优化用于卡束的中心区结构：从中心区反向跟踪参考粒子，即：从高能量下的静态平衡轨道跟踪至中心区，从而根据束流轨迹优化调整中心区结构，所述优化调整中心区结构即为优化调整电极柱的位置；
[0052]
补充说明：从高能量下的静态平衡轨道跟踪至中心区，需要向粒子跟踪软件输入高能量静态平衡轨道的相关参数，如：θ，r,pr,e,t,θ，r，pr，e是静态平衡轨道的相关参数：r为粒子半径和静态平衡轨道半径之差、粒子动量的径向分量和静态平衡轨道的动量的径向分量之差、e为能量、θ为角度、时间t和磁场等时性有关，一般输入角度θ选磁场谷区对称面时，时间t在0
°
附近。
[0053]
步骤五、使用粒子跟踪的方法，优化中心区束流品质、确定用于优化中心区束流品质的中心区结构：从中心区正向跟踪参考粒子，得到新的粒子轨迹、根据新的粒子轨迹得到电极柱卡束的位置、加速相位、径向对中和轴向聚焦，从而根据结果进一步优化调整用于提高束流品质的中心区结构，具体为：首先通过调整加速间隙的前后位置调整粒子经过加速间隙时的加速相位，同时，通过束流轨迹的位置确定电极柱卡束的位置；当加速相位确定以后，根据当前电场方向，通过调整加速间隙束流入口和出口电极柱子的位置调节中心区的径向对中；当径向对中调节完成以后再次调节电极柱卡束的位置；当加速相位确定以后，再通过调节加速间隙的高低调节中心区的轴向聚焦。
[0054]
步骤六、重复步骤五，反复迭代、优化调整用于卡束和用于提高束流品质的中心区结构，直至中心区结构达到设计标准为止；
[0055]
步骤七、使用多粒子跟踪的方法，考虑空间电荷效应的影响，重复步骤五，，确定最终的中心区结构；所述空间电荷效应就是粒子之间的相互作用。
[0056]
所述步骤一的计算粒子经过中心区每两个相邻加速间隙之间的物理实体时的能量，具体过程如下：
[0057]
1)获取粒子的初始能量e
init
、高频电压v0、以及谐波数h，它们已经在加速器的初步设计中确定，其中，粒子在经过两个加速间隙的时间差和谐波数、高频张角的关系为：τ2‑
τ1＝hα；
ꢀꢀꢀ
(1)
[0058]
2)设定粒子在1/2高频腔张角处的相位角为：τ1为粒子经过第1个加速间隙的时间，τ2为粒子经过第2个加速间隙的时间，
[0059]
3)以加速带有负电荷的粒子为例，设其电荷为
‑
q，计算粒子在加速间隙
①
和加速
间隙
②
获得的能量，分别为：
[0060][0061]
4)计算粒子在两个加速间隙获得的能量之和：
[0062][0063]
5)粒子第n次加速后的能量为：
[0064][0065]
其中，
‑
q是粒子电荷，当hα＝180
°
、时，能量增益最大，在回旋加速器中，通过合理的设计可以使接近0，受到加速器结构限制，α存在最大值α
m
，有时hα
m
<180
°
。
[0066]
所述步骤二的基于各个物理实体上的能量，计算粒子静态平衡轨道半径，具体过程如下：
[0067]
1)将步骤一得到的静态平衡轨道连接，得到初步的粒子加速轨迹；
[0068]
2)根据初步粒子加速轨迹放置各电极柱，使粒子轨迹从电极柱之间通过；
[0069]
补充说明：
[0070]
1、所述使粒子轨迹从电极柱之间通过，如图1、2所示，是指从高频腔头部的前后两排的电极柱之间通过，高频腔头部布设的电极柱，在本实施例中只是针对束流轨迹的第一圈、第二圈，在每个高频腔的头部靠近加速器中心点的为第一排电极柱，该第一排电极柱布设在第一圈束流的小半径处，该小半径处的位置恰好卡掉无效粒子；第二排电极柱用于卡掉第2圈的束流，布设于第2圈束流的小半径处，同时，第二排电极柱也用于卡掉第一圈束流轨迹溢出的束流；
[0071]
补充说明：
[0072]
所述无效粒子就是位于高频电场负半圈的粒子，负半圈的粒子由于所受到的电场为负，得不到加速，这部分粒子的能量很低，能量低的粒子处于束流轨迹的小半径，将电极柱布设于粒子轨迹的小半径，就是把小半径上能量低的粒子卡掉，否则无效粒子堆积过多产生的辐射就越多，当检修设备时对人体的损害很大。
[0073]
2、卡束电极柱还布设在中心区每个下高频腔两侧的下法兰盘的第1圈束流的入口或出口处(束流逆时针转动，下法兰的边缘有时候作为加速间隙的束流入口，有时候作为加速间隙束流的出口)：下法兰盘的中心处周围设有用于引出离子源束流的中心区下支撑体，所述下法兰盘的第1圈束流的入口或出口处布设的卡束电极柱子就布设在该下支撑体的外围。该中心区下支撑体外围的下法兰上的电极柱子、以及高频腔体头部的电极柱子共同构成中心区第1圈束流的束流通道。
[0074]
3、卡束电极柱即可用于卡束、也可以用于调整径向对中。如图2所示，当调整径向对中时的下高频腔的前后两排电极柱子的倾斜角度不能太大，否则会影响先前电极柱卡束的位置。
[0075]
所述过程2)的根据初步粒子加速轨迹放置各电极柱，使粒子轨迹从电极柱之间通过，具体环节如下：
[0076]
1)在中心区设置第1圈电极柱，该第1圈电极柱布设在每个高频腔头部的第1圈初
步粒子加速轨迹的小半径处；
[0077]
2)在中心区设置第2圈电极柱，该第2圈电极柱布设在每个高频腔和法兰盘的第2圈初步粒子加速轨迹的小半径处；
[0078]
所述环节1)和环节2)的小半径为粒子受到高频电场负相位作用时粒子所在的轨迹半径；所述环节1)和环节2)小半径处布设的电极柱用于将该小半径处的不能加速的粒子从中心区卡掉。
[0079]
所述步骤五的调整粒子加速间隙的前后位置，既是将加速间隙两侧的法兰盘、高频腔体、以及法兰盘和高频腔体上的柱子一起移动，从而调整加速间隙的前后位置。
[0080]
所述步骤五的通过调整加速间隙束流入口和出口电极柱子的位置如图2所示，具体为：兼顾电极柱卡束和电极柱调整束流径向对中，在不影响电极柱卡束位置的情况下，当调整束流对中时需要束流向大半径移动时，则将加速间隙的入口向大半径移动、出口向小半径移动，当调整束流对中时需要束流向小半径移动时，则将加速间隙的入口向小半径移动、出口向大半径移动。
[0081]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。