一种利用整数共振激励束流进动的方法与流程

1.本发明属于高功率回旋加速器技术领域，尤其设计一种利用整数共振激励束流进动的方法。


背景技术：

2.高能量(gev量级)、高平均流强(ma量级)质子束流在核物理、大众健康、先进能源、国防安全等领域均有重要应用。在前沿基础研究领域，高功率加速器是物理学强度前沿的中微子物理、质子衰变观测和缪子物理等研究的主要工具之一。在大众健康、先进能源等国民经济重大领域中，高功率质子打靶产生的快中子是进行核废料处理处置、稀有同位素生产的理想选择。在国防工业和国土安全领域，高能质子在远程检测带屏蔽特殊核材料、防止核扩散和核威胁、高z材料动态过程照相等诸多方面有极其重要而广泛的应用。
3.现阶段制约高能量(gev量级)、高平均流强(ma量级)圆形加速器的瓶颈问题有：
4.高能、高功率加速器的强空间电荷效应，导致束晕增长、束流品质差、束流引出困难。被加速离子种类的选择一般是负氢离子h-(剥离后成为质子)、h2 离子(剥离后成为质子)、质子。由于负氢离子h-能量在gev量级时，极其容易发生电磁剥离(0.3特斯拉的磁场就会发生电磁剥离现象)，从而造成大量束流损失，故高能、高功率加速器只能选择加速h2 离子或质子，且一般采用多级加速器组合、多级引出的方式。若被加速离子种类是h2 离子，多级引出的最后一级一般采用剥离引出，而前几级只能用偏转板进行引出，由于次外圈和最外圈之间的间距小、束晕严重等因素，引出偏转板处束流损失严重，难以达到小于200w的要求。
5.现有技术为解决束流引出偏转板圈间距小的问题，采用非对中振荡的方式注入粒子，该振荡一直振荡到加速器束流引出偏转板处，通过振荡时产生的振幅扩大圈间距。非对中注入方式虽然可以扩大圈间距，但会造成束晕增长，而且会由于束流相空间匹配程度差、非线性共振等原因造成束流包络一定程度的增长等不利影响。


技术实现要素：

6.本发明为解决现有技术的问题，提出一种利用整数共振激励束流进动的方法，目的在于解决现有技术采用非对中方式注入粒子，而导致束晕增长，而且会由于束流相空间匹配程度差、非线性共振等原因造成束流包络一定程度的增长等不利影响。
7.本发明为解决其技术问题提出以下技术方案。
8.一种利用整数共振激励束流进动的方法，该方法基于一种整数共振抑制器，该整数共振抑制器由多组抑制线圈组组成、该多组抑制器线圈组沿加速器圆周方向均匀布设在无磁铁、且无高频腔的漂移节区域内；所述整数共振抑制器，按照产生可调相位的n次谐波磁场的需要，沿加速器周向布设4n个共振抑制线圈组,该4n个抑制器线圈组环绕并均匀分布于加速器环形真空室的大半径处；每个抑制器线圈组设有第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈相位上会有一定的差距，磁场相位上的差距由线圈电流决定；所述第一线圈
的位置是共振前的位置，第二线圈的位置是共振后的位置；所述第一线圈所覆盖的径向范围约为共振前5～10圈的轨道宽度；所述第一线圈所覆盖的径向范围约为整数共振前5～10圈的轨道宽度；所述第二线圈所覆盖的径向范围约为整数共振后5～10圈的轨道宽度；
9.其特征在于：该方法包括以下步骤：
10.步骤一、束流以对中的方式从加速器注入口注入；
11.步骤二、当束流正向穿越vr＝n整数共振线时，使用整数共振抑制器控制偏转板处的径向振荡的幅度、相位，达到扩大引出圈间距的效果。
12.进一步地，所述步骤二的达到进动效果，具体为：
13.1)引出圈间距的公式如下：
[0014][0015]
等号左为引出圈间距，等号右侧第一项为能量增益导致的圈间距，等号右侧第二项为“径动”作用造成的引出圈间距，可表示为:
[0016][0017]
其中n为谐波磁场的次数，δa为径向振荡幅度；vr为径向工作点；
[0018]
2)设共振抑制器中第一线圈产生谐波磁场幅度为b
n1
、相位为第二线圈产生谐波磁场幅度为b
n2
、相位为q
τ
为共振穿越速度，则径向振荡幅度δa可表示为：(参考文献：g.guignard,cern report no.cern 77-10,1977与r.baartman,fast crossing of betatron resonances,in:proc.of ffag 2004,vancouver,canada,2004.)
[0019][0020]
等号右边第一项为束流加速至整数共振能量过程的径向振荡振幅增量；等号右边第二项为束流离开整数共振后的径向振荡振幅增量；
[0021]
3)调整b
n1
、b
n2
、使束流通过共振抑制器所覆盖区域时，使δa约等于能量增益导致的圈间距即产生“进动”。
[0022]
进一步地，所述步骤二的束流穿越vr＝n整数共振，为正向穿越而非反向穿越；所谓正向穿越为从vr＜n变化到vr＞n的过程；所谓反向穿越为从vr＞变化到vr＜n的过程；n为正整数，大于等于2；
[0023]
进一步地，所述步骤二的使用整数共振抑制器控制偏转板处的径向振荡的幅度、相位，达到扩大圈间距的效果，具体过程如下：
[0024]
1)通过配置整数共振抑制器的电流，束流穿越vr＝n整数共振线时，控制径向振荡的幅度和相位。
[0025]
2)束流一边径向振荡一边继续加速，合适的径向振荡会使束流加速至次外圈时，径向振荡达到最小值，到达最外圈时，径向振荡达到最大值；所述径向振荡达到最小值即为反向达到最大值，所述径向振荡达到最大值，即为正向达到最大值；
[0026]
进一步地，所述过程2)的具体步骤为：
[0027]
1)在引出偏转板所在角度布设径向靶，测得径向电荷分布的峰值位置即为束流的
径向位置；
[0028]
2)共振抑制器电流配置初始化，所述初始化既是使谐波磁场满足：b
n1
≈b
n2
，b
n1
与b
n2
为10gs，此时径向振荡幅度约为0；
[0029]
3)调整第二线圈产生谐波磁场的幅度b
n2
、以及相位
[0030]
4)若总增量达到360
°
，仍未满足引出圈间距要求，则增大b
n1
，增幅为1gs，返回过程2)继续调节。
[0031]
进一步地，所述步骤3)的具体过程为：
[0032]
1)增加增量设为5度左右；
[0033]
2)增大或减小b
n2
的同时，通过径向靶观测径向振荡幅度，使径向振荡幅度约等于能量增益导致的圈间距
[0034]
3)通过径向靶观测次外圈与最外圈的圈间距；
[0035]
4)若圈间距满足引出圈间距要求，则调节完毕；若未达到要求，则回到第3)步，所述圈间距满足引出圈间距要求既是：扩大后的圈间距可以达到2～3倍的能量增益导致的圈间距
[0036]
本发明的优点效果
[0037]
1、本发明采用束流对中的注入方式，通过共振抑制器控制整数共振造成的径向振荡，当束流正向穿越vr＝n整数共振区域时候，使束流激励起幅度、相位可控的径向振荡。在本发明中束流在加速器大部分区域是束流对中的，这样使得束流包络控制、束晕的控制相比现有技术有着得天独厚的优势。
[0038]
2、本发明采用整共振抑制线圈调电流的方式调整圈间距，相比现有技术通过束流注入的位置、角度的调整来扩大圈间距，要精确得多、方便得多。
[0039]
3、本发明将束流对中注入、利用整数共振、控制整数共振的幅度和相位，这几种技术有机组合，相互支持取得了组合以后的效果。
附图说明
[0040]
图1-1为整数共振抑制器布局结构图；
[0041]
图1-2为整数共振抑制器线圈组示意图；
[0042]
图1-3为整数共振抑制器电流分配示意图；
[0043]
图2为整数共振抑制器效果图；
[0044]
图中，1-1：抑制器线圈组；1-2：抑制器线圈组；1-3：抑制器线圈组；1-4：抑制器线圈组；1-5：抑制器线圈组；1-6：抑制器线圈组；1-7：抑制器线圈组；1-8：抑制器线圈组；1-9：抑制器线圈组；1-10：抑制器线圈组；1-11：抑制器线圈组；1-12：抑制器线圈组；
具体实施方式
[0045]
本发明设计原理
[0046]
本发明创新点以及和现有技术的区别：第一、本发明引入振荡是在穿越整数共振的时候，束流在加速器径向大部分区域都是束流对中的，这样使得束流包络控制、束晕的控
制相比现有技术有着得天独厚的优势，第二、对待穿越共振采用的方法不同。现有技术采用临近整数共振线的时候减弱磁场、减小径向工作点、增大轴向工作点，例如，径向工作点从邻近整数共振线vr＝2的地方退回到径向工作点为1.5的半整数共振的地方，即径向工作点减小，减小径向工作点需要减弱磁场，从而导致束流纵向(纵向就是束流运动方向)散焦，束流纵向散焦则束流品质差。而本发明采用正向穿越整数共振，是“纵向聚焦”而非纵向散焦的。纵向聚焦的原因是引出区的磁场加强，使束流在引出区域处于高频加速腔的聚焦相位之上。现有技术采用减弱磁场、减小径向工作点的原因是不敢穿越整数共振线vr＝n，因此现有技术加速器能量达不到gev量级。本发明采用径向振荡抑制器来控制正向穿越整数共振而引起的径向振荡，能够适应1gv以上的高功率加速器的需求。第三、调控方式不同。现有技术调整引出圈间距，是束流注入时而不是穿越整数共振的时，通过调整束流注入的位置、角度从而调整引出圈间距。而本发明采用调节整共振抑制线圈调电流的方式，调整电流要比调整位置精确得多，方便的多。
[0047]
基于以上原理，本发明设计了一种利用整数共振进行径向振荡激励的方法，
[0048]
一种利用整数共振激励束流进动的方法如图1-1、1-2、1-3所示，该方法基于一种整数共振抑制器，该整数共振抑制器如图1-1所示，由多组抑制线圈组1-1到1-12组成、该多组抑制器线圈组1-1到1-12沿加速器圆周方向均匀布设在无磁铁、且无高频腔的漂移节区域内；所述整数共振抑制器，按照产生可调相位的n次谐波磁场的需要，沿加速器周向布设4n个共振抑制线圈组,该4n个抑制器线圈组环绕并均匀分布于加速器环形真空室的大半径处；如图1-2所示，每个抑制器线圈组设有第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈相位上会有一定的差距，磁场相位上的差距由线圈电流决定；所述第一线圈的位置是共振前的位置，第二线圈的位置是共振后的位置；所述第一线圈所覆盖的径向范围约为整数共振前5～10圈的轨道宽度；所述第二线圈所覆盖的径向范围约为整数共振后5～10圈的轨道宽度；
[0049]
当产生可调相位的n次谐波磁场时，n次谐波磁场由n个共振抑制线圈组组成1st组，编号的通项公式为4i 1，形成固定相位的n次谐波磁场；为了保证平均磁场不变，还需要另外n个电流相反的共振抑制线圈组成2
nd
组，编号的通项公式为4i 3，1
st
组与2
nd
组共振抑制线圈形成了形成固定相位的n次谐波磁场且平均磁场不变；为了产生可调相位的n次谐波磁场，还需要与另外两组与1
st
组、2
nd
组正交的共振抑制线圈3
rd
组、共振抑制线圈4
th
组，共振抑制线圈3rd组的编号的通项公式为4i 2，共振抑制线圈4th组的通项公式为4i 4，i取值范围为0到n-1,共四组共振抑制线圈单元。
[0050]
如图1-1所示，本实施例为了区分标记，图1-1的抑制线圈组编号分成两部分，前缀部分和通用公式部分，前缀部分可以根据需要自行变化，后面的通用公式不变。在本实施例中，将4个通用公式：4i 1、4i 2、4i 3、4i 4前面加上前缀1_，线圈分组编号为1_4i 1、1_4i 2、1_4i 3、1_4i 4；
[0051]1st
组的电流分配为2
nd
组的电流分配为3
rd
组的电流分配为4
th
组电流分配为
[0052]
其特征在于：该方法包括以下步骤：
[0053]
步骤一、束流以对中的方式从加速器注入口注入；
[0054]
步骤二、当束流正向穿越vr＝n整数共振线时，使用整数共振抑制器控制偏转板处
的径向振荡的幅度、相位，达到扩大引出圈间距的效果。
[0055]
进一步地，所述步骤二的达到进动效果，具体为：
[0056]
1)引出圈间距的公式如下：
[0057][0058]
等号左为引出圈间距，等号右侧第一项为能量增益导致的圈间距，等号右侧第二项为“径动”作用造成的引出圈间距。增大第一项需要高功率的高频加速系统，成本高、难度大。增大第二项需要引入一定的非对中量，产生“径动”。传统设计中，在束流注入时就以非对中的方式将束流注入，在束流加速全程均有一定的径向振荡。在本项发明中，束流以对中的方式将束流注入，当束流穿越vr＝n整数共振线时，使用共振抑制线圈来控制径向振荡的幅度、相位，同样可以达到进动的效果。此时，共振抑制线圈不仅只是用于抑制整数共振，同时还作为引出圈间距的优化调节器。
[0059]
等号左为引出圈间距，等号右侧第一项为能量增益导致的圈间距，等号右侧第二项为“径动”作用造成的引出圈间距，可表示为:
[0060][0061]
其中n为谐波磁场的次数，δa为径向振荡幅度；vr为径向工作点；
[0062]
关于2倍的δa
·
sin(π(v
r-n))的原理，详见参考文献：j.j.yang,a.adelmann,w.barletta,l.calabretta,etc,beam dynamics simulation for the high intensity daeδalus cyclotrons,nuclear instruments and methods in physics research section a:accelerators,spectrometers,detectors and associated equipment,volume 704,2013,pages 84-91,
[0063]
2倍的δa
·
sin(π(v
r-n))的大致含义是：次外圈振幅向左偏一点，最外圈振幅向右偏一点，左右加一起为2倍。
[0064]
2)设共振抑制器中第一线圈产生谐波磁场幅度为b
n1
、相位为第二线圈产生谐波磁场幅度为b
n2
、相位为q
τ
为共振穿越速度，则径向振荡幅度δa可表示为：(参考文献：g.guignard,cern report no.cern 77-10,1977与r.baartman,fast crossing of betatron resonances,in:proc.of ffag 2004,vancouver,canada,2004.)
[0065][0066]
等号右边第一项为束流加速至整数共振能量过程的径向振荡振幅增量；等号右边第二项为束流离开整数共振后的径向振荡振幅增量；
[0067]
3)调整b
n1
、b
n2
、使束流通过共振抑制器所覆盖区域时，使δa约等于能量增益导致的圈间距即产生“进动”。
[0068]
进一步地，所述步骤二的束流穿越vr＝n整数共振，为正向穿越而非反向穿越；所谓正向穿越为从vr＜n变化到vr＞n的过程；所谓反向穿越为从vr＞n变化到vr＜n的过程；n为正整数，大于等于2；
[0069]
进一步地，所述步骤二的使用整数共振抑制器控制偏转板处的径向振荡的幅度、
相位，达到扩大圈间距的效果，具体过程如下：
[0070]
1)通过配置整数共振抑制器的电流，束流穿越vr＝n整数共振线时，控制径向振荡的幅度和相位。
[0071]
2)束流一边径向振荡一边继续加速，合适的径向振荡会使束流加速至次外圈时，径向振荡达到最小值，到达最外圈时，径向振荡达到最大值；所述径向振荡达到最小值即为反向达到最大值，所述径向振荡达到最大值，即为正向达到最大值；
[0072]
进一步地，所述过程2)的具体步骤为：
[0073]
1)在引出偏转板所在角度布设径向靶，测得径向电荷分布的峰值位置即为束流的径向位置；
[0074]
2)共振抑制器电流配置初始化，所述初始化既是使谐波磁场满足：b
n1
≈b
n2
，b
n1
与b
n2
为10gs，此时径向振荡幅度约为0；
[0075]
3)调整第二线圈产生谐波磁场的幅度b
n2
、以及相位
[0076]
4)若总增量达到360
°
，仍未满足引出圈间距要求，则增大b
n1
，增幅为1gs，返回过程2)继续调节。
[0077]
进一步地，所述步骤3)的具体过程为：
[0078]
1)增加增量设为5度左右；
[0079]
2)增大或减小b
n2
的同时，通过径向靶观测径向振荡幅度，使径向振荡幅度约等于能量增益导致的圈间距
[0080]
3)通过径向靶观测次外圈与最外圈的圈间距；
[0081]
4)若圈间距满足引出圈间距要求，则调节完毕；若未达到要求，则回到第3)步，所述圈间距满足引出圈间距要求既是：扩大后的圈间距可以达到2～3倍的能量增益导致的圈间距
[0082]
需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。