CN110913561B - 一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置和方法 - Google Patents

一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置，包括布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置；该2个剥离靶装置的头部均安装有用于剥离引出质子束所需要的剥离膜；还包括布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器，该相位选择器用于实现对加速的负氢离子束流进行相位选择；所述布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置以及布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器用于实现加速器束流的单圈引出。本发明实现了在剥离引出方式回旋加速器双向引出束流的情况下实现一个引出通道的单圈引出，以获得比较高的引出束流品质。

Description

一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置和方法
技术领域
本发明属于加速负氢类型通过剥离引出获得质子束的剥离引出质子回旋加速器技术领域，具体涉及一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置和方法。
背景技术
在回旋加速器发展的过程中，剥离引出方法是加速负氢通过剥离引出方法获得强流质子束的最重要的一种引出方法。该方法设计和操作简单，造价很低，而且最大的优点是引出效率可以达到100％，而且可以同时设计多个引出通道以提高加速器的利用率。该方法的基本原理是在引出半径上设置一个电子剥离膜，负离子或者多电荷态的正离子穿过电子剥离膜时即因电子被剥离而变成不同于加速离子电荷态的正离子，因而随着轨道曲率的反转或者与加速离子轨道有显著差别而通过加速器自身的强磁场被引出加速器。该方法只需移动剥离膜的位置，便可以在不改变加速器其它参数的情况下，改变引出束流的能量。国际上剥离引出回旋加速器最常见的是加速H-、D-、H2 +等粒子的回旋加速器，都是通过剥离膜对加速的离子进行电子剥离而实现引出质子或者正离子束流。
剥离膜引出方式的回旋加速器虽然具有引出效率高操作简单等优势，但是剥离引出均是多圈引出，圈重叠非常严重。以加速到100MeV能量剥离引出质子加速器为例，剥离引出的圈重叠都在30圈以上。部分物理实验对于引出的质子束流的品质要求很高，需要实现单圈引出以获得很高的束流品质。因此本方法就是针对剥离引出类质子回旋加速器提出了一种实现单圈引出的方法，以满足部分对束流品质要求高的物理实验需求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置和方法，目的在于解决现有技术剥离引出均是多圈引出，圈重叠非常严重，致使引出的束流品质不高的问题。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案。
一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置，其特征在于：包括布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置；该2个剥离靶装置的头部均安装有用于剥离引出质子束所需要的剥离膜；还包括布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器，该相位选择器用于实现对加速的负氢离子束流进行相位选择；所述布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置以及布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器用于实现加速器束流的单圈引出。
所述2个剥离靶装置的位置是通过远程自动调节装置自动完成的，所述远程自动调节装置通过调整180度相对位置的剥离靶位置差，使得束流可以在大范围内沿着半径方向分别独立移动，这样引出的束流能量范围比较宽而且达到连续，由此来实现束流的单圈引出。
所述相位选择器是安装在加速器半径方向的一字排列的一个或者多个很窄的卡束狭缝组合，所述一个或者多个很窄的卡束狭缝可以在半径方向移动，通过远程控制自动调节其在半径方向的位置。
所述束流的单圈引出是单圈引出的束流占总引出束流的百分比为75％以上，即单圈引出束流占主导地位，对于总的引出来说这显然不是完全意义上的单圈引出，但是对于其中一个剥离引出口来说，是完全的单圈引出。
所述2个剥离靶装置驱动剥离膜分别沿着加速器半径方向运动，运动精度好于0.1mm；所述剥离膜材料主要成分为碳。
一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置的引出方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、加速负氢的剥离引出回旋加速器注入的负氢束流实现良好的对中，通过对中调节线圈实现注入的负氢束流在加速过程中的径向振荡的振幅控制在0.5mm以下。
步骤二、通过加装在剥离引出回旋加速器小半径处的相位选择系统，对注入的负氢束流进行相位选择；
步骤三、分别移动两个剥离靶位置，通过调节两个剥离膜在半径方向的位置差异实现剥离引出束流的单圈引出。
所述步骤二进行相位选择包括实现单圈引出的相位选择，具体为：通过相位选择系统，在小半径加速区域将加速的束流相宽控制在5度以内，这样可将加速的束流在引出区域的圈重叠控制在2圈以下；所述引出区域位于加速器大半径，即剥离膜伸入的位置范围。
本发明的优点效果
本发明通过剥离引出回旋加速器180度对称的双向碳剥离膜方式、注入束流对中调节、相位选择系统、加速的束流相宽控制、180度相对剥离膜的位置控制，实现了在剥离引出方式回旋加速器双向引出束流的情况下实现一个引出通道的单圈引出，以获得比较高的引出束流品质。
附图说明
图1为剥离引出方式回旋加速器实现单圈引出的原理示意图；
图2为本发明相位选择器在回旋加速器上安装和应用示意图；
图3为100MeV剥离引出强流回旋加速器单圈引出模拟结果图；
图中，1-1：剥离靶1；1-2：剥离靶2；2：相位选择器；2-1：狭缝1；2-2：狭缝2；3-1：束流引出通道1；3-2：束流引出通道2.
具体实施方式
本发明设计原理
1、相位选择系统原理：相位选择系统是回旋加速器对加速的束流相位的选择，特别是相宽的选择。相位选择系统是一个或者多个很窄的卡束狭缝组合。因为回旋加速器加速的波形一般为余弦波形，回旋加速器加速的相宽一般在40度-60度，这样回旋加速器加速的粒子每次通过高频间隙进行加速时候，获得的能量大小是有差别的，即服从余弦波形。这样在相同的位置下获得的能量高的粒子由于速度快而回旋半径就大，获得的能量低的粒子由于速度慢而旋转半径就小。之所以造成这种差别，是因为束流通过加速时的相宽范围比较大，因此本发明从缩小相位宽度入手：在低能区域，沿着半径方向放置卡束狭缝，通过调整狭缝的半径方向的宽度，达到选择特定加速相位宽度的束流通过的目的。相位选择系统实质上是一个或者多个卡束狭缝，安装在加速器半径方向，可以在半径方向移动，通过远程控制手动调节其在半径方向的位置。加速器里面的相位选择卡束狭缝的宽度一般是依据理论计算，预先设定好宽度，不可在线自动调节。
2、180度对称设置剥离靶原理：两个剥离靶可以通过剥离靶自动控制装置远程调节，自动移动。在中高能大型剥离引出回旋加速器，其剥离靶系统均是可以通过远程控制自动调节的。本案例中的剥离靶装置是大型回旋加速器引出剥离靶系统，则由两个相对180度剥离靶装置，分别通过自动运动控制装置来驱动，可以大范围沿着半径方向分别独立移动，这样引出的束流能量范围比较宽而且达到连续。
3、180度相位差原理：一般地，回旋加速器注入的束流不是严格对中的，而且存在磁场的不严格的对称性，这样会使得束流在加速的过程中在横向聚焦力的作用下围绕固定的轨道作振荡运动(即横向振荡运动)。粒子在相差180度的相同半径位置的束流特性基本上一致，这样将两个剥离靶相对180度放置在相同半径下，可以在两个方向达到引出相同束流性能的目的。
4、通过剥离靶位置差实现单圈引出原理：径向移动两个剥离靶的距离是通过自动调节装置远程控制来自动完成的。束流的单圈引出，是通过调整180度相对位置的剥离靶位置差来实现的。由于加速的粒子在加速过程中沿着半径方向作周期性横向振荡，这样相同能量的束流在相对180度的剥离靶位置上的半径会有差别。而且由于回旋加速器采用的加速电压波形为余弦波形，粒子每圈加速获得的能量是有差别的，这样会导致在引出位置会多圈通过。通过调整180度剥离靶在半径方向的相对位置，使得单圈束流通过其中一个剥离靶而实现在一个方向的单圈引出，而另外一个剥离靶接受到多圈的束流。
根据以上原理，本发明设计了一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置。一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置如图1所示，其特征在于：包括布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置(1-1、1-2)；该2个剥离靶装置(2-1、2-2)的头部均安装有用于剥离引出质子束所需要的剥离膜；还包括布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器2，该相位选择器2用于实现对加速的负氢离子束流进行相位选择；所述布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置以及布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器用于实现加速器束流的单圈引出。
所述2个剥离靶装置(2-1、2-2)的位置是通过远程自动调节装置自动完成的，所述远程自动调节装置通过调整180度相对位置的剥离靶位置差，使得束流可以在大范围内沿着半径方向分别独立移动，这样引出的束流能量范围比较宽而且达到连续，由此来实现束流的单圈引出。
所述相位选择器2是安装在加速器半径方向的一字排列的一个或者多个很窄的卡束狭缝(2-1、2-2)组合，所述一个或者多个很窄的卡束狭缝(2-1、2-2)可以在半径方向移动，通过远程控制自动调节其在半径方向的位置。
补充说明：
图2是沿着加速器半径方向，在低能区(5圈以内)放置相位选择器，进行加速的束流相位的选择。图示给出了相位选择器示意图，这个是在不同半径方向同时放置的由2个固定狭缝组成的一组狭缝装置，可实现对加速器加速相宽的选择。
所述束流的单圈引出是单圈引出的束流占总引出束流的百分比为75％以上，即单圈引出束流占主导地位，对于整个剥离引出来说这显然不是完全意义上的单圈引出，但是对于其中一个剥离引出口来说，是完全的单圈引出。
所述2个剥离靶装置驱动剥离膜分别沿着加速器半径方向运动，运动精度好于0.1mm；所述剥离膜材料主要成分为碳。
一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置的引出方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、加速负氢的剥离引出回旋加速器注入的负氢束流实现良好的对中，通过对中调节线圈实现注入的负氢束流在加速过程中的径向振荡的振幅控制在0.5mm以下。
步骤二、通过加装在剥离引出回旋加速器小半径处的相位选择系统，对注入的负氢束流进行相位选择；
步骤三、分别移动两个剥离靶位置，通过调节两个剥离膜在半径方向的位置差异实现剥离引出束流的单圈引出。
所述步骤二进行相位选择包括实现单圈引出的相位选择，具体为：通过相位选择系统，在小半径加速区域将加速的束流相宽控制在5度以内，这样可将加速的束流在引出区域的圈重叠控制在2圈以下；所述引出区域位于加速器大半径，即剥离膜伸入的位置范围。
实施例一
如图3所示，以原子能院建成的100MeV剥离引出强流回旋加速器为例。100MeV强流质子回旋加速器的束流对中情况良好，径向振荡的振幅控制在0.5mm以下。通过在小半径方向加载束流相位选择系统，将加速的束流相宽控制在5度以内。100MeV回旋加速器有两个180度相对的引出剥离靶，即有两个质子束流引出通道，剥离膜的位置可以在剥离靶装置的驱动下沿着半径方向运动，最小伸入的半径到1.6米。
图3是剥离靶位置单圈引出效果图，这个是5度相宽下的结果。5度相宽下在引出位置的粒子将会有两圈重叠在一起。左面是286圈和287圈两圈束流圈分离图。从图示中可以看出是有极少部分粒子是两圈在相同半径下是重叠在一起的。因此将第一个剥离靶位置放置在187.5cm的位置上，这样将绝大多数287圈的粒子剥离引出，是单圈束流引出的状况。右图是显示了把第二个剥离靶位置放置在187.6cm-187.7cm之间，这样把经过第一个剥离靶后在第一个剥离靶没有引出的剩余的粒子引出。在第二个剥离靶引出束流是第一个剥离靶引出后加速器内剩余的粒子，包含了2圈粒子，数量较少。
在本方法的基础上，如果将加速的束流相宽到增加到5度以上，仍然可以通过调节两个剥离靶相对位置差以获得其中一个靶上准单圈束流引出。引出模拟结果显示，将加速的相宽增加到10度，则可实现第一个剥离靶准单圈引出。准单圈的意思是通过该剥离靶引出的全部束流圈重叠在5圈以上，但是单圈引出的束流占总引出束流的百分比为75％以上，即单圈引出束流占主导地位，显然这不是完全意义上的单圈引出。
本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (4)

1.一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置，包括布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置，该2个剥离靶装置的头部均安装有用于剥离引出质子束所需要的剥离膜；还包括布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器、该相位选择器用于实现对加速的负氢离子束流进行相位选择；还包括用于控制束流径向振荡振幅的束流对中调节线圈；
其特征在于：
所述2个剥离靶装置的位置通过远程自动调节装置自动完成，所述远程自动调节装置通过调整180度相对位置的剥离靶位置差，使得束流能够在大范围内沿着半径方向分别独立移动，这样引出的束流能量范围比较宽而且达到连续，由此来实现束流的单圈引出；
所述相位选择器是安装在加速器小半径方向的一字排列的一个或者多个很窄的卡束狭缝组合，所述一个或者多个很窄的卡束狭缝能够在半径方向移动且狭缝宽度可调，通过远程控制自动调节其在半径方向的位置；
所述束流的单圈引出是单圈引出的束流占总引出束流的百分比为75%以上，即单圈引出束流占主导地位；第一个剥离靶位置将绝大多数粒子剥离引出，是单圈束流引出的状况；经过第一个剥离靶后第一个剥离靶没有引出的剩余的粒子在第二个剥离靶引出，第二个剥离靶包含了2圈粒子，数量较少；第2个剥离靶的径向位置大于第一个剥离靶的径向位置；
该相位选择器在小半径加速区域将加速的束流相宽控制在5-10度以内，这样能将加速的束流在引出区域的圈重叠控制在2-5圈以下；
所述束流对中调节线圈对注入到剥离引出回旋加速器的负氢束流实现良好的对中、径向振荡的振幅控制在0.5mm以下；
所述布设在回旋加速器半径上、相差180度角度、且可径向移动距离的2个剥离靶装置、以及布设在回旋加速器小半径低能区域的相位选择器、以及束流对中调节线圈用于实现加速器束流的单圈引出。
2.根据权利要求1所述一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置，其特征在于：所述多个剥离靶装置驱动剥离膜分别沿着加速器半径方向运动，运动精度好于0.1mm；所述剥离膜材料主要成分为碳。
3.根据权利要求1-2所述一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置的引出方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、加速负氢的剥离引出回旋加速器注入的负氢束流实现良好的对中，通过对中调节线圈实现注入的负氢束流在加速过程中的径向振荡的振幅控制在0.5mm以下；
步骤二、通过加装在剥离引出回旋加速器小半径处的相位选择系统，对注入的负氢束流进行相位选择；
步骤三、分别移动两个剥离靶位置，通过调节两个剥离膜在半径方向的位置差异实现剥离引出束流的单圈引出。
4.根据权利要求3所述一种剥离引出回旋加速器单圈束流引出装置的引出方法，其特征在于：所述步骤二进行相位选择包括实现单圈引出的相位选择，具体为：通过相位选择系统，在小半径加速区域将加速的束流相宽控制在5度以内，这样能将加速的束流在引出区域的圈重叠控制在2圈以下；所述引出区域位于加速器大半径，即剥离膜伸入的位置范围。
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