一种整数共振抑制器结构的制作方法

1.本发明属于高功率回旋加速器技术领域，尤其设计一种整数共振抑制器结构。


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.在等时性加速器中，径向工作点和束流的能量成正比关系，能量越高则工作点越高。在高能、高功率加速器加速过程中，工作点将会跨越整数共振线，在磁场误差的驱动下导致大幅度径向振荡、束流发散，从而限制了束流能量的提升。小型回旋加速器能量低，径向工作点小(径向工作点一般都是1点几)，不会穿越整数共振。而高能、高功率加速器的束流能量到达gev量级，工作点达到2～3以上，所以高能、高功率加速器一定会穿越整数共振。
5.现有技术对整数共振的抑制手段为：通过垫补磁极镶条、添加磁场补偿线圈的方式降低谐波磁场幅度。若采用该方案，高能(gev量级)、高功率(mw量级)圆形加速器需要将谐波磁场垫补到0.1gs量级。该方案对磁性材料性能、磁铁机械加工精度、磁铁安装精度、磁场测量精度等方面提出了极高的要求，难以工程实现。


技术实现要素：

6.本发明为解决现有技术的问题，提出一种整数共振抑制器结构。目的在于解决现有技术对磁性材料性能、磁铁机械加工精度、磁铁安装精度、磁场测量精度等方面提出了极高的要求，难以工程实现的问题。
7.本发明为解决其技术问题提出以下技术方案。
8.一种整数共振抑制器结构，其特征在于，所述用于抑制整数共振的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；所述用于抑制整数共振的共振抑制器，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。
9.进一步地，生成所述n次谐波磁场需要4n个共振抑制线圈组；该4n个共振抑制线圈组沿着加速器圆周方向等间距均匀分布；并依次编号1～4n。
10.进一步地，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。
11.进一步地，1
st
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
12.进一步地，所述第一线圈的位置是整数共振前的位置，第二线圈的位置是整数共振后的位置，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。
13.本发明的优点效果
14.本发明首次提出了通过调整抑制器线圈电流对穿越整数共振的振幅进行控制的方法。通过1)将抑制器布设在整数共振区域：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；2)4n个共振抑制线圈组每组分别设有第一线圈和第二线圈，第一线圈的位置是整数共振前的位置，第二线圈的位置是整数共振后的位置，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，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；3)将1
st
组、2
nd
组产生固定相位的n次谐波磁场m1、3
rd
组、4
th
组固定相位的n次谐波磁场m2。m1与m2正交(相位相差90
°
)，m1与m2可以合成相位、幅度可调的n次谐波磁场。实现了在加速器整数共振区对共振幅度、相位的有效控制。由于vr＝n整数共振激励的径向振荡幅度取决于一个关于n次谐波磁场的积分量，本发明通过调整抑制器线圈电流的方式控制该积分量实现对径向振荡的控制，相比现有技术通过补偿线圈、切削磁极等方式减小n次谐波磁场的幅度的方法来抑制径向振荡幅度增长，具有精度高、易于操作的有点。
附图说明
15.图1-1为整数共振抑制器布局结构图；
16.图1-2为整数共振抑制器线圈组示意图；
17.图1-3为整数共振抑制器电流分配示意图；
18.图2为整数共振抑制器效果图；
19.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
20.本发明设计原理
21.整数共振抑制器设计原理：本发明共振抑制器通过调整线圈电流控制整数共振幅度和相位，相比现有技术采用非对中注入和通过消减磁极垫补镶条的方法，有着得天独厚的优势。整数共振抑制器原理是通过给4n组线圈加不同的电流达到控制幅度的效果。该效
果如图2所示，共振抑制器布设在整数共振区，并加载不同方向的电流。束流能量为1600mev到1800mev之间时，束流达到整数共振区，一组电流的振幅为 2.1左右，一组电流的振幅为-0.8左右，两个值综合以后振幅达到1.3左右；当能量达到1800mev时，一组线圈的电流达到的振幅为2.5，一组线圈的电流的振幅为-4，两个值综合以后的振幅为-1.5；用4组线圈调节控制振幅的原理是：其中的1
st
组、2
nd
组用于形成固定相位的n次谐波磁场，另外的3
rd
组、4
th
组形成固定相位的n次谐波磁场与1
st
组、2
nd
正交(相位相差90
°
)。1
st
组、2
nd
组和3
rd
组、4
th
组所生成的两个相位固定且正交的n次谐波磁场合成为一个幅度、相位可控的n次谐波磁场。
22.总之，本发明抑制整数共振是控制整数共振径向振荡振幅。
23.基于以上原理，本发明设计了一种整数共振抑制器结构。
24.一种整数共振抑制器结构如图1-1、1-2所示，其特点是，所述用于抑制整数共振的共振抑制器1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；所述用于抑制整数共振的共振抑制器2，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。
25.生成所述n次谐波磁场需要4n个共振抑制线圈组；该4n个共振抑制线圈组沿着加速器圆周方向等间距均匀分布；并依次编号1～4n。
26.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。
27.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；
28.如图1-3所示，1
st
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
29.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；所述第二线圈所覆盖的径向范围约为共振后5～10圈的轨道宽度。
30.如图1-2所示，所述每个线圈组的第一线圈和第二线圈之间的间隔为0.02m，第一线圈和第二线圈的高度为0.1m、宽度为0.05m。
31.实施例一：
32.采用整数共振抑制器和束流对中注入方法控制整数共振的振幅
betatron resonances,in:proc.of ffag 2004,vancouver,canada,2004.)
[0047][0048]
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；
[0049]
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”。
[0050]
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。
[0051]
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：
[0052]
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；
[0053]
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。
[0054]
所述过程2)的具体步骤为：
[0055]
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；
[0056]
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；
[0057]
3)调整第二线圈产生谐波磁场的幅度b
n2
、以及相位
[0058]
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。
[0059]
所述步骤3)的具体过程为：
[0060]
1)增加增量设为5度左右；
[0061]
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
[0062]
3)通过径向靶观测次外圈与最外圈的圈间距；
[0063]
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
[0064]
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。