CN111526655B - 一种射频四极加速器调谐方法及装置、存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种射频四极加速器调谐方法及装置，存储介质，该射频四极加速器调谐方法包括如下调谐过程：获取在调谐器当前插入深度下所述加速器的场分布、频率分布，获取所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数；确定所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息、所述加速器的工作频率与目标频率的第二差异信息；当差异信息不满足预设要求时，确定新的插入深度以调整所述调谐器。本实施例提供的方案，减少了调谐次数。

Description

一种射频四极加速器调谐方法及装置、存储介质

技术领域

本发明实施例涉及但不限于一种射频四极加速器调谐方法及装置、计算机可读存储介质。

背景技术

射频四极加速器能够对低能的质子束或重离子束进行聚束、聚焦和加速，是加速器领域最常用的低能直线加速器之一。目前射频四极加速器可以分为四翼型射频四极加速器和四杆型射频四极加速器。四翼型射频加速器的腔体中有四个翼状电极，其结构通常如图1所示，四翼型射频四极加速器通常工作频率较高，更适用于对质子和低质量数的重离子进行加速。在四翼型射频四极加速器的运行前，调谐工作必不可少，调谐可以抵消由于机械加工误差带来的场分布和频率变化，如果场分布和频率与设计值相差过大，束流将受到额外的电场力，从而影响束流轨道、椭圆参数、以及传输效率。

目前四翼型射频四极加速器的调谐方法一般是通过改变加速器上的调谐器插入深度，从而对加速器腔体中的场分布和频率进行扰动来实现调谐，调谐器的结构通常如图2所示。由于腔体上的调谐器数量较多，各个调谐器对频率和场分布共同作用使得调谐是一个复杂的过程，为了保证高精度需要对每个调谐器的插入深度多次调节，耗费时间和人力。

发明内容

本发明至少一实施例提供了一种射频四极加速器调谐方法及装置、计算机可读存储介质，提高调谐效率。

本发明至少一实施例提供一种射频四极加速器调谐方法，包括如下调谐过程：

获取在调谐器当前插入深度下所述加速器的场分布、频率分布，其中，所述频率分布中包括所述加速器的工作频率；

获取所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数；

确定所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息、所述加速器的工作频率与目标频率的第二差异信息；

当所述第一差异信息或第二差异信息不满足预设要求时，根据所述加速器的结构参数、目标场分布和目标频率确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵，根据所述场分布、所述结构参数、所述第一差异信息、第二差异信息、所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数和所述影响矩阵确定新的插入深度以调整所述调谐器。

本发明至少一实施例提供一种射频四极加速器调谐装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序，所述程序在被所述处理器读取执行时，实现任一实施例所述的射频四极加速器调谐方法。

本发明至少一实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现任一实施例所述的射频四极加速器调谐方法。

与相关技术相比，本发明至少一实施例中，获取在调谐器当前插入深度下所述加速器的场分布、频率分布，其中，所述频率分布中包括所述加速器的工作频率；获取所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数；确定所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息、所述加速器的工作频率与目标频率的第二差异信息；当所述第一差异信息或第二差异信息不满足预设要求时，根据所述加速器的结构参数、目标场分布和目标频率确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵，根据所述第一差异信息、第二差异信息、所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数和所述影响矩阵确定新的插入深度以调整所述调谐器。本实施例提供的方案，能将调谐器对场分布和频率的影响整合到同一个矩阵；本实施例提供的方案，可以同时对场分布和频率进行调谐，避免了调节频率时对场分布的影响，减小了工作量，减少了调谐次数。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是四翼型射频四极加速器的一般结构；

图2是调谐器的一般结构；

图3是本发明一实施例提供的射频四极加速器调谐方法流程图；

图4是本发明另一实施例提供的射频四极加速器调谐方法流程图；

图5是本发明一实施例提供的调谐程序操作界面；

图6是本发明一实施例提供的基于该调谐程序的操作流程图；

图7是本发明一实施例提供的射频四极加速器调谐装置流程图；

图8是本发明一实施例提供的计算机可读存储介质框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明一实施例提供了一种射频四极加速器调谐方法，如图3所示，包括如下调谐过程：

步骤301，获取在调谐器当前插入深度下所述加速器的场分布、频率分布，所述频率分布中包括所述加速器的工作频率；

其中，可以通过测量方式获得加速器的频率分布、场分布；该频率分布和场分布与调谐器的插入深度有关。调谐器的插入深度改变时，频率分布和场分布相应改变，通过改变调谐器的插入深度实现加速器的调谐。

步骤302，获取所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数；

其中，加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数可以通过测量得到。

步骤303，确定所述加速器的场分布与目标场分布第一差异信息、所述加速器的工作频率与目标频率的第二差异信息；

其中，目标场分布、目标频率即对加速器进行调谐需要达到的目标。

步骤304，当所述第一差异信息或第二差异信息不满足预设要求时，根据所述加速器的结构参数、目标场分布和目标频率确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵，根据所述场分布、所述结构参数、所述第一差异信息、第二差异信息、所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数和所述影响矩阵、确定新的插入深度以调整所述调谐器。

其中，所述加速器的结构参数包括以下至少之一：加速器的长度、调谐器的数目和位置、删除点位置、调谐器的长度，模式数。

其中，在RFQ腔体中，不同分立频率可以激发出不同的场分布，每种频率对应一个模式，模式包含四极模式和二极模式(二极模式分为一三象限二极模式和二四象限二极模式)，分别用TE21n和TE11n来表示，其中n＝0,1,2…。工作频率指的是TE210模式的频率，在计算标准正交基的过程中，每一种模式对应一个标准正交基，计算标准正交基需要用到腔体的长度、标准正交基对应的模式的频率测量值。在标准正交基的计算过程中需要给n设置一个上限值，该上限值即所述模式数。

其中，当所述第一差异信息或第二差异信息满足预设要求时，调谐结束。即，重复执行所述调谐过程，直到所述加速器的场分布与目标场分布、所述加速器的工作频率与目标频率的差异信息满足预设要求。按照新的插入深度调整调谐器后，获取在该新的插入深度下加速器的场分布和工作频率，判断其与目标场分布、目标频率分布的差异信息是否满足预设要求，如果满足，则调谐结束，如果不满足，则重新计算新的插入深度以调整调谐器。

在一实施例中，所述步骤303中，确定所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息包括：

根据所述结构参数、目标场分布、目标频率确定所述加速器中的场分布的标准正交基；

具体的，标准正交基的计算方法如下：

四极模式TE21n的标准正交基的计算表达式为

一三象限二极模式的计算表达式为D₁(z，q，n)＝0(q＝2，4)

二四象限二极模式的计算表达式为D₂(z，q，n)＝0(q＝1，3)

其中z表示纵向位置，q表示象限数，n表示模式阶数，Q_n(0)＝1，

D_1n(n)＝D_2n(n)＝2。ω₄为四极模式的角频率；，ω₀₄为四极模式的截止角频率，ω₂为二极模式的角频率，ω₀₂为二极模式的截止角频率，c为光速。

根据所述标准正交基对所述加速器的场分布、目标场分布进行分解，获得两组分解系数，将两组分解系数之间的差异信息作为所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息。

在另一实施例中，测量RFQ每个象限固定位置点的场分布作为“采样点”，通过测量调谐器不同深度下每个“采样点”的场强的变化量来计算调谐器对这些点的影响矩阵，利用该矩阵以及“采样点”处的测量场强与目标场强的差异来反推每个调谐器的插入深度。

根据四翼型射频四极加速器的传输线理论，腔体中四极模式和二极模式的场分布存在一系列标准正交基。将腔体四个象限连接起来以后，实际场分布可以按照这些标准正交基进行分解，分解后可以得到一组分解系数v，这组分解系数可以用来描述腔体中任意的场分布。

在一实施例中，所述步骤304中，所述根据所述加速器的结构参数，频率分布、以及目标场分布和目标频率确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵包括：

根据所述结构参数、目标场分布、目标频率确定所述加速器中的场分布的标准正交基，根据所述标准正交基确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵。

在一实施例中，所述影响矩阵的元素M_ij如下：

当i＝1…3N+3，N为模式数，j＝1…K，K为调谐器的个数时；

M_ij＝1，当i＝3N+4,j＝1…K时；

其中，F₀为标准正交基对应的模式的截止频率，z(j)和q(j)为第j个调谐器的位置和象限，X(z(j)，q(j)，i)为第i个标准正交基在第j个调谐器位置的取值，F_i为第i个标准正交基对应的频率，i＝1…3N+3，N为模式数，j＝1…K，K为调谐器的个数。

在一实施例中，所述步骤304中，所述根据所述场分布、所述结构参数、所述第一差异信息、第二差异信息、所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数和所述影响矩阵确定新的插入深度包括：

所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数根据所述加速器的场分布和所述加速器的腔体长度确定由每个调谐器的权重构成的权重矩阵M₂；

调谐器插入深度变化

其中，M₁为所述影响矩阵，

为所述第一差异信息和所述第二差异信息组成的向量，k为所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数。

具体的，将第一差异信息(测量到的场分布按标准正交基分解的系数向量与测量场分布按标准正交基分解的系数向量差)记为

将第二差异信息(测量到的工作频率和目标频率的差)记为δf，将要计算出的每个调谐器的插入深度的变化记为

首先将向量差

和频率差δf组合成一个新的向量

则有关系式

矩阵M₁的广义逆和矩阵M₂的逆矩阵分别记为

和

此时每个调谐器插入深度变化可通过如下表达式进行计算

且

其中，H(z，q)为场强的测量值(即场分布)，L为加速器的腔体长度，z(q)和q(q)为第q个调谐器的位置和象限，i＝1…K，K为调谐器的个数。H(z(q)，q(i))为z(i)，q(i)位置的场分布。

下面通过一个具体实施例进一步说明本申请。

如图4所示，本实施例提供一种射频四极加速器调谐方法，包括：

步骤401，获取加速器的腔体的结构参数、高频参数以及测量得到的频率分布、场分布以及腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数。其中，频率分布中包括加速器的工作频率。其中，所述高频参数包括：目标场分布和目标频率；

步骤402，根据所述结构参数、目标场分布和目标频率分布计算加速器中的场分布的标准正交基。

步骤403，根据所述场分布的标准正交基、计算调谐器深度对场分布和工作频率的影响矩阵。

步骤404，根据所述标准正交基对测量到的场分布和目标场分布进行分解，获得两组分解系数，计算两者之间的系数差异即第一差异信息，以及将测量到的工作频率与目标频率相减，得到工作频率和目标频率的第二差异信息。

步骤405，当所述第一差异信息、以及所述第二差异信息满足预设要求时，调谐结束；当所述第一差异信息、以及所述第二差异信息不满足预设要求时，根据所述场分布、所述结构参数、所述第一差异信息、所述第二差异信息、所述影响矩阵和所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数计算调谐器新的插入深度，以调整所述调谐器的插入深度为该新的插入深度，返回步骤401。

本实施例利用四翼型射频四极加速器的等效电路模型和微扰理论设计了一套简单快速的调谐方法。本实施例中，将调谐器对场分布和频率的影响整合到同一个矩阵；在计算调谐器的影响矩阵时能够根据测量到的场分布实时计算每个调谐器的影响权重变化。本实施例提供的方案，可以同时对场分布和频率进行调谐，避免了调节频率时对场分布的影响，减小了工作量；可以根据测量的场分布计算每个调谐器的影响权重变化，在处理变电压四翼型射频四极加速器的情况下增强了计算结果的精确度，减少了调谐次数。

根据调谐器的微扰理论，调谐器产生的频率扰动会导致场分布的系数变化，这一关系可由调谐器对场分布和频率的影响矩阵描述，该影响矩阵的元素M_ij为：

其中z(j)和q(j)为第j个调谐器的位置和象限，X(z(j)，q(j)，i)为第i个标准正交基在第j个调谐器位置的取值，F_i为第i个标准正交基对应的频率，F₀为标准正交基对应的模式的截止频率，i＝1…3N+3，N为模式数，j＝1…K，K为调谐器的个数。将这一矩阵扩充为增广矩阵后可以同时描述调谐器对场分布和频率的影响，增广矩阵形如：

其中f₀为目标频率、f_i为四极模式下测量到的频率、N为模式数、K为调谐器数。

根据测量场分布计算调谐器权重变化：

根据Slater微扰理论，在磁场区域微扰对频率的影响与微扰位置的磁场能和微扰体的体积成正比：

δf_j∝H²δV

利用测量到的场强可以计算出每个调谐器的权重，此时调谐器的插入尺寸变化可由权重与测量腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数确定下来：

其中p_i为调谐器i的权重，i＝1…K，K为调谐器的个数，k为腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数，δh_i为每个调谐器插入尺寸的变化量。

以下将以对一个四翼型射频四极加速器的调谐为例对本发明进行详细说明。操作界面如图5所示，“Parameters”为主要参数输入界面、“Quadrant1”-“Quadrant4”按键用于导入测量得到的场分布的信号数据、“Import Design Field(导入设计场)”按键用于导入目标场分布、“flip or not”选项用于标定测量到的场分布的高能端和低能端、“Basepoints”按键用于标定测量到的场分布的基线、“Cutpoints”按键用于标定测量到的场分布的原点，“ProcessData”按键用于将测量到的场分布的信号数据转化为场分布幅值(场分布是通过拉小珠的方法进行测量，小珠在不同位置下由于场强不同会导致腔体工作模式的频率发生偏移，由于S12相位变化与频率偏移在工作模式附近成正比，通过矢量网络分析测量S12信号的相位信号的进行测量，将相位变化开平方、平移、归一化和平滑化处理即得到场分布)、“Save”按键用于对测量到的场分布进行平滑化处理和归一化处理、“Modes”按键用于对测量到的场分布进行模式分解和相对误差计算，以及对工作频率和目标频率的差异进行计算、“Tune”按键用于计算调谐器新的插入深度。“Parameters”界面的输入参数包含腔体长度、单象限调谐器数目、使用四极模式数、目标频率、前四个四极和二极模式频率测量值、调谐器位置和删除点位置，其中删除点位置一般由调谐器位置确定，用于对测量到的场分布进行平滑化处理。

如图6所示，基于上述程序的调谐过程包括：

步骤601，接收输入的所要调谐的四翼型射频四极加速器的结构参数；

其中，所述结构参数包括所述加速器的长度、调谐器的数目和位置、删除点位置、调谐器的长度、目标场分布、计算用到的模式数。

步骤602，接收输入的测量到的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数；

其中，该平均系数的测量方法参考相关技术；

步骤603，接收输入的腔体四个象限的场分布的测量信号数据、频率分布，以及，调谐器的插入深度；

其中，场分布测量信号数据、频率分布可以通过测量得到。

步骤604，设置“Basepoints”与“Cutpoints”，在“ProcessData”按键被点击时，对场分布的测量信号数据进行处理得到加速器的场分布。

步骤605，对加速器的场分布归一化和平滑化处理。

其中，可以通过点击“Save”按键实现对加速器的场分布归一化和平滑化处理。

步骤606，计算加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息；计算加速器的工作频率和目标频率的第二差异信息；

其中，可以通过点击“Modes”按键计算加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息，以及计算加速器的工作频率和目标频率的第二差异信息。

步骤607，如果第一差异信息和第二差异信息达到预设要求，调谐结束，否则转到步骤608；

步骤608，计算调谐器新的插入深度，并调节调谐器的插入深度为新的插入深度，转到步骤603。

其中，可以通过点击“Tune”按键计算调谐器新的插入深度。

如图7所示，本发明一实施例提供一种射频四极加速器调谐装置70，包括存储器710和处理器720，所述存储器710存储有程序，所述程序在被所述处理器720读取执行时，实现任一实施例所述的射频四极加速器调谐方法。

如图8所示，本发明一实施例提供一种计算机可读存储介质80，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序81，所述一个或者多个程序81可被一个或者多个处理器执行，以实现任一实施例所述的射频四极加速器调谐方法。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (9)

1.一种射频四极加速器调谐方法，包括如下调谐过程：

获取在调谐器当前插入深度下所述加速器的场分布、频率分布，其中，所述频率分布中包括所述加速器的工作频率；

获取所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数；

确定所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息、所述加速器的工作频率与目标频率的第二差异信息；

当所述第一差异信息或第二差异信息不满足预设要求时，根据所述加速器的结构参数、目标场分布和目标频率确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵，根据所述场分布、所述结构参数、所述第一差异信息、第二差异信息、所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数和所述影响矩阵确定新的插入深度以调整所述调谐器；

确定所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息包括：

根据所述结构参数、目标场分布、目标频率确定所述加速器中的场分布的标准正交基；

根据所述标准正交基对所述加速器的场分布、所述目标场分布进行分解，获得两组分解系数，将两组分解系数之间的差异信息作为所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息；

所述加速器的工作频率与目标频率的第二差异信息包括：所述加速器的工作频率与目标频率的差。

2.根据权利要求1所述的射频四极加速器调谐方法，其特征在于，所述方法还包括，重复执行所述调谐过程，直到所述加速器的场分布与目标场分布的第一差异信息、所述加速器的工作频率与目标频率的第二差异信息满足预设要求。

3.根据权利要求1所述的射频四极加速器调谐方法，其特征在于，所述根据所述加速器的结构参数、目标场分布和目标频率确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵包括：

根据所述结构参数、目标场分布和目标频率确定所述加速器中的场分布的标准正交基，根据所述标准正交基确定所述调谐器对所述加速器的场分布和频率分布的影响矩阵。

4.根据权利要求3所述的射频四极加速器调谐方法，其特征在于，所述影响矩阵的元素M_ij如下：

当i＝1...3N+3，N为模式数，j＝1...K，K为调谐器的个数时；

M_ij＝1，当i＝3N+4，j＝1...K时；

其中，F₀为标准正交基对应的模式的截止频率，z(j)和q(j)为第j个调谐器的位置和象限，X(z(j)，q(j)，i)为第i个标准正交基在第j个调谐器位置的取值，F_i为第i个标准正交基对应的频率，i＝1...3N+3，N为模式数，j＝1...K，K为调谐器的个数。

5.根据权利要求1所述的射频四极加速器调谐方法，其特征在于，所述结构参数包括：所述加速器的长度、所述调谐器的数目和位置、删除点位置、调谐器的长度，模式数。

6.根据权利要求1至5任一所述的射频四极加速器调谐方法，其特征在于，所述根据所述场分布、所述结构参数、所述第一差异信息、第二差异信息、所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数、和所述影响矩阵确定新的插入深度包括：

根据所述加速器的场分布和所述加速器的腔体长度确定由每个调谐器的权重构成的权重矩阵M₂；

调谐器插入深度变化

其中，M₁为所述影响矩阵，

为所述第一差异信息和所述第二差异信息组成的向量，k为所述加速器的腔体频率与调谐器深度变化关系平均系数。

7.根据权利要求6所述的射频四极加速器调谐方法，其特征在于，所述权重矩阵M₂如下：

且调谐器i的权重

其中，H(z，q)为所述加速器的场分布，H(z(i)，q(i))为z(i)，q(i)位置的场分布，L为加速器的腔体长度，z(i)和q(i)为第i个调谐器的位置和象限，i＝1...K，K为调谐器的个数。

8.一种射频四极加速器调谐装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序，所述程序在被所述处理器读取执行时，实现如权利要求1至7任一所述的射频四极加速器调谐方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1至7任一所述的射频四极加速器调谐方法。

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