CN108684132A - 同步回旋加速器及其强磁场和高频频率调制曲线匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步回旋加速器及其强磁场和高频频率调制曲线匹配方法，属于粒子回旋加速领域，其解决了平头磁极的磁场分布与高频频率调制曲线不匹配的问题，方案主要包括主磁体，主磁体的两个磁极相对的磁极面为曲面，两个磁极中心对称设置。本发明基于强磁场垫补对理想频率曲线的微调和旋转电容对高频频率曲线的大范围调制，反复迭代实现两者的最佳匹配，从而保证加速过程中纵向相空间接受度的稳定，实现加速器中束流损失最小化和较低的活化水平。

Description

同步回旋加速器及其强磁场和高频频率调制曲线匹配方法

技术领域

本发明属于同步回旋加速器领域，具体涉及一种同步回旋加速器及其强磁场与高频频率的匹配方法。

背景技术

同步回旋加速器又称调频回旋加速器或稳相加速器，是为克服回旋加速器极限能量的限制而发展起来的加速器。为适应相对论的影响，同步回旋加速器在粒子加速过程中，回旋频率不断减小，要求高频腔体的谐振频率也随时间减小，以保证粒子在合适的相位上不断加速。在束流引出后，腔体频率快速回调到初始加速频率，继续下一束团的加速。以往的同步回旋加速器体积大、调制频率低、流强小，无法满足科研、医学等应需求，限制了同步回旋加速器的推广应用。

结合现代超导技术，强磁场高储能密度的磁铁结构，可有效提高圈平均磁场到3T以上，从而大大减小同步回旋加速器的尺寸。与常温同步回旋加速器不同，强磁场的同步回旋加速器在小尺寸内的磁场变化较大，粒子在加速器中的回旋频率快速变化，对高频频率调制曲线的匹配提出较高的要求，表现在：(1)高频频率的调制曲线复杂，为非线性结构；(2)调制频率较快，腔体频率变化迅速；(3)非线性高调制频率对强磁场的分布反过来也提出更高的要求。以上几点是现有的平头磁极同步回旋加速器难以达到的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有曲面磁极的同步回旋加速器以及基于该同步回旋加速器实现的强磁场和高频频率调制曲线匹配方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种同步回旋加速器，包括主磁体，主磁体的两个磁极相对的磁极面为曲面，两个磁极中心对称设置。

在该技术方案中，通过曲面设置改变两磁极面不同区域之间的间距，从而改变磁极面间不同半径位置处的磁场分布。

优选地，在两个磁极间隙的中间平面插入Dee板，Dee板后端设置旋转电容；所述旋转电容包括定子和转子，Dee板后端与定子连接，转子与电机输出轴连接；定子、转子和DEE板均密封设置在与主磁体相同的密封腔体内，转子与密封腔体之间的配合间隙采用磁流体密封件密封。

在该优选地技术方案中，通过改变旋转电容的叶片数以及转速可以调节电容大小，进而改变高频频率调制曲线。

优选地，所述磁场强度为3T-6T。

在该优选地技术方案中，通过相对的磁极面的曲面间距的变化，获得磁极面间不同强度的磁场来适应高调制频率。

一种同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，

S1，计算磁场分布B；

S2，根据加速过程相空间接受度不变的要求，得到对应当前磁场分布的理想高频频率曲线f：

S3，通过调整旋转电容的叶片数N和/或旋转速度，得到与曲线f拟合度最好的高频频率曲线F；

S4，将步骤S2中的理想高频频率曲线与F相减获得Δf；

S5，将Δf和f代入公式Max|Δf/f|中，得到比值结果是否小于10^-4；

S6，比值结果小于10^-4，则匹配结束；比值结果大于等于10^-4，则根据比值结果改变磁极面使磁场分布发生改变，重复步骤S1至步骤S4的过程，直至磁场调整量ΔB满足ΔB/B＝Δf/f，匹配结束。

在本技术方案中，通过反复的调节磁极面的磁场分布以及电容的叶片数N和旋转速度，最终使高频频率调制曲线和理想高频频率曲线之间的匹配精度优于10^-4。

优选地，粒子在加速过程中围绕同步粒子进行运动，使得处于加速器的E-φ纵向相空间接受度椭圆内，纵向相空间可用哈密顿量表示为：

其中，ΔE为E与同步粒子E_s的能量差，分别为粒子和同步粒子的加速相位，κ为加速器电磁场和同步粒子相关的参数。

在该优选地技术方案中，通过哈密顿公式最终推导计算出当前磁极面间不同磁场强度分别对应的理想频率调制曲线。

优选地，公式(1)中的参数κ可用下列公式表示：

其中，q为粒子带电荷量，Γ为时间常数，h、V_d分别为高频谐波数和峰值电压，E_s、ω_s为同步粒子的能量和回旋频率。

在该优选的技术方案中，通过公式(2)获得参数κ。

优选地，公式(2)中的时间常数Γ可用下列公式表示：

其中，n、β_s分别为场指数和同步粒子动量常数；

在该优选的技术方案中，通过公式(3)获得时间常数Γ。

优选地，结合公式(1)-公式(3)推导出加速过程中的纵向相空间面积为：

其中，A为磁场的磁矢势；

理想高频频率曲线f最终由下列公式获得：

物理上要求的纵向相空间最佳匹配为加速过程中纵向相空间接收度S不变，数学上可推导出同步粒子的加速相位随能量或时间的变化曲线，即获得相应强磁场分布要求的理想频率调制曲线。

在该优选的技术方案中，通过公式(1)-公式(4)中推导获得的参数最终获得理想高频频率曲线f。

优选地，旋转电容转子(7)转速V和旋转电容一个圆周内均布数量N之间的对应关系为F＝V·N/60，其中4≤N≤10，根据此对应关系获得与曲线f拟合度最好的高频频率曲线F。

在该优选地技术方案中，通过调整旋转电容的叶片数和/或旋转速度获得与理想频率调制曲线拟合度最好的高频频率调制曲线。

优选地，任一半径位置r处需要调节的磁场量ΔB通过下列公式获得：

其中，B为该半径位置的磁场；根据ΔB的磁场强度，采用有限元模拟和磁场垫补算法转化为磁极面(2)需要的垫补量。

在该优选地技术方案中，通过该公式中各物理量间的对应关系结合有限元模拟和磁场垫补算法对磁极面的曲面结构进行涉及和后续的调整。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明同步回旋加速器采用稳相原理进行加速，粒子在强磁场下做回旋运动的频率随时间快速变化。加速器磁铁系统采用中心轴对称结构，磁极面为曲面形态，垫补磁极面可改变强磁场的分布，从而实现对理想频率曲线的调整；高频系统采用旋转电容进行频率调制，通过调整旋转电容的叶片结构、叶片数和旋转速度，可以得到与理想频率调制曲线按拟合度较好的频率曲线。本发明基于强磁场垫补对理想频率曲线的微调和旋转电容对高频频率曲线的大范围调制，反复迭代实现两者的最佳匹配，从而保证加速过程中纵向相空间接受度的稳定，实现加速器中束流损失最小化和较低的活化水平。

附图说明

图1为本发明同步回旋加速器的结构示意图；

图2为本发明同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线匹配方法的流程示意图；

图3为本发明同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线匹配方法中同步回旋加速器中心区出口处的纵向相空间图。

附图标记：1-磁极；2-磁极面；3-Dee板；4-磁流体密封件；5-电机；6-定子；7-转子。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

以某医用超导同步回旋加速器为例，介绍同步回旋加速器强磁场条件下高频调制频率同步匹配技术的实施过程。

如图1所示，该超导同步回旋加速器引出质子束能量为230MeV，主磁铁磁极1采用变气隙的圆周型磁铁，磁极面2为曲线结构，两个磁极1中心对称设置。在两个磁极1间隙的中间平面插入Dee板3，Dee板3后端设置旋转电容；所述旋转电容包括定子6和转子7，Dee板3后端与定子6连接，转子7与电机5输出轴连接；定子6、转子7和Dee板3均密封设置在与主磁体相同的密封腔体内，转子7与密封腔体之间的配合间隙采用磁流体密封件4密封。磁铁材料为国产DT4纯铁；利用超导线圈在磁铁中心平面产生约5T的磁场；加速腔全部放置于磁极1间的间隙处，采用变电容的方式获得85～60MHz的频率，电压峰值约为12.5kV；采用内部离子源结构，产生2mA的质子，通过中心区的电场和主磁场约束粒子前几圈的轨迹；采用再生器实现共振引出，引出平均流强为100nA。

根据中心区设计结果确定中心区出口处的E-φ纵向相空间如图2所示，为保证在加速过程中粒子不丢失，要求加速过程中的相空间接受度，即相空间接受椭圆面积不变(相空间接受度由哈密顿量表示)，由此确定加速过程中同步粒子的相位。以加速相位作为约束条件，通过束流动力学跟踪计算得到磁场要求的理想高频频率曲线。

其中，采用变电容的方式实现频率调制，调制频率F为1kHz，旋转电容转子7转速V为7500转/分钟，旋转电容一个圆周内均布数量N为8片，三者之间的对应关系应满足F＝V·N/60，且旋转电容一个圆周内均布数量N满足4≤N≤10。

旋转电容定子6和转子7均为可拆卸式的叶片状结构，通过设定旋转电容转子7转速V和旋转电容在一个圆周内均布数量N，以实现强磁场条件下特定的高调制频率F。

比较高频频率曲线和理想频率曲线，根据公式ΔB/B＝Δf/f求得需要改变的磁场量，修改磁极1形状，反复进行磁场分布和旋转电容参数的调节，经过2次迭代后，理想频率曲线和旋转电容调节得到的频率曲线一致，误差小于10^-4。

本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本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。

Claims (10)

1.一种同步回旋加速器，其特征在于，包括主磁体，主磁体的两个磁极(1)相对的磁极面(2)为曲面，两个磁极(1)中心对称设置。

2.根据权利要求1所述的同步回旋加速器，其特征在于，在两个磁极(1)间隙的中间平面插入Dee板(3)，Dee板(3)后端设置旋转电容；所述旋转电容包括定子(6)和转子(7)，Dee板(3)后端与定子(6)连接，转子(7)与电机(5)输出轴连接；定子(6)、转子(7)和Dee板(3)均密封设置在与主磁体相同的密封腔体内，转子(7)与密封腔体之间的配合间隙采用磁流体密封件(4)密封。

3.根据权利要求1或2所述的同步回旋加速器，其特征在于，所述磁场强度为3T-6T。

4.一种同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，计算磁场分布B；

S2，根据加速过程相空间接受度不变的要求，得到对应当前磁场分布的理想高频频率曲线f：

S3，通过调整旋转电容的叶片数N和/或旋转速度，得到与曲线f拟合度最好的高频频率曲线F；

S4，将步骤S2中的理想高频频率曲线与F相减获得Δf；

S5，将Δf和f代入公式Max|Δf/f|中，得到比值结果是否小于10^-4；

S6，比值结果小于10^-4，则匹配结束；比值结果大于等于10^-4，则根据比值结果改变磁极面(2)使磁场分布发生改变，重复步骤S1至步骤S4的过程，直至磁场调整量ΔB满足ΔB/B＝Δf/f，匹配结束。

5.根据权利要求4所述的同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，其特征在于，粒子在加速过程中围绕同步粒子进行运动，使得处于加速器的E-φ纵向相空间接受度椭圆内，纵向相空间可用哈密顿量表示为：

其中，ΔE为E与同步粒子E_s的能量差，分别为粒子和同步粒子的加速相位，κ为加速器电磁场和同步粒子相关的参数。

6.根据权利要求5所述的同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，其特征在于，公式(1)中的参数κ可用下列公式表示：

其中，q为粒子带电荷量，Γ为时间常数，h、V_d分别为高频谐波数和峰值电压，E_s、ω_s为同步粒子的能量和回旋频率。

7.根据权利要求6所述的同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，其特征在于，公式(2)中的时间常数Γ可用下列公式表示：

其中，n、β_s分别为场指数和同步粒子动量常数。

8.根据权利要求7所述的同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，其特征在于，结合公式(1)-公式(3)推导出加速过程中的纵向相空间面积为：

其中，A为磁场的磁矢势；

理想高频频率曲线f最终由下列公式获得：

物理上要求的纵向相空间最佳匹配为加速过程中纵向相空间接收度S不变，数学上可推导出同步粒子的加速相位随能量或时间的变化曲线，即获得相应强磁场分布要求的理想频率调制曲线。

9.根据权利要求5所述的同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，其特征在于，旋转电容转子(7)转速V和旋转电容一个圆周内均布数量N之间的对应关系为F＝V·N/60，其中4≤N≤10，根据此对应关系获得与曲线f拟合度最好的高频频率曲线F。

10.根据权利要求6所述的同步回旋加速器强磁场和高频频率调制曲线的匹配方法，其特征在于，任一半径位置r处需要调节的磁场量△B通过下列公式获得：

其中，B为该半径位置的磁场；根据△B的磁场强度，采用有限元模拟和磁场垫补算法转化为磁极面(2)需要的垫补量。