CN108282951B - 一种束流引出装置、参数获取方法及回旋加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种束流引出装置、参数获取方法及回旋加速器，装置包括：散射器和静电偏转板；散射器用于使得品质不好的束流发生散射并有效通过静电偏转板间隙，静电偏转板用于将散射后的束流引出；参数获取方法包括：建立两组模型，通过模拟计算，获取使得总的束流损失量最小时散射器沿束流方向的长度L及散射器与束流切割板前端的距离S的取值；回旋加速器的束流引出装置包括：散射器和静电偏转板；并且回旋加速器的束流引出装置中散射器沿束流方向的长度L及散射器与束流切割板前端的距离S的取值以设置为最优值。本发明可有效降低回旋加速器的束流引出损失，并使得束流引出损失的降低效果最大化。

Description

一种束流引出装置、参数获取方法及回旋加速器
技术领域
本发明属于加速器工程领域，更具体地，涉及一种束流引出装置、参数获取方法及回旋加速器。
背景技术
对于质子回旋加速器而言，最常见的引出束流的方式是利用静电偏转板引出。由于引出区域束流的圈间距极小，为实现内外圈束流的分离，要求静电偏转板中束流切割板与电极间的电场极高，一般在在100KV/cm左右，同时束流切割板的厚度极小，一般在0.5mm以下。在束流品质不好(如束流发射度较大)或引出角度不理想时，引出束流边缘的束晕极易撞击束流切割板，导致束流切割板面临很大过热风险而产生变形，降低束流引出效率。
目前，为提高束流引出效率，质子回旋加速器引出设计的重点均集中在静电偏转板的结构设计和对静电偏转板位置的控制上。通过束流动力学计算确定静电偏转板的结构尺寸，通过远程反馈控制调节偏转板的位置，以此来实现质子束流的高效引出。对偏转板的运动控制较为复杂，且对束流引出效率的提升有限，无法解决束流切割板被束流撞击致受热变形的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种束流引出装置、参数获取方法及回旋加速器，旨在解决现有回旋加速器中偏转板易受束流撞击而受热变形所导致的引出效率不高的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种束流引出装置，包括：散射器和静电偏转板；散射器与静电偏转板沿束流轨道设置，并且沿束流方向，散射器位于静电偏转板前端；散射器用于使得品质不好的束流边缘的束晕通过撞击散射器而发生散射，进而使得散射后的束流有效通过静电偏转板间隙；静电偏转板用于将散射后的束流引出。
进一步地，散射器为矩形的金属片状物。
根据库仑散射基本理论，质子穿过金属材料时，金属材料的原子序数越大，出射后的散射角越大，为保证束流充分散射，散射器需要使用原子序数较大的金属材料以获得较大的散射角；为避免受束流撞击时发热熔化或变形，散射器需要使用熔点较高的金属材料；同时考虑到材料获取的便易性，优选地，散射器材料为原子序数较大且熔点较高的金属钨。
进一步地，散射器的厚度与宽度均与束流切割板保持一致，以便于在加工时同时获取两块材料。
进一步地，散射器沿束流方向的长度L的取值，以及散射器与静电偏转板中束流切割板上游的距离S的取值，使得束流经过束流引出装置引出后，损失量低于束流只经过静电偏转板引出后的束流损失量。
针对不同的束流引出能量、不同的引出半径，通过合理设置束流引出装置中散射器沿束流方向的长度L以及散射器与束流切割板前端的距离S，实现降低束流引出损失的效果最大化。
结合本发明的第一方面，本发明还提供了一种束流引出装置的参数获取方法，具体包括如下步骤：
(1)获取静电偏转板引出区域入口处束流的初始参数，包括：束流发射度、束流能量以及束流引出角；
(2)分别建立参考模型和目标模型；所述参考模型包括：第一束流切割板以及参考束流；所述参考束流经所述第一束流切割板引出；所述目标模型包括：散射器、第二束流切割板以及目标束流；所述目标束流经所述散射器及所述第二束流切割板构成的束流引出装置引出；
(3)根据所述参考模型获取所述第一束流切割板上的束流损失量A1；
(4)在所述目标模型中，保持所述距离S＝S1不变，在0～ΔE-S1的范围内改变所述长度L的取值，并分别计算对应的散射器上的束流损失量B1和第二束流切割板上的束流损失量C1，并将满足B1+C1<A1的长度L的取值添加到长度候选集；其中，ΔE＝(E1-E)，E1为目标模型中的束流引出装置沿束流方向的最大长度，E为第二束流切割板沿束流方向的长度，S1为目标模型中距离S的初值，并且S1的取值范围为0～ΔE；
(5)若所述长度候选集中还存在未处理的元素，则转入步骤(6)；否则，转入步骤(7)；
(6)从所述长度候选集中，选取一个未处理的元素L2，设定所述长度L的取值为L2，并保持不变；在0～(ΔE-L)的范围内改变所述距离S的取值，并分别计算对应的所述散射器上的束流损失量B2和所述第二束流切割板上的束流损失量C2，若所述距离S的取值为S2时，满足B2+C2<A1，则将二元组(L2，S2)添加到参数候选集中；转入所述步骤(5)；
(7)参数获取过程结束；所述参数候选集中，每一个二元组对应的所述长度L以及所述距离S的取值，即为获取到的参数。
进一步地，参考模型与目标模型的背景磁场参数相同；参考束流与目标束流的束流属性相同，且均依据步骤(1)获取的初始参数设置；第一束流切割板与第二束流切割板的材料属性、厚度、宽度以及沿束流方向的长度相同，第二束流切割板沿束流方向的长度为E；参考模型中的束流引出装置沿束流方向的最大长度为E1；在0～ΔE的范围内，设定所述散射器与第二束流切割板前端的距离S的初值为S1，其中ΔE＝(E1-E)；在0～(ΔE-S1)的范围内设定散射器沿束流方向的长度L的初值为L1。
进一步地，步骤(1)中，静电偏转板引出区域入口处束流的初始参数通过束流动力学计算程序获取，常用的束流动力学计算程序包括：Cyclone以及Z3cyclone。
进一步地，步骤(2)中，参考模型及目标模型通过基于蒙特卡罗原理的束流分析软件建立，常用的束流分析软件包括：Geant4，FLUKA。
更进一步地，获取到的参数候选集的所有二元组中，所述散射器上的束流损失量与所述第二束流切割板上的束流损失量之和取值最小时所对应的二元组(L0，S0)即为最佳参数。
按照本发明的另外一个方面，还提供了一种包括本发明所提供的束流引出装置的回旋加速器，其束流引出装置中散射器和束流切割板固定于同一个扇形磁极面上，束流引出装置沿束流方向的最大长度即为扇形磁极面最外沿弧长。
进一步地，回旋加速器的束流引出装置中，散射器与扇形磁极面的固定方式包括：利用绝热树脂粘接，以及利用螺栓连接磁轭侧面及散射器侧面的方式固定；因散射器尺寸较小，为便于安装，优选地，散射器通过绝热树脂粘接的方式固定于扇形磁极面上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)束流引出装置中包括散射器，能够使得品质不好的束流边缘的束晕通过撞击散射器而发生库仑弹性散射，进而使得散射后的束流有效通过静电偏转板间隙，避免束流切割板因受束流撞击而受热变形，进而降低束流引出损失；
(2)获取束流损失最小时的长度L和距离S的值作参数对束流引出装置进行设置，可以最大程度地降低束流引出损失。
附图说明
图1为本发明实施例所述提供的回旋加速器示意图；
图2为本发明实施例提供的束流引出装置的参数示意图；
图3为本发明实施例提供的参数获取方法的流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
100为束流引出装置，101为散射器，102为静电偏转板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示为本发明实施例提供的回旋加速器示意图，包括：束流引出装置100；束流引出装置100通过绝热树脂粘接的方式固定于回旋加速器的扇形磁极面上。
如图1所示，本发明实施例提供的束流引出装置100包括：散射器101和静电偏转板102；散射器101和静电偏转板102沿束流轨道设置，且沿束流方向，散射器101位于静电偏转板102前端；散射器101为矩形的金属片状物，用于使得品质不好的束流边缘的束晕通过撞击散射器101而散射，进而使得散射后的束流有效通过静电偏转102板间隙；静电偏转板102用于将散射后的束流引出；散射器101沿束流方向的长度L的取值，以及散射器101与静电偏转板102中束流切割板上游的距离S的取值，使得束流经过束流引出装置引出后，束流损失量低于束流只经过静电偏转板102引出后的束流损失量。
根据库仑散射基本理论，质子穿过金属材料时，金属材料的原子序数越大，出射后的散射角越大，为保证束流充分散射，散射器101需要使用原子序数较大的金属材料以获得较大的散射角；为避免受束流撞击时发热熔化或变形，散射器101需要使用熔点较高的金属材料；同时考虑到材料获取的便易性，在本实施例中，散射器101材料为原子序数较大且熔点较高的金属钨。
散射器101的厚度与宽度均与束流切割板保持一致，以便于在加工时同时获取两块材料；在本实施例中，如图2所示，静电偏转板102中束流切割板的厚度为0.3mm，宽度为36mm，沿着束流的轨道呈弧形，半径R＝690mm，弧长E＝520mm；散射器101的厚度为0.3mm，宽度为36mm。
针对不同的束流引出能量、不同的引出半径，通过合理设置束流引出装置中散射器101沿束流方向的长度L以及散射器101与束流切割板前端的距离S，实现降低束流引出损失的效果最大化。
本发明实施例提供的束流引出装置的参数获取方法，如图3所示，具体包括如下步骤：
(1)获取静电偏转板引出区域入口处束流的初始参数，包括：束流发射度、束流能量以及束流引出角；
(2)分别建立参考模型和目标模型；所述参考模型包括：第一束流切割板以及参考束流；所述参考束流经所述第一束流切割板引出；所述目标模型包括：散射器、第二束流切割板以及目标束流；所述目标束流经所述散射器及所述第二束流切割板构成的束流引出装置引出；所述参考模型与所述目标模型的背景磁场参数相同；所述参考束流与所述目标束流的束流属性相同，且均依据步骤(1)获取的初始参数设置；所述第一束流切割板与所述第二束流切割板的材料属性、厚度、宽度以及沿束流方向的长度相同，所述第二束流切割板沿束流方向的长度为E；所述目标模型中的束流引出装置沿束流方向的最大长度为E1；在0～ΔE的范围内，设定所述散射器与所述第二束流切割板前端的距离S的初值为S1，其中ΔE＝(E1-E)；在0～(ΔE-S1)的范围内设定所述散射器沿束流方向的长度L的初值为L1；
(3)获取所述第一束流切割板上的束流损失量A1；
(4)保持所述距离S＝S1不变，在0～(ΔE-S1)的范围内改变所述长度L的取值，并分别计算对应的所述散射器上的束流损失量B1和所述第二束流切割板上的束流损失量C1，并将满足B1+C1<A1的所述长度L的取值添加到长度候选集；
(5)若所述长度候选集中，还存在未处理的元素，则转入步骤(6)；否则，转入步骤(7)；
(6)从所述长度候选集中，选取一个未处理的元素L2，设定所述长度L的取值为L2，并保持不变；在0～(ΔE-L)的范围内改变所述距离S的取值，并分别计算对应的所述散射器上的束流损失量B2和所述第二束流切割板上的束流损失量C2，若所述距离S的取值为S2时，满足B2+C2<A1，则将二元组(L2，S2)添加到参数候选集中；转入所述步骤(5)；
(7)参数获取过程结束；所述参数候选集中，每一个二元组对应的所述长度L以及所述距离S的取值，即为获取到的参数。
在本实施例中，步骤(1)中，静电偏转板引出区域入口处束流的初始参数通过束流动力学计算程序获取；步骤(2)中，参考模型及目标模型通过基于蒙特卡罗原理的束流分析软件建立；步骤(2)中，距离S的初值S1及长度L的初值L1的设置方法具体为：任取大于1的整数N1，设置S1＝ΔE/N1；任取大于0的整数N2，设置L1＝(ΔE-S1)/N2；步骤(4)中，长度L取值的改变方式具体为：在0～(ΔE-S1)的范围内依次以固定的步长ΔL增加；其中，ΔL＝L1；步骤(6)中，距离S取值的改变方式具体为：在0～(ΔE-L)的范围内依次以固定的步长ΔS增加；其中，ΔS＝S1；N1、N2的取值根据计算的复杂程度要求设定。
获取到的参数候选集的所有二元组中，所述散射器上的束流损失量与所述第二束流切割板上的束流损失量之和取值最小时所对应的二元组(L0，S0)即为最佳参数。
图1所示的回旋加速器中，其束流引出装置中的参数根据本发明所提供的参数获取方法设置为最佳设置参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种束流引出装置，其特征在于，包括：散射器和静电偏转板；所述散射器与所述静电偏转板沿束流轨道设置，并且沿束流方向，所述散射器位于所述静电偏转板前端；所述散射器用于使得品质不好的束流边缘的束晕通过撞击所述散射器而发生库仑弹性散射，进而使得散射后的束流有效通过所述静电偏转板间隙；所述静电偏转板用于将散射后的束流引出；
所述散射器沿束流方向的长度L的取值，以及所述散射器与所述静电偏转板中束流切割板上游的距离S的取值，使得束流经过所述束流引出装置引出后，束流损失量低于束流只经过所述静电偏转板引出后的束流损失量；
所述散射器为矩形的金属片状物。
2.如权利要求1所述的束流引出装置，其特征在于，所述散射器的材料为金属钨，并且所述散射器与所述束流切割板的厚度和宽度一致。
3.一种基于权利要求1所述的束流引出装置的参数获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取静电偏转板引出区域入口处束流的初始参数，包括：束流发射度、束流能量以及束流引出角；
(2)分别建立参考模型和目标模型；所述参考模型包括：第一束流切割板以及参考束流；所述参考束流经所述第一束流切割板引出；所述目标模型包括：散射器、第二束流切割板以及目标束流；所述目标束流经所述散射器及所述第二束流切割板构成的束流引出装置引出；
(3)根据所述参考模型获取所述第一束流切割板上的束流损失量A1；
(4)在所述目标模型中，保持所述距离S＝S1不变，在0～(ΔE-S1)的范围内改变所述长度L的取值，并分别计算对应的所述散射器上的束流损失量B1和所述第二束流切割板上的束流损失量C1，并将满足B1+C1<A1的所述长度L的取值添加到长度候选集；
(5)若所述长度候选集中还存在未处理的元素，则转入步骤(6)；否则，转入步骤(7)；
(6)从所述长度候选集中，选取一个未处理的元素L2，设定所述长度L的取值为L2，并保持不变；在0～(ΔE-L)的范围内改变所述距离S的取值，并分别计算对应的所述散射器上的束流损失量B2和所述第二束流切割板上的束流损失量C2，若所述距离S的取值为S2时，满足B2+C2<A1，则将二元组(L2，S2)添加到参数候选集中；转入所述步骤(5)；
(7)参数获取过程结束；所述参数候选集中，每一个二元组对应的所述长度L以及所述距离S的取值，即为获取到的参数；
其中ΔE＝E1-E，所述第二束流切割板沿束流方向的长度为E，所述目标模型中的束流引出装置沿束流方向的最大长度为E1。
4.如权利要求3所述的参数获取方法，其特征在于，所述参考模型与所述目标模型的背景磁场参数相同；所述参考束流与所述目标束流的束流属性相同，且均依据所述步骤(1)获取的初始参数设置；所述第一束流切割板与所述第二束流切割板的材料属性、厚度、宽度以及沿束流方向的长度相同；在0～(ΔE)的范围内，设定所述散射器与所述第二束流切割板前端的距离S的初值为S1；在0～(ΔE-S1)的范围内设定所述散射器沿束流方向的长度L的初值为L1。
5.如权利要求3或4所述的参数获取方法，其特征在于，所述参数候选集的所有二元组中，所述散射器上的束流损失量与所述第二束流切割板上的束流损失量之和取值最小时所对应的二元组(L0，S0)即为最佳参数。
6.一种包括权利要求1所述的束流引出装置的回旋加速器，其特征在于，其束流引出装置中散射器与静电偏转板固定于同一扇形磁极面上，所述束流引出装置沿束流方向的最大长度为所述扇形磁极面的最外沿弧长。
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