CN108551717B - 一种回旋加速器中心区增强轴向聚焦的方法 - Google Patents

一种回旋加速器中心区增强轴向聚焦的方法 Download PDF

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    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/005—Cyclotrons

Abstract

本发明公开一种回旋加速器中心区增强轴向聚焦的方法，通过特殊的磁铁结构，在束流轨迹的5‑15圈构造出场强随半径略有降低的磁场，利用磁场的负梯度提供磁场轴向聚焦效应；通过改变束流轨迹1‑5圈范围内的DEE板和Dummy DEE轮廓，进而移动加速间隙的位置，改变束流进入每个加速间隙的相位，使束流在交变电场达到峰值时进入加速间隙，在交变电场的下降沿离开加速间隙，由此产生电场轴向聚焦效应；本发明原理简单，通过合理规划回旋加速器结构，使之能构造合适的电磁场分布，有效增强了等时性回旋加速器中心区的轴向聚焦。

Description

一种回旋加速器中心区增强轴向聚焦的方法
技术领域
本发明属于回旋加速器领域，具体涉及一种等时性回旋加速器中心区增强束流轴向聚焦的设计方法。
背景技术
在经典回旋加速器中，由于轴向聚焦的需要，磁场强度随半径增大而下降。同时随着粒子能量增长，由于相对论效应，粒子质量增加。而粒子的回旋周期与粒子质量成正比，与磁场强度成反比，最终的结果是粒子的回旋周期变长，回旋频率下降，粒子运动过程中加速相位会发生滑移，不能和加速电场保持谐振加速，限制粒子能量进一步提高。
等时性回旋加速器采用特殊的磁场结构，克服了经典回旋加速器中粒子相对论效应和轴向聚焦的矛盾，大大提高了粒子的能量。等时性回旋加速器采用从中心到边缘沿半径逐渐增强的磁场，使磁场强度随粒子能量同步增长，维持粒子回旋频率保持不变；同时采用扇形磁铁，扇形磁铁所产生的磁场沿方位角方向是一个按照峰-谷-峰交替的调变磁场，这样的调变磁场会为粒子提供额外的轴向聚焦力，补偿沿半径逐渐增强磁场的散焦效应；进一步地，人们提出将扇形磁铁设计为具有卷边螺旋扇的形状，磁场的螺旋角结构会进一步强化粒子的轴向聚焦。
然而，在等时性回旋加速器的中心区，由于结构紧凑，磁场的调变度和螺旋角都非常小，调变度和螺旋角带来的粒子的轴向聚焦效应很弱，粒子会因为无法得到足够的轴向聚焦而在中心区损失掉，因此提供一种等时性回旋加速器中心区的粒子轴向聚焦方法对回旋加速器的设计尤为重要。
发明内容
本发明针对等时性回旋加速器中心区的磁场调变度和螺旋角很小，无法提供足够的轴向聚焦力的困难，提供了一种等时性回旋加速器中心区增强轴向聚焦的设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种回旋加速器中心区增强轴向聚焦的方法，包括如下步骤：
步骤一：通过特殊的磁铁结构(例如中间开孔的圆柱形磁铁)，在束流轨迹5-15圈的范围内构造出磁场强度随半径略有降低(梯度约为50Gs/cm)的磁场；
步骤二：利用中心区结构(包括中心区本体的DEE板和Dummy DEE，以及步骤一中的特殊磁铁结构)进行束流模拟计算，得到束流1-5圈轨迹上通过每个加速间隙的相位信息；
步骤三：根据步骤二中得到的相位信息对1-5圈的DEE板和Dummy DEE轮廓进行修改，顺着或逆着束流轨迹移动DEE板和Dummy DEE轮廓，进而改变加速间隙的位置，使束流在交变电场达到峰值进入加速间隙，在交变电场的场强呈下降趋势时(即电场强度随时间减弱的时刻)离开加速间隙；
步骤四：重复步骤二、步骤三，对中心区DEE板和Dummy DEE轮廓进行优化，改变束流进入加速间隙的相位，经过若干轮迭代，直到达到预期的轴向聚焦效果。
在束流最初1-5圈轨迹的范围内，通过修改DEE板和Dummy DEE的轮廓来规划束流经过每个加速间隙的相位，使束流在每个加速间隙的轴向聚焦力大于轴向散焦力，进而获得轴向电场聚焦效应。
在束流5-15圈轨迹的范围内，通过特殊的磁铁结构(例如中间开孔的圆柱形磁铁)构造出磁场强度随半径略有减弱的磁场，利用磁场的负梯度提供轴向磁场聚焦。
本发明同时利用了电场聚焦效应和磁场聚焦效应，在束流能量较低的前1-5圈主要依靠电场提供聚焦，在束流能量较高的5-15圈主要依靠磁场提供聚焦。
所用的特殊磁铁其尺寸需要进行控制，使其所产生的强度随半径逐渐减弱的磁场只存在于束流轨迹第5-15圈的范围内，避免对15圈以外主加速区的等时场产生影响。
本发明的有益效果：本发明通过特殊的磁铁结构，在束流轨迹的5-15圈构造出场强随半径略有降低的磁场，利用磁场的负梯度提供磁场轴向聚焦效应；通过改变束流轨迹1-5圈范围内的DEE板和Dummy DEE轮廓，进而移动加速间隙的位置，改变束流进入每个加速间隙的相位，使束流在交变电场达到峰值时进入加速间隙，在交变电场的下降沿离开加速间隙，由此产生电场轴向聚焦效应；本发明原理简单，通过合理规划回旋加速器结构，使之能构造合适的电磁场分布，有效增强了等时性回旋加速器中心区的轴向聚焦。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是加速间隙的电场线分布示意图；
图2是电场随时间变化的示意图；
图3是随半径减弱的磁场的磁感线示意图；
图4是中心区三维结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是磁场强度随半径变化的示意图，在半径5-8cm处磁场强度随半径逐渐减弱；
图中标号：1-加速器中平面，2-DEE板，3-假DEE，4-电场线，5-粒子受到的径向电场力，6-粒子受到的轴向电场力，7-随时间变化的电场，8-磁极，9-磁感线，10-粒子受到的径向磁场力，11-粒子受到的轴向磁场力，12-加速间隙，13-磁场强度随半径减小的磁场。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所依据的理论基础如下：
如图1所示，为加速间隙的电场线分布图，由于中心区的DEE板2和假(Dummy)DEE 3是关于加速器中平面1对称的，因此其电场线4分布也是关于中平面对称的，在加速间隙的前半段，粒子受到的轴向电场力(电场的垂直分量)6指向中平面，起到聚焦的作用，在加速间隙的后半段，粒子受到的轴向电场力6背向中平面，起到散焦作用。粒子受到的径向电场力5平行于中平面。
如图2所示，电场强度是随时间交变的。随时间变化的电场7，如果粒子在时间t1-t2区间内通过加速间隙，由于在加速间隙前半段处在聚焦区间，后半段处在散焦区间，则粒子感受到的散焦电场将大于聚焦电场，总的效应是散焦的；如果粒子在时间t3-t4区间内通过加速间隙，则粒子在前半段感受到的聚焦电场将大于在后半段感受到的散焦电场，总的效应是聚焦的。
如图3所示，是随半径逐渐减弱磁场的磁感线分布图。图中磁极8为间隙随半径逐渐增大的上、下磁极(其作用为使得磁场强度随半径逐渐减弱),从左至右代表从加速器中心半径逐渐增大的方向。由于磁场强度沿半径逐渐减弱，根据静磁场的无旋性，磁感线9将会往外侧弯曲，从而该磁场的水平分量(粒子受到的径向磁场力10)在中平面的上半平面指向加速器中心，在中平面的下半平面背向加速器中心。对于一个带正电荷、垂直纸面往外运动的粒子，其感受到的垂直方向磁场力始终指向中平面，即粒子受到磁场聚焦作用。若磁场随半径逐渐增强，根据静磁场的无旋性，磁感线将会往外侧弯曲，则粒子感受到的垂直方向磁场力(粒子受到的轴向磁场力11)始终背离中平面，即粒子受到磁场散焦作用。
以一台引出能量为200MeV的超导质子回旋加速器为例说明本发明的主要步骤：
步骤一：设计特殊的磁铁结构，例如在圆柱形磁铁中心挖孔，在束流轨迹5-15圈对应的范围内半径5-8cm的范围构造出磁场强度随半径缓慢下降的磁场，如图6所示的磁场强度随半径减小的磁场13。
步骤二：参见图4-5，利用现有的中心区结构包括中心区本体的DEE板2、DummyDEE3和步骤一中经过特殊设计的磁铁进行束流模拟，得到束流进入每个加速间隙12的相位信息。
步骤三：根据步骤二中得到的相位信息，修改束流轨迹1-5圈对应的范围内半径1-5cm的范围DEE板2和Dummy DEE3的轮廓，顺着或逆着束流轨迹移动轮廓，使得束流提前或滞后进入每个加速间隙12，若束流进入加速间隙12的相位位于电场峰值之前，则顺着束流运动的方向移动DEE板2和Dummy DEE3轮廓；若束流进入加速间隙的相位位于电场峰值之后，则逆着束流运动的方向移动DEE板2和Dummy DEE3轮廓，最终的目的是使束流在交变电场达到峰值附近进入加速间隙，在交变电场的下降沿即场强随时间减弱的时刻离开加速间隙。如图5所示，虚线代表原始的DEE板和Dummy DEE轮廓，实线代表修改后的DEE板和Dummy DEE轮廓。
步骤四：重复步骤二，步骤三，修改中心区DEE板2和Dummy DEE3轮廓，进行束流模拟，计算束流通过加速间隙的相位，经过若干轮迭代，直到达到预期的轴向聚焦效果。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种回旋加速器中心区增强轴向聚焦的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：通过磁铁结构，在束流轨迹5-15圈的范围内构造出磁场强度随半径略有降低的磁场；
步骤二：利用中心区结构进行束流模拟计算，得到束流1-5圈轨迹上通过每个加速间隙的相位信息；
步骤三：根据步骤二中得到的相位信息对1-5圈的DEE板和Dummy DEE轮廓进行修改，顺着或逆着束流轨迹移动DEE板和Dummy DEE轮廓，进而改变加速间隙的位置，使束流在交变电场达到峰值进入加速间隙，在交变电场的场强呈下降趋势时离开加速间隙；
步骤四：重复步骤二、步骤三，对中心区DEE板和Dummy DEE轮廓进行优化，改变束流进入加速间隙的相位，经过若干轮迭代，直到达到预期的轴向聚焦效果；
在束流最初1-5圈轨迹的范围内，通过修改DEE板和Dummy DEE的轮廓来规划束流经过每个加速间隙的相位，使束流在每个加速间隙的轴向聚焦力大于轴向散焦力，进而获得轴向电场聚焦效应；
在束流5-15圈轨迹的范围内，通过磁铁结构构造出磁场强度随半径略有减弱的磁场，利用磁场的负梯度提供轴向磁场聚焦；所述磁铁结构为中间开孔的圆柱形磁铁；
在束流能量较低的前1-5圈依靠电场提供聚焦，在束流能量较高的5-15圈依靠磁场提供聚焦；
所述磁铁的尺寸控制在使其所产生的强度随半径逐渐减弱的磁场只存在于束流轨迹第5-15圈的范围内；
所述中心区结构包括中心区本体的DEE板和Dummy DEE，以及步骤一中的磁铁结构；
利用电场聚焦效应和磁场聚焦效应，在束流能量较低的前1-5圈依靠电场提供聚焦，在束流能量较高的5-15圈依靠磁场提供聚焦；
在束流轨迹的5-15圈构造出场强随半径略有降低的磁场，利用磁场的负梯度提供磁场轴向聚焦效应；通过改变束流轨迹1-5圈范围内的DEE板和Dummy DEE轮廓，进而移动加速间隙的位置，改变束流进入每个加速间隙的相位，使束流在交变电场达到峰值时进入加速间隙，在交变电场的下降沿离开加速间隙，由此产生电场轴向聚焦效应。
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