CN113498245B - 适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粒子束中性化气体靶单元及配套真空差分系统设计方法，为解决需在加速器系统上获得中性粒子束时，能实现最大中性化效率的气体靶单元计算方法及经验公式不足，现有的真空差分系统设计繁琐的问题，提供一种适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法，中性化气体靶单元设计方法能够快速给出在采用几种常用气体时的气体靶质量厚度、平均压强、平均长度和气体靶内径等关键参数，并依据上述参数，结合加速器实际，快速构建出一组适宜的配套真空差分系统核心元件，根据中性化气体靶单元与加速器束线真空压差等级，确定差分等级、第n级差分比、第n级差分管流导、第n级差分管内径及长度，完成气体中性化系统的初步设计。
Description
技术领域
本发明属于粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法，具体涉及一种适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及系统设计方法。
背景技术
中性氢原子束不带电，在适宜真空条件下可避免受到磁场环境影响而实现远距离传输，具有带电粒子束不可比拟的优势；此外，基于加速器获得的中性原子束可为开展原子能级研究提供良好的平台，从而在相关基础研究方面发挥重要作用。中性束的产生通常需驱使负离子束穿过一定的固体或气体介质，通过与靶物质发生电荷交换作用，发生电离解析从而实现电荷态的转换。负氢离子核外俘获电子的束缚能为0.754eV，基态电子束缚能为13.6eV，当靶介质质量厚度足够大时，俘获电子和基态电子均会丢失，往往可以实现不低于95％的全剥离效率。然而如何控制靶室介质参数，使得负氢离子仅丢失一个电子，并尽量降低氢原子的进一步电离，是最大程度实现中性化的关键所在。为实现最大中性化效率，需对气体靶室的参数，进行精确的控制，在这个方面，前期相关理论研究和可参考试验结论较少，不足以直接指导中性化靶室的设计；此外气体靶的引入会给加速器真空系统带来额外的气载，所以必须同步引入一套差分真空系统，实现中性化气体靶室与加速器真空系统的匹配，而真空设计过程往往繁琐耗时，研究者需投入大量精力才能建立一套基本模型，还需结合加速器实际进行反复迭代，时间和人力成本较高，亟需一套操作性强的方法，简化初步设计步骤，为最终的实际工程设计提供备选方案，降低整体设计的复杂度。
发明内容
本发明的主要目的是解决目前需要进行适用于负氢束的气体中性化系统设计时，缺乏可参考经验公式和结论，不足以指导能实现最大中性化效率的中性化靶单元的初步设计，且中性化气体靶单元进行实际应用时，为解决与加速器真空系统的匹配问题，必须建设一套配套的真空差分系统，但真空差分系统设计繁琐、需投入的人力和时间成本较高的技术问题，提供适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元及配套真空系统的初步设计方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，确定负氢离子剥离总截面σt
根据下式计算负氢离子剥离总截面σt
其中，i表示靶室气体种类；E为氢离子能量；β(E)为对应氢离子的相对论速度；ε0为氢原子静止能量，ε0＝938.27MeV；广义总截面Ψ(E)i取值为：
其中，表示靶室气体为氢气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氦气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氮气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氧气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氩气对应的广义总截面；
S2，确定负氢离子剥离截面比率η01(i)
各靶室气体种类对应的负氢离子剥离截面比率η01(i)分别为：
η01(H2)＝0.295；η01(He)＝0.345；η01(N2)＝0.380；η01(O2)＝0.381；η01(Ar)＝0.413；
S3，计算中性化气体靶质量厚度χ
根据下式计算得到中性化气体靶质量厚度χ
S4，确定中性化气体靶单元的平均压强P0和平均长度L0
设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值，带入下式计算另一数值：
L0P0＝χRT/NA
其中，R为理想气体常数，T为气体温度，量纲为K，NA为阿佛加德罗常数；
S5，确定中性化气体靶内径D
气体靶内径D＝rbeam+2mm；其中，rbeam为束斑内径；
S6，根据步骤S3得到的气体靶质量厚度χ、步骤S4确定的平均压强P0和平均长度L0、步骤S5确定的气体靶内径D，即可确定中性化气体靶单元的关键几何尺寸和内部真空度。
进一步地，步骤S4中，所述设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值具体为设定平均压强P0。
进一步地，所述平均压强P0的取值为0.1-10Pa。
适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，设计中性化气体靶单元
采用如上所述中性化气体靶单元设计方法，设计得到相应的中性化气体靶单元；
S2，确定中性化气体靶单元与束线真空度间压差等级M
根据束线真空压强Pacc和气体靶单元的平均压强P0得到压差等级M；
S3，确定真空差分等级N和第n级差分比λn
根据步骤S2得到的压差等级M，选择真空差分等级N，确定差分管数量，其中差分管数量与真空差分等级N相等；根据第n级差分管后级气压Pn与前级气压Pn-1相差的量级，确定第n级差分比λn；其中，n为差分管级数；
S4，确定第n级差分管流导Cn
根据第n级差分比λn确认第n级差分管流导Cn；
S5，确定差分管内径dn和差分管长度Ln
根据步骤S4得到的第n级差分管流导Cn，利用真空管道流导计算方法，结合加速器束斑及空间布局，确定差分管内径dn和差分管长度Ln；
S6，根据步骤S1至步骤S5得到的各参数，设计得到对应的气体中性化系统。
进一步地，步骤S2具体为，
根据下式计算得到中性化气体靶单元与束线真空压强间压差等级M：
进一步地，步骤S3中，
所述根据步骤S2得到的压差等级M确认真空差分等级N，具体为，
M＝2时，N＝1
M＝3时，N＝2
M＝4时，N＝2或N＝3
M＝5时，N＝2或N＝3或N＝4
M＝6时，N＝2或N＝3或N＝4或N＝5。
所述根据第n级差分管后级气压Pn与前级气压Pn-1相差的量级具体为，第n级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低1个量级时，λn＝0.1；
第n级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低2个量级时，λn＝0.01；
第n级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低3个量级时，λn＝0.001。
进一步地，步骤S4具体为，
当λn＝0.1时，Cn＝40L/s；当λn＝0.01时，Cn＝10L/s；当λn＝0.001时，Cn＝1L/s。
进一步地，步骤S5中，所述差分管内径dn的取值范围为rbeam≤dn≤40mm；差分管长度Ln的取值范围为0≤Ln≤150mm。
进一步地，步骤S5具体为，
Cn＝1L/s时，dn＝6mm,Ln＝18mm
或dn＝8mm,Ln＝50mm
或dn＝10mm,Ln＝110mm
Cn＝10L/s时，dn＝15mm,Ln＝18mm
或dn＝20mm,Ln＝67mm
或dn＝25mm,Ln＝145mm
Cn＝40L/s时，dn＝25mm,Ln＝10mm
或dn＝32.5mm,Ln＝53mm
或dn＝40mm,Ln＝130mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明能够快速实现适用于不同能量负氢粒子的、可实现最大中性化效率的气体中性化靶室关键参数，含中性化气体靶质量厚度、平均压强、平均长度和气体靶内径的设计，并能够依据上述关键参数，结合加速器实际，快速构建出一组真空差分系统核心元件，大大简化了中性化靶室设计前期繁琐的计算过程，为中性化靶室方案设计带来了极大的便利。
2.本发明在中性化气体靶单元平均压强和平均长度的设计中，采用给定平均压强值，计算平均长度的方法，平均压强一般选取的范围较窄，设计更加简便。
3.本发明中平均压强的取值为0.1-10Pa，更加贴合实际使用情况，计算更加准确。
4.本发明中负氢粒子束中性化气体靶单元与加速器系统匹配时配套真空差分系统的设计方法，在前述气体靶单元的设计基础上，进一步通过简便的方法确认得到了真空差分系统的初步参数，依次得到中性化气体靶单元与束线真空压差等级、差分管数量、第n级差分比、第n级差分管流导、第n级差分管内径和长度，最终得到配套真空差分系统(即一组差分管序列)的各关键参数，完成气体中性化系统的初步设计。大大简化了气体中性化系统的初步设计过程，可由此方法快速形成多套不同的备选方案，结合加速器实际进行进一步筛选，为气体中性化系统的设计带来了极大的便利，具有可推广性和实用性。
5.本发明中只在rbeam≤dn≤40mm和0≤Ln≤150mm的范围内选择差分管内径和差分管长度，贴合加速器实际束斑、管路、磁铁孔径等尺寸，且真空差分系统在沿束流方向不会占据过多空间，避免使加速器物理束线设计过于复杂。
附图说明
图1为本发明适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法实施例的流程示意图；
图2为本发明适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法实施例的流程示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
本发明针对中性化气体靶室关键参数设计及配套差分真空系统设计的难题，结合加速器应用实际，提出了一套可实现中性化效率最大化的气体靶单元参数公式，建立了一套气体靶单元与加速器真空系统过渡连接的差分真空系统设计方法，通过各级真空比模数化，形成了一套清晰的气体中性化系统设计流程，具有操作方便、结果准确可信等优点，在加速器系统中的气体中性化靶室及配套真空差分系统方案设计上具有很好的应用价值。
如图1，首先是一种适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，具体步骤如下：
1)计算最大中性化效率与气体靶质量厚度及剥离截面的关系。
设σ-10为H-→H0的剥离截面，σ-11为H-→H+的剥离截面，σ01为H0→H+的剥离截面，截面量纲均为cm2；设N-为H-粒子数比例，N0为H0粒子数比例，N+为H+粒子数比例，均为无量纲单位；设χ为气体靶质量厚度，量纲为molecules/cm2；则粒子数比例与剥离截面及气体靶质量厚度χ的关系如下式所示：
N+＝1-N--N0；
设H-→H0的中性化效率为K：
当K取得最大时，设气体靶质量厚度为χ，则χ可通过求解dN0/dx＝0得到：
设σt为H-剥离总截面：σt＝σ-10+σ-11；
设靶室气体为i时，σ01与σt的比率为η01(i)：
则气体靶质量厚度χ可简化表示为式(1)：
2)求解σt＝σ-10+σ-11。
设H-能量为E，量纲为MeV；β(E)为对应氢离子的相对论速度，ε0为氢原子静止能量，则ε0＝938.27MeV；σt随粒子能量E的变化为近似正比于1/β2，设广义总截面Ψ(E)i＝σtβ2(E)，则在特定气体中Ψ(E)i近似为一个常量，σt可由式(2)计算得到：
其中：
当E>20MeV时，Ψ(E)i可近似取10MeV≤E<20MeV区间值，但准确计算需引入能量修正因子，修正方法不在本方法讨论范围内。
3)求解负氢离子剥离截面比率η01(i)
比例系数η01(i)＝σ01/σ-10+σ-11，对于负氢束而言，该值在特定气体中近似为常数，在常用气体中取值如下：
η01(H2)＝0.295(E≤20MeV)；η01(He)＝0.345(E≤20MeV)；η01(N2)＝0.380(E≤20MeV)；η01(O2)＝0.381(E≤20MeV)；η01(Ar)＝0.413(E≤20MeV)；
当E>20MeV时，η01(i)仍可参照上述值近似计算，但准确计算需引入能量修正因子，修正方法不在本方法讨论范围内。
4)计算气体靶单元的平均压强P0和平均长度L0
气体靶单元平均长度为L0，量纲为cm；平均压强为P0，量纲为Pa；NA为阿佛加德罗常数，NA＝6.022×1023；R为理想气体常数，R＝8.314472J·mol-1K-1；T为气体温度，量纲为K；由理想气体状态方程可得L0与P0关系如式(3)所示：
L0P0＝χRT/NA (3)
将式(2)计算所得σt和步骤(3)计算所得η01(i)代入式(1)中，即可求得χ，将χ代入式(3)，给定P0、L0两者中任意一值，即可求得另外一值。作为一种优选方案，可设定平均压强P0求得平均长度L0。
5)选择气体靶内径D
设束斑内径为rbeam(rbeam≤20mm)，则气体靶内径D＝rbeam+2mm；束斑内径过大时，气体中性化靶室尺寸也将相应增大，在普通加速器系统中会引入较大的气载，从而使得配套差分系统结构更为复杂，结构更为冗长，适用性较低，因此本方法作为一种优选在束斑尺寸不大于20mm条件下适用，符合加速器实际。
6)根据上述得到的气体靶质量厚度χ、平均压强P0、平均长度L0、气体靶内径D设计得到相应的气体靶单元。
本发明还提供了一种计算中性化气体靶与加速器真空系统之间的差分真空过渡系统参数的方法，即一种适用于负氢粒子束的气体中性化系统设计方法，具体如下：
如图2，采用上述中性化气体靶单元设计方法，设计得到相应的气体靶单元，再据需依据下述方法进行设计，
1)计算气体靶室与束线真空压差等级M
P0为气体靶单元的平均压强，Pacc为束线真空压强，压差等级M按式(5)计算，M为正整数，2≤M≤6；
2)选择真空差分等级N和第n级差分比λn
N≤M-1，也代表差分管数量；n≤N，n为正整数；第n级差分管前级气压为Pn-1，后级气压为Pn；
λn设为0.1，0.01，0.001三档。
λn＝0.1：第i级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低1个量级；
λn＝0.01：第i级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低2个量级；
λn＝0.001，第i级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低3个量级；
其中，
则：
M＝2时，N＝1(λ1＝0.01)
M＝3时，N＝2(λ1＝0.01,λ2＝0.1)
M＝4时，N＝2(λ1＝0.01,λ2＝0.01)
N＝3(λ1＝0.01,λ2＝0.1,λ3＝0.1)
M＝5时，N＝2(λ1＝0.001,λ2＝0.01)
N＝3(λ1＝0.01,λ2＝0.01,λ3＝0.1)
N＝4(λ1＝0.01,λ2＝0.1,λ3＝0.1,λ4＝0.1)
M＝6时，N＝2(λ1＝0.001,λ2＝0.001)
N＝3(λ1＝0.01,λ2＝0.01,λ3＝0.01)
N＝4(λ1＝0.01,λ2＝0.01,λ3＝0.1,λ4＝0.1)
N＝5(λ1＝0.01,λ2＝λ3＝λ4＝λ5＝0.1)
气体靶单元平均压强P0会比束线真空Pacc的真空度高几个量级，如果M为6，代表P0比Pacc真空度高6个量级。
需要利用真空差分系统逐级实现Pacc与P0之间的阶梯过渡。
如果真空差分等级N＝3，则意味着通过三个阶梯逐阶实现真空下降，最终实现与Pacc的过渡连接。
3)选择第n级差分管流导Cn
λn＝0.1时，Cn＝40L/s
λn＝0.01时，Cn＝10L/s
λn＝0.001时，Cn＝1L/s。
4)差分管内径dn和长度Ln选择
利用真空管道流导计算方法，结合加速器束斑及空间布局实际情况，本方法建议只在rbeam≤dn≤40mm,0≤Ln≤150mm范围内进行选择，这样差分系统在束流方向不会占据过多空间，避免使束线设计过于复杂。差分管道流导对于尺寸参数较为敏感，经过计算采用下列组合基本可以满足初步设计使用要求，所选尺寸符合加速器实际应用要求。
Cn＝1L/s时，dn＝6mm,Ln＝18mm
或dn＝8mm,Ln＝50mm
或dn＝10mm,Ln＝110mm
Cn＝10L/s时，dn＝15mm,Ln＝18mm
或dn＝20mm,Ln＝67mm
或dn＝25mm,Ln＝145mm
Cn＝40L/s时，dn＝25mm,Ln＝10mm
或dn＝32.5mm,Ln＝53mm
或dn＝40mm,Ln＝130mm。
5)根据步骤1)至步骤4)得到的各参数，设计得到对应的负氢粒子束中性化气体靶单元配套真空差分系统，即在中性化气体靶单元两侧，N个差分管在中性化气体靶单元中轴线延长线上，按照1、2、……、N的顺序，根据束线实际，间隔适当距离依次排列。
如下用一个实例进行进一步说明：
某200MeV质子应用装置(XiPAF)，结合7MeV负氢注入器束线条件，按本发明前述方法，设计出了一套中性化靶室，具体实施步骤如下：
1)求解负氢离子剥离总截面σt
负氢离子能量E＝7MeV，中性化靶室气体为Ar；
σt＝1.35×1016cm2；
2)求解负氢离子剥离截面比率η01(i)
η01(Ar)≈0.413；
3)求解气体靶质量厚度χ
T＝20℃时，χ＝1.148×1016cm-2
4)计算气体靶单元的平均压强P0和长度L0，其中0.1Pa≤P≤10Pa
L0P0＝4.05×10-15χ；
选择P0＝1Pa；则L0＝45cm；
5)选择气体靶内径D
束斑内径为rbeam＝8mm；气体靶内径D＝rbeam+2＝10mm；
6)计算气体靶室与束线真空压差等级M
中性化靶室真空P0＝1Pa；束线真空Pacc＝1E-5Pa；则
7)选择真空差分等级N和第n级差分比λn
选择N＝3(λ1＝0.01,λ2＝0.01,λ3＝0.1)；
8)选择第n级差分管流导Cn
λ1＝0.01，C1＝10L/s；
λ2＝0.01，C2＝10L/s；
λ3＝0.1，C3＝40L/s；
9)差分管内径dn(rbeam≤dn≤40mm)和长度Ln(0≤Ln≤150mm)选择
d1＝15mm,L1＝18mm；
d2＝15mm,L2＝18mm；
d3＝25mm,L3＝10mm。
基于上述中性化气体靶室及差分管参数，结合200MeV质子装置7MeV负氢束线实际情况，确定了一版7MeV负氢中性化系统构成，利用MathCAD进行模拟计算，各级差分效果与理论值预期符合，且配套真空泵抽速合理，采用普通商用真空泵即可满足，设计方案合理可行。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，确定负氢离子剥离总截面σt
根据下式计算负氢离子剥离总截面σt
其中，i表示靶室气体种类；E为氢离子能量；β(E)为对应氢离子的相对论速度；ε0为氢原子静止能量，ε0＝938.27MeV；Ψ(E)i为广义总截面，Ψ(E)i取值为：
其中，表示靶室气体为氢气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氦气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氮气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氧气对应的广义总截面；/>表示靶室气体为氩气对应的广义总截面；
S2，确定负氢离子剥离截面比率η01(i)
各靶室气体种类对应的负氢离子剥离截面比率η01(i)分别为：
η01(H2)＝0.295；η01(He)＝0.345；η01(N2)＝0.380；η01(O2)＝0.381；η01(Ar)＝0.413；
S3，计算中性化气体靶质量厚度χ
根据下式计算得到中性化气体靶质量厚度χ
S4，确定中性化气体靶单元的平均压强P0和平均长度L0
设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值，带入下式计算另一数值：
L0P0＝χRT/NA
其中，R为理想气体常数，T为气体温度，量纲为K，NA为阿佛加德罗常数；
S5，确定中性化气体靶内径D
气体靶内径D＝rbeam+2mm；其中，rbeam为束斑内径；
S6，根据步骤S4得到的中性化气体靶质量厚度χ、步骤S4确定的平均压强P0和平均长度L0、步骤S5确定的气体靶内径D，进行加工制作，即可得到相应的气体靶单元。
2.如权利要求1所述适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特征在于：步骤S4中，所述设定平均压强P0和平均长度L0中的任一数值具体为设定平均压强P0。
3.如权利要求2所述适用于负氢粒子束的中性化气体靶单元设计方法，其特征在于：所述平均压强P0的取值为0.1-10Pa。
4.适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设计中性化气体靶单元
采用权利要求1至3任一所述中性化气体靶单元设计方法，设计得到相应的气体靶单元，即一个内部气体为i，压强为P0，长度为L0，内径为D的空心圆柱体；
S2，确定中性化气体靶单元与束线真空压强间压差等级M
根据束线真空压强Pacc和中性化气体靶单元的平均压强P0得到压差等级M；
S3，确定真空差分等级N和第n级差分比λn
根据步骤S2得到的压差等级M，选择真空差分等级N，确定差分管数量，其中差分管数量与真空差分等级N相等；根据第n级差分管后级气压Pn与前级气压Pn-1相差的量级，确定第n级差分比λn；其中，n为差分管级数；
S4，确定第n级差分管流导Cn
根据第n级差分比λn确认第n级差分管流导Cn；
S5，确定差分管内径dn和差分管长度Ln
根据步骤S4得到的第n级差分管流导Cn，确定差分管内径dn和差分管长度Ln；
S6，根据步骤S1至步骤S5得到的各参数，进行加工制作，即可得到对应的中性化系统。
5.如权利要求4所述适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特征在于：步骤S2具体为，
根据下式计算得到压差等级M：
6.如权利要求4或5所述适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特征在于：步骤S3中，
所述根据步骤S2得到的压差等级M，选择真空差分等级N，具体为，
M＝2时，N＝1
M＝3时，N＝2
M＝4时，N＝2或N＝3
M＝5时，N＝2或N＝3或N＝4
M＝6时，N＝2或N＝3或N＝4或N＝5；
所述根据第n级差分管后级气压Pn与前级气压Pn-1相差的量级，确定第n级差分比λn具体为，
第n级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低1个量级时，λn＝0.1；
第n级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低2个量级时，λn＝0.01；
第n级差分管后级气压Pn较前级气压Pn-1低3个量级时，λn＝0.001。
7.如权利要求6所述适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特征在于：步骤S4具体为，
当λn＝0.1时，Cn＝40L/s；当λn＝0.01时，Cn＝10L/s；当λn＝0.001时，Cn＝1L/s。
8.如权利要求7所述适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特征在于：步骤S5中，所述差分管内径dn的取值范围为rbeam≤dn≤40mm；差分管长度Ln的取值范围为0≤Ln≤150mm。
9.如权利要求8所述适用于负氢粒子束的中性化系统设计方法，其特征在于：步骤S5具体为，
Cn＝1L/s时，dn＝6mm,Ln＝18mm
或dn＝8mm,Ln＝50mm
或dn＝10mm,Ln＝110mm
Cn＝10L/s时，dn＝15mm,Ln＝18mm
或dn＝20mm,Ln＝67mm
或dn＝25mm,Ln＝145mm
Cn＝40L/s时，dn＝25mm,Ln＝10mm
或dn＝32.5mm,Ln＝53mm
或dn＝40mm,Ln＝130mm。
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