CN109599190B - 一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法，包括以下步骤：选择高频频率为粒子回旋频率×单元周期数的整数倍的步骤；设置同一漂移节相邻位置的高频腔的摆放位置的步骤；设置长漂移节中第一个高频腔的初始相位的步骤；设置长漂移节中第n个高频腔的初始相位的步骤。本发明提供每个高频腔空间位置的布置方法，粒子在经过每个高频腔时均在0度相位、即峰值电压加速，将使高能圆型加速器的圈能量增益达到最大值，降低加速器内非理想因素对束流的破坏，增加引出效率，提高加速器的整体可靠性，为实现更高束流流强打下基础。

Description

一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法

技术领域

本发明属于加速器技术领域，尤其涉及一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法。

背景技术

圆型加速器由各种类型的磁铁和高频腔组成，粒子在加速器磁场作用下作环形运动，并通过高频电场不断加速。高能、强流是圆型加速器发展的一个主要趋势，在多个重要的核技术应用领域、在乏燃料后处理、先进核能系统的材料辐射损伤、军民两用同位素研发等国民经济领域；以及在中子和介子科学、中微子和暗物质等基础研究领域，均有巨大的应用潜力。圈能量增益是圆型加速器实现高能、强流的一项关键参数，其主要体现在：

⑴、高的圈能量增益意味着，粒子在加器中的加速速度快、加速圈数少，因而，工程上引入的非理想电磁场，空间电荷等束流集体效应，以及高阶共振穿越(低阶共振穿越一般是要避免的)等大量因素对束流品质的影响将会减小，从而减小加速器内的束流损失，降低设备的整体活化水平，提高整体可靠性。

⑵、束流引出过程中，束流需要从内圈轨道加速到外圈轨道后，经引出元件偏出，因而需要把最外圈轨道与上一圈轨道分离，其分离距离取决于最后一圈的能量增益，从而决定加速器的引出效率，这对一台高能、强流加速器至关重要。

粒子在圆型加速器中旋转，每次穿过高频腔将获得相应地能量增益：

VE＝V cos(φ₀+ω_rft)；⑴

其中，V为高频腔的峰值电压，φ₀为t＝0时刻高频腔的初始相位，ω_rf为高频回旋频率，t为粒子经过高频腔中心的时刻，因而φ₀+ω_rft是粒子经过高频腔中心时的高频相位。高能圆型加速器每段漂移节往往由多个高频腔组成，同一个漂移节内设置单个高频腔和多个高频腔的区别在于：当采用多个高频腔时，如果将同一个漂移节内的多个高频腔相互平行摆放，就会出现注入能量粒子和引出能量粒子在经过多个高频腔体的中心点时，相位差不等，相位差不等就不能实现等时性，就会降低粒子的圈能量增益。因此，为了达到最高的圈能量增益，高频腔的布置将变得非常重要。同一个漂移节内设置多个高频腔还会出现另一个问题：当t＝0时刻，由于两个高频腔的物理位置沿着加速器周向具有一定距离，致使它们的初始相位不同，即使采用高频频率为高频腔单元周期整数倍的技术方案，也只能保证其中一个高频腔在到达下一个漂移节相同位置的高频腔体中心点时其高频电压为0度相位，而不能保证下一个漂移节内所有和上一个漂移节相同位置高频腔中心点高频电压相位同样都达到0度相位，因为当一个漂移节设置多个高频腔时，它们初始位置位置的差异造成初始相位差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法，目的在于解决现有技术当一个漂移节设置多个高频腔时，注入能量粒子和引出能量粒子在经过多个高频腔体的中心点时相位差不等、以及同一个漂移节内不同位置高频腔体或不同漂移节相同位置腔体在粒子达到各自中心点时不能均保持0度相位问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法，其特点是：包括以下步骤：

步骤一、选择高频频率为粒子回旋频率×单元周期数的整数倍；

步骤二、设置同一漂移节相邻位置的高频腔的摆放位置；

步骤三、设置长漂移节中第一个高频腔的初始相位；

步骤四、设置长漂移节中第n个高频腔的初始相位。

所述步骤一的选择高频频率，为粒子回旋频率×单元周期数的整数倍，具体为：ω_RF＝aNω₀；其中，N为单元周期数，ω_RF、ω₀分别为高频频率和粒子回旋频率，a为任一正整数。

所述步骤二的设置同一漂移节相邻位置的高频腔的摆放位置，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。

所述步骤三的设置长漂移节中第一个高频腔的初始相位，具体为：粒子经过该高频腔中心时，高频腔的相位φ_{0_1}＝0°。

所述步骤四的设置长漂移节中第n个高频腔的初始相位，具体为：

其中，φ_{0_1}、φ_{0_n}分别为长漂移节中粒子经过的第一个高频腔和第n个高频腔的初始相位，v_i为注入粒子的运动速度，L_i为注入能量粒子经过两个高频腔的距离。

本发明的优点效果

本发明提供每个高频腔空间位置的布置方法，粒子在经过每个高频腔时均在0度相位、即峰值电压加速，将使高能圆型加速器的圈能量增益达到最大值，降低加速器内非理想因素对束流的破坏，增加引出效率，提高加速器的整体可靠性，为实现更高束流流强打下基础。

附图说明

图1为高能圆型加速器基本结构；

图2高频腔电压曲线；

图中，1:由多个磁铁组成的磁铁组件；2-1：长漂移节中的第一个高频腔；2-2：长漂移节中的第二个高频腔；3：磁铁组件间的长漂移节；4：注入能量粒子；5：引出能量粒子；6：一个高频腔周期单元；7：长漂移节中第一个高频腔的电压曲线；8：长漂移节中第二个高频腔的电压曲线。

具体实施方式

1、高能圆型加速器基本结构。如图1所示，圆型加速器一般由多个周期的磁铁组件1和高频腔组成，高频腔布置在磁铁组件之间的漂移节3内。注入能量粒子4进入到加速器内圈轨道，在磁铁偏转作用下作螺旋运动，通过高频腔不断获得能量增益，最终运动到加速器外圈轨道达到引出能量，达到引出能量的粒子称之为引出能量粒子5。如图2所示，高频腔电压随时间呈余弦波分布，余弦波0°相位为峰值电压相位。粒子在通过高频腔时，只有处于0°相位(图中标记为7的电压曲线0°相位在横坐标的0点，标记为8的电压曲线0°相位在T＝T₀的位置)才能获得最大的圈能量增益。图1中高频腔中心点的定义：如图1所示，每个高频腔2-1、2-2沿着加速器周向具有一定的宽度，该宽度的中心点称为高频腔中心点。

2、本发明要解决的问题 本发明要解决提高加速器圈能量增益的问题。

本发明提高圈能量增益的第一种方案为等0°相位的方案。从加速器圈能量增益公式能够看出VE＝V cos(φ₀+ω_rft)，提高圈能量增益就是：当粒子经过高频腔中心点时(高频中心点相位为：φ₀+ω_rft)，高频电压曲线达到峰值，也就是0°相位。本发明要求的等0°相位有两种情况，一种等0°相位的情况是指粒子经过当前漂移节的一个高频腔2-1的中心点、到达下一个漂移节的2-1高频腔的中心点时，要求该下一个漂移节的2-1高频腔的中心点的相位为0°相位或峰值电压相位；另外一种等0°相位的情况是指每个漂移节3内的不同位置的高频腔2-1、2-2，当粒子分别经过2-1、2-2的中心点时，要求到达第二个高频腔2-2(若粒子逆时针转动，则2-2为第二个高频腔体，如果顺时针转动，则2-1为第二个高频腔体)的中心点时，其中心点的相位同样为0°相位；总之，本发明要解决粒子经过图1中的任何一个高频腔的中心点时，其高频电压均为峰值电压或0°相位。

本发明提高圈能量增益的第二种方案为等相位差的方案。如图1所示，：注入能量粒子4和引出能量粒子5经过两个腔时2-1、2-2的高频相位差相同，高频相位差相同是为了实现等时性，等时性可以提高圈能量增益。

3、本发明解决其技术问题的思路

⑴针对第一种等0°相位情况的解决方案：解决粒子经过上一个漂移节和下一个漂移节相同位置的高频腔中心点的相位均为0°相位问题。

本部分解决方案见本发明权利要求1的步骤一。

其一，解决同步问题：所谓同步既是指图2的高频电压的一个周期T要与图1的一个高频腔周期单元6在时间上同步。只有时间上同步才能保证上一个高频腔中心点的相位等于下一个高频腔中心点的相位，或者当我们把上一个高频腔中心点的相位为0°相位时，粒子到达下一个高频腔中心点时的相位才能是0°相位。以要实现以上两种周期在时间上同步，就是找出一种高频频率和一个高频腔周期单元周期的整数倍关系。

其二，解决高频频率对于一个高频腔周期单元的倍数问题。为了达到粒子最高圈能量增益，我们要求每段漂移节内对应相同位置的高频腔的初始相位一致，意味着，粒子在漂移节内的腔2-1中心点的0°相位上加速后，经过时间T₁到达下一段漂移节的第一个高频腔上，必须也在0°相位上加速，因而要求:

ω_RFT₁＝2πa；

ω_RF分别为高频频率，a为任一正整数。加速器周期数N,因而有：

其中，T_s为粒子回旋一周的时间，N为单元周期数，ω₀为粒子回旋频率，联合以上两式可得：

ω_RF＝aNω₀

本发明通过以上步骤，最终得到高频频率对于一个高频腔周期的倍数为ω_RF＝aNω₀。

当实现了以上整数倍技术方案以后，就能够保证图1中不论是高频腔2-1或者高频腔2-2，当粒子到达下一个2-1或者2-2的高频中心点时，都能够和上一个2-1或者2-2的高频中心点保持相同的相位，即0°相位。

⑵针对第二种等0°相位的情况的解决方案。解决同一个漂移节内不同位置的两个高频腔2-1、2-2，在粒子到达其各自高频中心点时，高频电压均为0°相位。

本部分的解决方案见发明权利要求1的步骤三、步骤四。

其一，计算同一个漂移节内不同高频腔的初始相位。如图1、图2所示，同一个漂移节内不同高频腔2-1、2-2，由于安装时两个高频腔的中心点物理上有一定的间距，粒子在内圈上两个高频腔体的中心点距离为L_i，粒子在外圈上两个高频腔体的中心点距离为L_e，由于这个距离的存在，使得t＝0时两个高频腔的初始相位必然不等，造成不等的原因是第二个高频电压的相位滞后第一个一段时间t,而时间t和距离L_i、以及注入粒子的速度V_i有关，因此，通过L_i、V_i可以求出滞后的时间t，通过高频频率和滞后的时间t可以求出滞后的相位，知道了第二个高频腔的滞后相位，再知道第一个高频腔的初始相位如0°相位，即可以知道第二个高频腔体的初始相位。

到此为止，

获得第一个高频腔体的初始相位的算法见权利要求1步骤三；

获得第二个高频腔体的初始相位的算法见权利要求1步骤四；

其二，让粒子到达同一个漂移节内第二个高频腔中心点的高频电压相位为0°相位。由于步骤四给出了第二个高频腔在t＝0的初始相位的计算公式，而该初始相位又是通过0°相位减去滞后相位得到的，因此，将第二个高频腔的初始相位加上滞后的相位就可以实现粒子到达第二个高频腔体的中心点时为0°相位相位。

⑶针对本发明通过等相位差提高圈能量增益的解决方案。

本部分的解决方案见发明权利要求1的步骤二。

权利要求1步骤二方法的实质是：通过将同一个漂移节内的高频腔2-1、2-2设置为相互具有一定摆放角度关系实现等相位差，要使得高频腔2-1、2-2相互具有一定的角度关系具体体现在决定它们之间角度关系的两个参数L_i、L_e，当满足了L_i、L_e之间的一定关系时，即可实现实现注入能量粒子4和引出能量粒子5经过两个腔时的高频相位差相同，高频腔2-1、2-2角度关系如图1所示：随着加速器半径的加长，两个高频腔体之间略成为上宽下窄的喇叭形状。L_i、L_e之间的关系公式见后面的详述。

4、本发明设计原理总结如下：

⑴、选择高频频率为粒子回旋频率×单元周期数的整数倍的设计原理：

首先，为了简化，我们要求每段漂移节内对应相同位置的高频腔的初始相位一致，意味着，粒子在漂移节内的腔2-1 0°相位上加速后，经过时间T₁到达下一段漂移节的第一个高频腔上，必须也在0°相位上加速，因而要求:

ω_RFT₁＝2πa

ω_RF分别为高频频率，a为任一正整数。加速器周期数N,因而有：

其中，T_s为粒子回旋一周的时间，N为单元周期数，ω₀为粒子回旋频率，联合以上两式可得：

ω_RF＝aNω₀

⑵、设置同一漂移节相邻位置的高频腔的摆放位置的设计原理：

假定粒子经过一段漂移节中的第一个高频腔时的时刻为t＝0,经过时间T₀后到达下一个相邻高频腔中心，此时该高频腔对应相位为

φ₀+ω_rfT₀＝0

其中φ₀为该高频腔的初始相位，对应注入能量粒子和引出能量粒子均应满足上式条件，

其中，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。因而有：

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。

⑶、设置长漂移节中第一个高频腔的初始相位的设计原理：

显然，我们需要先设置第一个高频腔的初始相位做为参考，设在0°相位上是理所应当的事情。

⑷、设置长漂移节中第n个高频腔的初始相位的设计原理：

假定注入能量粒子经过一段漂移节中的第一个高频腔时的时刻为t＝0,此时第1个高频腔和第n个高频腔的相位为其初始相位，分别为φ_{0_1}、φ_{0_n}，此时φ_{0_1}＝0°。经过时间T₀后到达第n个高频腔中心时刻，第n个高频腔对应相位必需要为0°,即

φ＝φ_{0_n}+ω_rfT₀＝φ_{0_1}

其中

v_i为注入粒子的运动速度，L_i为注入能量粒子经过两个高频腔的距离。因而有

基于以上设计原理，本发明提出了一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法，其特点是：包括以下步骤：

步骤一、选择高频频率为粒子回旋频率×单元周期数的整数倍；

步骤二、设置同一漂移节相邻位置的高频腔的摆放位置；

步骤三、设置长漂移节中第一个高频腔的初始相位；

步骤四、设置长漂移节中第n个高频腔的初始相位。

所述步骤一的选择高频频率为粒子回旋频率×单元周期数的整数倍，具体为：ω_RF＝aNω₀；其中，N为单元周期数，ω_RF、ω₀分别为高频频率和粒子回旋频率，a为任一正整数。

所述步骤二的设置同一漂移节相邻位置的高频腔的摆放位置，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。

所述步骤三的设置长漂移节中第一个高频腔的初始相位，具体为：粒子经过该高频腔中心时，高频腔的相位φ_{0_1}＝0°。

所述步骤四的设置长漂移节中第n个高频腔的初始相位，具体为：

其中，φ_{0_1}、φ_{0_n}分别为长漂移节中粒子经过的第一个高频腔和第n个高频腔的初始相位，v_i为注入粒子的运动速度，L_i为注入能量粒子经过两个高频腔的距离。

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 (1)

1.一种提高高能圆型加速器圈能量增益的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、选择高频频率为粒子回旋频率×单元周期数的整数倍；

步骤二、设置同一漂移节相邻位置的高频腔的摆放位置；

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

△φ_i＝△φ_e；

其中，△φ_i、△φ_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，ω_rf为高频频率；

步骤三、设置长漂移节中第一个高频腔的初始相位；

具体为：粒子经过该高频腔中心时，高频腔的相位φ_{0_1}＝0°；

步骤四、设置长漂移节中第n个高频腔的初始相位；

具体为：

其中，φ_{0_1}、φ_{0_n}分别为长漂移节中粒子经过的第一个高频腔和第n个高频腔的初始相位，v_i为注入粒子的运动速度，L_i为注入能量粒子经过两个高频腔的距离，ω_rf为高频频率。

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