CN109362172A - 一种高能、强流交变梯度回旋加速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能、强流交变梯度回旋加速器，包括强偏转磁场的注入和引出系统、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节，实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构，大功率高稳定度高频加速系统;所述大功率高稳定度高频加速系统腔体布置在各个长漂移节内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统将束流引出；通过引入周期性高梯度扭摆磁铁，使束流可以稳定的加速到1GeV以上，突破了传统回旋加速器的引出束流能量限制。

Description

一种高能、强流交变梯度回旋加速器

技术领域

本发明属于加速器技术领域，尤其涉及一种高能、强流交变梯度回旋加速器。

背景技术

在高功率(功率是通过流强与能量的乘积表示的)质子加速器中，回旋加速器方案、直线加速器与快循环同步加速器的组合方案是国际上广泛认可的两个方案。比如瑞士保罗谢尔研究所的590MeV回旋加速器(功率1.3MeV，回旋加速器方案)，我国的中国散裂中子源(束流能量1.6GeV，功率0.1MW，直线加速器与快循环同步加速器的组合方案)，美国的散裂中子源(束流能量1.0GeV，功率1.4MW，直线加速器与快循环同步加速器的组合方案)。

回旋加速器方案的优点是流强大、连续束、造价低，缺点是当束流在能量较高时由于磁场非线性效应而导致束流最高引出能量普遍在1GeV以下，从而限制了回旋加速器功率的进一步提高。

直线加速器与快循环同步加速器的组合方案的优点是可以极大地提高束流的引出能量,可达GeV量级。缺点是平均流强较小、脉冲束、造价昂贵、工程难度大。此方案因为平均流强较小从而限制了束流功率的提高。

从两个方案的优缺点分析可以看出，未来高功率质子加速器的发展方向是结合回旋加速器方案、直线加速器与快循环同步加速器的组合方案两者的优点，进行可以产生束流能量高(高能)、束流强度大(强流)的加速器研究。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种高能、强流交变梯度回旋加速器，目的是解决现有技术加速器束流能量相对低、束流强度相对小的问题。

本发明为解决其技术问题采取以下技术方案：

一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特点是：包括强流回旋加速器注入引出结构、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节、实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构，大功率高稳定度高频加速系统；所述大功率高稳定度高频加速系统腔体布置在各个长漂移节内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统将束流引出；所述磁铁组件即为周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件。

所述多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件沿着加速器圆周方向间隔布设，每个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件包括两个正向偏转径向聚焦磁铁和一个反向偏转轴向聚焦磁铁、且反向偏转轴向聚焦磁铁位于两个正向偏转径向聚焦磁铁的中间；所述正向偏转径向聚焦磁铁、正向偏转轴向聚焦磁铁为沿着垂直方向布设的磁极方向相反的磁铁。

所述多个长漂移节的每个长漂移节的周向长度包括1米及1米以上、分别位于沿加速器圆周方向布设的相邻周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件之间的无磁场空间中、所述每个长漂移节用于在长漂移节内沿加速器圆周方向布设2个及2个以上的高频加速腔体。

所述大范围变轨道磁铁结构，包括磁极结构、磁气隙结构、励磁线圈；所述磁极结构为开口朝向加速器圆心且磁极竖直方向布设的蹄形结构，且蹄形结构上下两条边为螺旋线，所述蹄形磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度；所述变轨道是指随着束流的能量的不断加大、束流所运行的轨道半径也不断加大，轨道半径的变化称之为变轨道。

所述磁气隙结构包括蹄型磁极结构上下两个磁极之间的空间高度，所述的变高度磁气隙结构即是随着加速器半径的加长，该蹄型磁极结构的上下两条边之间的距离或磁气息结构的空间高度缩短；所述励磁线圈为异型大尺寸高温超导励磁线圈，所述励磁线圈分别缠绕在蹄型磁极上下两个相对面的各自边线周围并进行励磁，从而在所述随半径而变化的变高度磁气隙结构中产生所设计的磁场。

所述大功率高稳定度高频加速系统，由分别布设在沿加速器圆周方向相邻磁铁组件之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体、以及分别与每个高频腔体一一配套的低电平高频控制器和功率放大传输系统组成，所述功率放大传输系统包括高频机，传输线，耦合窗，所述低电平高频控制器负责产生合适大小的低电平高频信号，并用产生的低电平高频信号去驱动所述高频机；所述高频机负责把低功率的高频信号放大为高功率高频电磁波，再通过传输线将其输运到耦合窗；所述耦合窗负责把高频功率从放大系统耦合到高频腔；其特征在于：所述耦合窗为动态可调耦合窗，所述高频腔为跑道型腔体结构；所述低电平高频控制器的高频信号包括三个可调参数：幅度，相位，频率，其中高频信号频率为固定频率，高频信号控制包括高频信号实时幅度控制、高频信号实时相位控制。

所述布设在相邻磁铁之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体的摆放位置相互成一定角度、用于满足高圈能量增益的要求。

所述引出结构以加速器外圈为起点并与加速器外圈成一定角度向背离加速器圆心的方向引出束流，该引出结构路径上布设有静电偏转板、四级聚焦透镜、偏转磁铁，其特征在于：该引出结构布设在加速器外圈相邻两组周期性产生扭摆轨道的磁铁组件之间的长漂移节中，并且该引出路径中还布设有切割磁铁。

本发明的优点效果

1、本发明解决了传统回旋加速器引出束流能量低于1GeV普遍问题。通过引入周期性高梯度扭摆磁铁、采用径向变梯度螺旋形磁极，产生交变聚焦力，提高了束流在轴向与径向的聚焦强度、有效避免了束流在加速器径向和轴向的发散，使束流可以稳定的加速到1GeV以上，突破了传统回旋加速器的引出束流能量限制。

2、本发明解决了高能量束流流强较小的问题。本发明通过采用高频加速腔、低电平高频控制器、功率放大传输系统，实现了高频加速系统的大功率和高稳定度，并且通过采用径向变梯度螺旋形磁极，使得磁场B随加速器半径的增长而增强，从而解决了加速器内圈和外圈由于轨道周长的差异、束流在内圈和外圈运行时间不等的问题，本发明采用大功率高稳定度的加速系统和径向变梯度螺旋形磁极，实现了等时性设计，从而实现了束流强度大(强流)的设计目标。

3、本发明给出一种强流圆型加速器引出的结构与方法：强偏转力的束流引出系统是提高加速器束流引出功率的关键技术之一。本发明提出的基于长漂移节的大范围变轨道磁铁结构为引出系统留出了充足的布局空间，由于引出系统的偏转磁铁足够大，使得束流在转弯时受到强偏转磁铁作用，有效地增加了转弯轨道半径；同时，本发明的大功率高稳定度高频加速系统提供了大的束流单圈能量增益，从而产生加速器外圈和次外圈之间大的圈间距，当束流达到目标功率需要从加速器外圈被引出时，能够将加速器外圈和次外圈的不同功率的束流进行有效分离，从而保证了高功率束流的高效引出。

4、本发明克服了本领域长期以来采用单一种类加速器(或者采用回旋加速器方案，或者采用直线加速器与快循环同步加速器组合方案)的偏见，结合了回旋加速器方案与直线加速器与快循环同步加速器组合方案两者的优点，通过采用周期性扭摆磁铁，提高了束流在加速器径向和轴向聚焦力，将弱聚焦的回旋加速器改进为强聚焦的回旋加速器，从而解决了传统回旋加速器聚焦力不足而导致束流最高引出能量低的问题；通过采用大功率高稳定度的加速系统和径向变梯度螺旋形磁极，实现了等时性设计，达到了束流强度大(强流)的设计目标，从而解决了传统直线加速器与快循环同步加速器组合方案流强较小、脉冲束、造价昂贵、工程难度大的问题。

附图说明

图1为本发明回旋加速器俯视图；

图2a为本发明大范围变轨道磁极结构侧视图之一；

图2b为本发明大范围变轨道磁极结构测试图之二；

图3为本发明大范围变轨道磁极结构立体图；

图中，1：周期性扭摆磁铁；1-1：正向偏转径向聚焦磁铁；1-1-1：磁极结构；1-1-2：励磁线圈；1-1-3：磁气隙结构；1-1-4：异型大尺寸高温超导线圈骨架；1-1-5：氦气冷却管；1-1-6：包箍；1-1-7：异型大尺寸高温超导线圈支撑结构；1-1-8：300K外真空室；

1-2：反向偏转轴向聚焦磁铁；1-2-1：磁极结构；1-2-2：励磁线圈；1-2-3：磁气隙结构；

2：大功率高稳定度高频加速系统；3：长漂移节；4：注入系统；4-1注入系统的偏转磁铁；4-2注入系统的四极聚焦磁铁；4-3注入系统的静电偏转板；5：引出系统；5-1引出系统的静电偏转板；5-2引出系统的切割磁铁；5-3引出系统的四级聚焦磁铁；5-4：引出系统的偏转磁铁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

发明原理

1、本发明为一种高能、强流回旋加速器。高功率质子束在核物理数据测量、质子CT、核废料处理等方面有重要用途。质子束流的功率(MW)为束流能量(GeV)和流强(mA)的乘积。加速器需要同时具备高束流能量与大流强两个条件才能得到高功率的质子束，因此，本发明核心问题既是如何实现质子束的高能量(GeV)和如何实现质子束的流强(mA)。

2、实现等时性磁场原理。等时性磁场是指质子束在加速器内圈和加速器外圈运行时长是相等的。等时性是回旋加速器达到连续束的必要因素之一。所述连续束既是束流被引出时是连续的，束流被连续引出的前提条件是质子束在外圈和内圈回转一周的时长是等时的，如果不等时，则其被引出时就会因为存在时差时而不会被连续引出。等时性设计的条件分析如下：回旋加速器中回旋频率为f＝qB/2πm，随着带电粒子能量的提高，其质量m也不断增大，所以等时性设计的条件是磁场B需要随半径的增长而增强，才可以使得回旋频率f保持不变。本发明采用变梯度磁极结构和高频加速系统实现了等时性磁场：由于加速器磁铁结构沿着半径加长其磁气息结构的高度或上下两个磁极的距离缩短，距离越短则磁场越强，磁场越强则质子束的运行速度越快，由此形成沿着半径加长的方向，虽然轨道周长越来越长，但由于质子束的运行速度也越来越快，形成从内圈到外圈的质子束运行时间是等长的。

3、交变梯度聚焦原理。交变梯度聚焦就是把加速器每条轨道附近的上下左右的质子束都聚龙到轨道上来，聚拢轨道左右两侧的质子束称其为径向聚焦，聚拢轨道上下两端的质子束称其为轴向聚焦。径向聚焦是通过正向偏转径向聚焦磁铁实现的，轴向聚焦是通过反向偏转轴向聚焦磁铁实现的，正向偏转径向聚焦磁铁、反向偏转轴向聚焦磁铁都是通过改变磁铁气隙高度，使磁场梯度随着半径而变化。聚焦磁铁场强曲线的梯度为正，可以在径向产生聚焦力，聚焦磁铁场强曲线的梯度为负，可以在轴向产生聚焦力。梯度为正：假设靠近加速器内圈的磁场强度为1特斯拉，靠近加速器外圈的磁场强度为2特斯拉，外圈和内圈的距离为1米，正向梯度为(2-1)/1＝1；梯度为负：由于反向偏转散焦磁铁磁极相反，磁场强度为负，假如靠近加速器内圈的磁场强度为-1特斯拉，靠近加速器外圈的磁场强度为-2特斯拉，外圈和内圈的距离为1米，反向梯度为(-2+1)/1＝-1。

4、加速器轨道形状为扭摆曲线形状的原理：如图1所示，每一组周期性扭摆磁铁包括标记为1-1的两个正向偏转径向聚焦磁铁和它们中间的一个标记为1-2反向偏转轴向聚焦磁铁，从图中看出一个规律，凡是标记为1-1的磁铁在它的顺时针方向或逆时针的方向的曲线都是偏向加速器圆心的方向，凡是标记为1-2的磁铁在它的顺时针方向或逆时针的方向的曲线都是背离加速器圆心的方向，其原因就是标记为1-1的磁铁和标记为1-2的磁铁磁极相反，所以质子束的运行轨道的曲线弧度是反方向的，曲线弧度反方向的原理既是：一个是顺时针运行的曲线弧度，一个是逆时针运行的曲线弧度，由于正向偏转径向聚焦磁铁1-1、反向偏转轴向聚焦磁铁1-2交错排布，所以在它们各自曲线的结合处就形成的扭摆形曲线。

5、磁铁螺旋角聚焦原理。磁铁的边缘角可以产生聚焦和散焦效果。螺旋角磁铁起到了加大磁铁边缘角的作用，从而加强了边缘角聚焦。螺旋角聚焦可以辅助交变聚焦来得到更好的设计结果。

6、产生大的圈间距原理。不同能量的束流有不同的平衡轨道，每一圈束流得到的能量增益越大，越有利于圈间距的提高。大功率高稳定度高频加速系统为束流提供了足够的能量增益，保证了大的圈间距。

基于以上原理，本发明设计一种高能、强流交替梯度回旋加速器。

一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：包括强偏转磁场的注入系统4和引出系统5、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件1、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节3，实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构1-1或1-2，大功率高稳定度高频加速系统2；所述大功率高稳定度高频加速系统腔体2-1布置在各个长漂移节3内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件1组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统4注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统5将束流引出；所述磁铁组件即为周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件。

所述多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件1沿着加速器圆周方向间隔布设，每个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件1包括两个正向偏转径向聚焦磁铁1-1和一个反向偏转轴向聚焦磁铁1-2、且反向偏转轴向聚焦磁铁1-2位于两个正向偏转径向聚焦磁铁1-1的中间；所述正向偏转径向聚焦磁铁1-1、正向偏转轴向聚焦磁铁1-2为沿着垂直方向布设的磁极方向相反的磁铁。

所述多个长漂移节的每个长漂移节3的周向长度包括1米及1米以上、分别位于沿加速器圆周方向布设的每组周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件1两侧的无磁场空间中、所述每个长漂移节3用于在长漂移节内沿加速器圆周方向布设2个及2个以上的高频加速腔体2。

如图2a、图2b图3所示，所述大范围变轨道磁铁结构，包括磁极结构(1-1-1，1-2-1)、磁气隙结构(1-1-3，1-2-3)、励磁线圈(1-1-2，1-2-2)；所述磁极结构(1-1-1，1-2-1)为开口朝向加速器圆心且磁极竖直方向布设的蹄形结构，且蹄形结构上下两条边为螺旋线，所述蹄形磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度；所述变轨道是指随着束流的能量的不断加大、束流所运行的轨道半径也不断加大，轨道半径的变化称之为变轨道。

如图2a、图2b、图3所示，所述磁气隙结构(1-1-3，1-2-3)包括蹄型磁极结构上下两个磁极之间的空间高度，所述的变高度磁气隙结构即是随着加速器半径的加长，该蹄型磁极结构的上下两条边之间的距离或磁气息结构的空间高度缩短，且呈上下磁极之间的空间距离h与磁极半径r之间为高次多项式关系，即所述励磁线圈(1-1-2，1-2-2)为异型大尺寸高温超导励磁线圈，所述励磁线圈(1-1-2，1-2-2)分别缠绕在蹄型磁极上下两个相对面的各自边线周围并进行励磁，从而在所述随半径而变化的变高度磁气隙结构中产生所设计的磁场。

所述大功率高稳定度高频加速系统，由分别布设在沿加速器圆周方向相邻磁铁组件之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体2、以及分别与每个高频腔体一一配套的低电平高频控制器和功率放大传输系统组成，所述功率放大传输系统包括高频机，传输线，耦合窗，所述低电平高频控制器负责产生合适大小的低电平高频信号，并用产生的低电平高频信号去驱动所述高频机；所述高频机负责把低功率的高频信号放大为高功率高频电磁波，再通过传输线将其输运到耦合窗；所述耦合窗负责把高频功率从放大系统耦合到高频腔；其特征在于：所述耦合窗为动态可调耦合窗，所述高频腔为跑道型腔体结构；所述低电平高频控制器的高频信号包括三个可调参数：幅度，相位，频率，其中高频信号频率为固定频率，高频信号控制包括高频信号实时幅度控制、高频信号实时相位控制。

跑道型腔体结构补充说明：所述大功率高稳定度高频加速系统，目的在于解决现有技术当高频系统负载变化时，耦合度不能自动调节的问题。为解决这个问题提出跑道型腔体结构。

在大功率条件下，当建立所需的加速电压时，低Q值腔体会消耗更多的功率，所述Q值即为品质因数，这个品质因数实际上是一个比值，它的大小是腔体的电磁储能比上腔体的欧姆损耗；而除加速束流所必须的功率外，低Q值腔体其余功率转化为热能形式，增加了水冷系统的负载。因此，提高腔体Q值是高能圆形加速器的首要待解决问题。目前国际上高能圆形加速器所采用的腔体结构分为两种：矩形腔和欧米伽腔。矩形腔的缺点是Q值低，优点是易于加工。欧米伽腔(侧面的棒球形状)相比于矩形腔，Q值有一定提高，但是机械加工难度大。为解决现有技术高频腔体或者Q值低、或者机械加工难度大的问题，需要设计一种新型腔体，既能提高Q值，又易于加工。

为了设计一种既能提高Q值，又易于加工的高频腔体，本发明设计了一种跑道形腔体。跑道型腔体中间为长方体，长方体长度方向两端近似半球状，相比矩形腔体和欧米伽腔体，跑道型腔体更加接近于圆球状，设计该近似圆球状跑道型腔体的原理在于：按照Q值公式：Q＝电磁储能/腔体的欧姆损耗，电磁储能越高，Q值就越高；腔体的欧姆损耗越小，Q值也会越高。电磁储能与腔体的体积结构有关。电储能(电场)不同于磁储能(磁场)在于：电场主要是集中在束流通过的位置，而磁场和腔体的体积结构有关。一般而言，在相同的表面积情况下，球体能够包含更大的体积。由于跑道型腔体近似于球体，因此跑道型腔体的电磁储能能力更强，同时，球体的表面积相对更小，因此跑道型腔体的欧姆损耗小。因此，跑道型腔体相比现有技术的矩形腔体和欧米伽腔体，提高了Q值。

由于跑道型腔体提高了Q值，解决了由于Q值低功率损耗大带来的一系列问题，为解决高功率、大负载情况下高频系统稳定性问题奠定了基础。

动态可调耦合窗的补充说明：所述动态可调耦合窗的机械位置可以由电机控制，该电机由自动调节耦合度算法控制，进而可以在运行时段进行耦合度调节，抗环境噪声干扰能力强，不受温度漂移影响，自动寻找最优耦合的位置。自动调节耦合度算法设计原理为：随着时间的推移，反射功率越来越小，直到不能继续减小为止。因为反射功率越大，进入腔体的功率就越小，反之，反射功率越小，进入腔体的功率就越大。理论上反射功率可以减小到0，实际上减小到一定程度后反射功率就不会再小了。由于本发明采用了可调式的耦合相关控制算法，使得随着时间的推移，反射功率达到最小，反射功率越小就使得进入腔体的功率最大，从而解决了高功率、大负载情况下高频系统的稳定性问题。

所述布设在相邻磁铁之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体的摆放位置相互成一定角度、用于满足高圈能量增益的要求。

高频腔体的摆放位置相互成一定角度的补充说明：将同一个漂移节内的高频腔设置为相互具有一定摆放角度关系，其目的在于实现等相位差。其原理如下所示：具体为：注入能量和引出能量粒子经过两个腔时的高频相位差相同，即

Vφ_i＝Vφ_e；

其中，Vφ_i、Vφ_e分为注入能量和引出能量粒子经过两个高频腔时的高频相位差，L_i、L_e分别为注能能量和引出能量经过两个高频腔的距离，v_i、v_e分别为注入能量和引出能量粒子的速度。为了保证Vφ_i＝Vφ_e，由于v_i、v_e的速度不同，需要L_i、L_e也不能相同，由于L_i、L_e两个距离不同，因此二者之间成一定角度。

所述引出结构5以加速器外圈为起点并与加速器外圈成一定角度向背离加速器圆心的方向引出束流，该引出结构5路径上布设有静电偏转板5-1、四级聚焦透镜5-3、偏转磁铁5-4，其特点是：该引出结构5布设在加速器外圈相邻两组周期性产生扭摆轨道的磁铁组件1之间的长漂移节3中，并且该引出路径中还布设有切割磁铁5-2。

关于引出结构布设在长漂移节和设置切割磁铁的补充说明：传统引出结构不适合高能量束流引出，不仅仅在于没有长漂移节，还因为长漂移节是一块无磁场空间，束流在无磁场空间中的原始运动轨迹是一条直线，由于在长漂移节中没有磁场引导，束流在长漂移节中运动相比在短漂移节中运动更容易使粒子失散而偏离引出路径的轨道，因此，将引出结构放置在长漂移节中的关键问题是提高粒子的聚焦力，使得粒子即使在长漂移节的无磁场空间中也不会因为聚焦力下降而失散。传统加速器引出结构不适合高能量束流引出的第二点原因是：即使将引出结构放置在长漂移节中，但由于传统加速器圈间距小，所述圈间距是指加速器最外圈和上一圈的束流轨道之间的间距比较小，圈间距小意味着能量增益小，束流引出效率低，因此，即使传统回旋加速器引出结构有了长漂移节也会因为束流引出效率低而达不到2GV引出能量的要求。

本发明在长漂移节中布设引出结构，是基于两个基础：第一个基础是周期性产生扭摆轨道的磁铁组件，该组件由于加入了反向磁铁，在保证平均磁场不变的情况下，使得正、反向磁场强度增高，由于采用加权平均法计算平均磁场，即使正、反向磁场强度增高，但加权平均后正负相抵，平均磁场仍然不变，由于正、反向磁场变化率增高，使得径向、轴向聚焦力增强，因此，当引出结构布设在长漂移节中时，长漂移节中的束流不会因为长漂移节是一个无磁场空间而使得束流聚焦力下降或发散，从而保证了引出结构布设在长漂移节的可行性。

第二个基础是高频加速系统，该高频加速系统用于提高粒子的引出效率。该高频加速系统由环绕布设在加速器圆周上的每个长漂移节中的2个或2个以上高频加速腔组成，每个长漂移节内的高频加速腔相互构成一定的角度，该角度称之为等0度相位角度，从而保证粒子在经过每个高频腔的中心点时都能得到该高频腔体给予粒子的最大能量，进而提高圈能量增益、束流引出效率高。束流引出效率提高，则要求引出结构元件如静电偏转板、偏转磁铁、四极聚焦的尺寸也相应增大，从而保证了引出结构布设在长漂移节的必要性。

在以上两个基础之上，本发明做了两种改进：第一种改进是将引出结构布设在长漂移节中，包括将引出结构的静电偏转板、切割磁铁、偏转磁铁、四极聚焦铁布设在长漂移节中，由于长漂移节满足了增大尺寸的排布元件的排布需求，从而保证了2GV及以上引出能量的引出结构的需求。

第二种改进是在引出路径中增设切割磁铁。切割磁铁是一种强磁场、小

尺寸的偏转磁铁，由于高能量的束流磁刚度大，只依靠静电偏转板很难将束流引出，使用切割磁铁来实现束流更大角度的偏转。

实施例

本实施例中，将3mA、800MeV的质子束注入到高能、强流交变梯度回旋加速器中，加速到2GeV后引出。800MeV和2GeV的束流轨道平均半径分别为16.28米和18.33米。聚焦磁铁的最低场强为1.76特斯拉，最高场强为2.60特斯拉，磁铁宽度为2.09米。散焦磁铁的最低场强为0.59特斯拉，最高场强为2.48特斯拉，磁铁宽度为1.82米。每个直线漂移节放置2个高频加速腔(共十个高频腔)，频率为44.4MHz，束流单圈能量增益为12MeV。为束流引出系统准备的直线漂移节长为10.52米。径向与轴向的工作点分别选择在2.6和1.8。本实施例实现了采用高能、强流交变梯度回旋加速器引出3mA、2GeV的质子束流，束流功率达到6MW。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (8)

1.一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：包括强流回旋加速器注入引出结构、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节、实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构，大功率高稳定度高频加速系统；所述大功率高稳定度高频加速系统腔体布置在各个长漂移节内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统将束流引出；所述磁铁组件即为周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件。

2.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件沿着加速器圆周方向间隔布设，每个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件包括两个正向偏转径向聚焦磁铁和一个反向偏转轴向聚焦磁铁、且反向偏转轴向聚焦磁铁位于两个正向偏转径向聚焦磁铁的中间；所述正向偏转径向聚焦磁铁、正向偏转轴向聚焦磁铁为沿着垂直方向布设的磁极方向相反的磁铁。

3.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述多个长漂移节的每个长漂移节的周向长度包括1米及1米以上、分别位于沿加速器圆周方向布设的相邻周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件之间的无磁场空间中、所述每个长漂移节用于在长漂移节内沿加速器圆周方向布设2个及2个以上的高频加速腔体。

4.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述大范围变轨道磁铁结构，包括磁极结构、磁气隙结构、励磁线圈；所述磁极结构为开口朝向加速器圆心且磁极竖直方向布设的蹄形结构，且蹄形结构上下两条边为螺旋线，所述蹄形磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度；所述变轨道是指随着束流的能量的不断加大、束流所运行的轨道半径也不断加大，轨道半径的变化称之为变轨道。

5.根据权利要求4所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述磁气隙结构包括蹄型磁极结构上下两个磁极之间的空间高度，所述的变高度磁气隙结构即是随着加速器半径的加长，该蹄型磁极结构的上下两条边之间的距离或磁气息结构的空间高度缩短；所述励磁线圈为异型大尺寸高温超导励磁线圈，所述励磁线圈分别缠绕在蹄型磁极上下两个相对面的各自边线周围并进行励磁，从而在所述随半径而变化的变高度磁气隙结构中产生所设计的磁场。

6.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述大功率高稳定度高频加速系统，由分别布设在沿加速器圆周方向相邻磁铁组件之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体、以及分别与每个高频腔体一一配套的低电平高频控制器和功率放大传输系统组成，所述功率放大传输系统包括高频机，传输线，耦合窗，所述低电平高频控制器负责产生合适大小的低电平高频信号，并用产生的低电平高频信号去驱动所述高频机；所述高频机负责把低功率的高频信号放大为高功率高频电磁波，再通过传输线将其输运到耦合窗；所述耦合窗负责把高频功率从放大系统耦合到高频腔；其特征在于：所述耦合窗为动态可调耦合窗，所述高频腔为跑道型腔体结构；所述低电平高频控制器的高频信号包括三个可调参数：幅度，相位，频率，其中高频信号频率为固定频率，高频信号控制包括高频信号实时幅度控制、高频信号实时相位控制。

7.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述布设在相邻磁铁之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体的摆放位置相互成一定角度、用于满足高圈能量增益的要求。

8.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，所述引出结构以加速器外圈为起点并与加速器外圈成一定角度向背离加速器圆心的方向引出束流，该引出结构路径上布设有静电偏转板、四级聚焦透镜、偏转磁铁，其特征在于：该引出结构布设在加速器外圈相邻两组周期性产生扭摆轨道的磁铁组件之间的长漂移节中，并且该引出路径中还布设有切割磁铁。