CN112098734B - 高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器，属于强流质子回旋加速器电磁场特性、电场分布测量技术领域；本发明测量方法为：强流负氢离子束产生过程的测量；强流负氢离子束传输过程的测量；强流负氢离子束注入过程的测量；强流负氢离子束加速过程的测量；强流负氢离子束引出过程的测量；本发明还公开了基于高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，本测量方法贯穿了强流负氢离子产生、传输、强注入、加速、引出全过程，通过主磁铁组件与高频子系统、注入引出子系统、双层密封真空室的等系统整体集成过程中安装、组合、调试各环节配合技术，解决了从束流注入、到加速、到引出各环节束流损失问题。

Description

高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器
技术领域
本发明属于强流质子回旋加速器电磁场特性、电场分布测量技术领域，具体涉及一种高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器。
背景技术
紧凑型高平均流强负氢回旋加速器是指的加速离子种类为负氢（H-）的连续波等时性紧凑型回旋加速器，加速器引出的最终平均束流流强200μA以上。紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，可以产生强流质子束、打靶产生高通量中子和放射性核束（RIB）以用于国防核技术、核物理基础与核技术应用研究，如核数据测量、辐射物理、中子物理、核结构、材料科学与生命科学等，是核科学技术领域开展基础和应用研究的重要平台。
紧凑型高平均流强负氢回旋加速器是一个非常庞大的电磁装置组合系统，其工作基础就是要对组成回旋加速器的各个电磁装置进行电变量和磁变量的精确测量以及电磁组合的高精密测量。负氢回旋加速器最终要产生负氢和质子等带电粒子束流，其束流信号本身就是一个大小为μA量级的弱电信号，束流流强大小的测量实质上就是对弱电信号的直接测量。负氢回旋加速器的最终要达到的性能指标，就是要依靠高精密电磁组合的测量来保证的。
紧凑型高平均流强负氢回旋加速器核心组件中高频、真空、离子源注入线、剥离引出等与主磁铁的安装调试配合技术以达到最终的高平均流强束流，则要求束流从注入、到加速、到引出各个环节的电磁装置组合、匹配、高精密测量，在组合匹配过程中遇到几大挑战：
其一、实现基于同轴同心的以加速器主磁铁磁体形成的磁场均匀性和对称性是实现高平均流强的束流注入、加速和引出的难点之一。同轴同心是指离子源注入轴线与主磁铁轴线同轴、以及主磁铁中心与加速器中心的中心点重合。由于带电粒子是在磁场和电场共同作用下作回旋运动，为使高平均流强紧凑型负氢回旋加速器能够连续提供200μA以上的强流质子束，需要给带电粒子提供高度均匀对称的磁场，但均匀对称的磁场在加工和安装调试过程中实现起来非常困难。由于主磁铁为8块，上下各4块分在两个平面布设，8块磁铁其中任何一个尺寸高低不同或半径不同都会出现组合以后在轴向和同心度方面大于0.1mm的误差，而误差超出范围最终导致磁场非均匀和非对称，而非均匀和非对称的磁场将会明显降低加速和引出的束流流强。现有技术一般采用8块磁铁批量生产以后再进行组装的常规方法，但是该方法到目前为止始终没有一个成功案例。解决这个难点的测量，涉及到通过霍尔效应器件来测量磁场的分布，测量主磁铁磁体形成的磁场均匀性和对称性。
其二、加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配技术，这是实现综合调试获得200μA以上的高平均流强束流的难点之二。多场耦合紧凑区域内的中心区D相空间束流匹配是由产生强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流分别与纵向相空间的高频聚束器匹配、横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜匹配、纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板匹配、回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配技术来共同协调组合完成的。解决这个难点的测量，涉及到中心区电磁场特性的测量；基于霍尔效应器件（或者探头）测量匹配磁场；通过X射线探测法进行中心区电场的电场分布测量；进行螺旋形静电高压偏转板的电压测量和电压分布测量；通过频谱测量装置测量聚束器的高频频率和回旋加速器的高频频率；通过核磁共振仪测量主磁场的磁场变化；通过弱信号电流测量方法进行束流强度的测量。
其三、加速过程中将偏离中心平面的粒子拉回中心平面是实现高平均束流功率回旋加速器的难点之三。带电粒子从离子源注入轴线进入加速器中心平面后进行圆形的循环运动。由于粒子在加速过程中，粒子在磁场和电场的共同作用下会围绕加速器的中心轨道在做左、右、上、下的振荡运动。为了保证粒子在加速过程中一直沿着中心轨道运动，磁场在提供它环绕加速器往返运动力的以外，还提供沿着加速器轨道上下方向的磁场力也称作轴向聚焦力，当这个力比较小时就不足以约束粒子上下跳动；若要实现强流引出，就需要将纵向偏离加速器中心平面的粒子也能够被引出，这就需要轴向聚焦力足够大，使得偏离中心平面的粒子回到中心平面，因此，轴向聚焦力的测量，实际上就是加速器的磁场测量。虽然这个概念是加速器领域通用理论，但是做到这一点比较困难，特别是对于紧凑型等时性回旋加速器，因为回旋加速器尺寸较小，提供轴向聚焦的磁场力的主磁铁受到注入系统、中心区、高频系统、真空系统、束流探测系统（通常为径向靶）、剥离引出系统的制约。为了实现强流束加速和引出，这就要求在加速器设计、加工、安装、总体集成、总体调试时的整个过程，都要充分考虑紧凑型高平均流强负氢回旋加速器核心组件中高频、真空、离子源注入线、剥离引出等与主磁铁的配合技术，以提供粒子在加速过程足够强的轴向聚焦力。解决这个难点的测量，涉及到分别通过采用霍尔效应测试装置和核磁共振（NMR）装置来测量的，通过测量磁场分布，确定轴向聚焦力。
其四、主磁铁引出区边缘场和被剥离的束流引出轨道的束流光学匹配技术是实现强流引出的难点之四。由于粒子在引出时存在磁场边缘场效应，则引出束流轨道不再是按照线性效应下的常规磁场来计算得到的，因此基于单纯的线性效应下的束流传输的理论而考虑的束流的传输矩阵的计算与匹配已经不再适用高平均流强的负氢强流等时性回旋加速器的束流引出系统。如果不能克服边缘场效应，将影响对引出束流的约束力，边缘场效应同样会降低引出的束流效率。因此，为了获得高平均流强的束流，则必须要考虑主磁铁引出区边缘场和被剥离的束流引出轨道的束流光学匹配和包括剥离膜角度的束流光学匹配等匹配技术，同时还需要采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器的引出束流轨迹，从而保证高平均流强束流的引出。解决这个难点的测量，涉及到通过霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置测量引出区边缘场磁场分布，然后通过磁场分布计算引出束流轨迹，最后通过电流测量方法进行束流强度的精确测量。
其五、解决残余气体轰击真空室内中心区或者加速过程中的注入和加速的负氢束流而引起的真空剥离损失、高能区磁场越强洛伦兹剥离损失越多的矛盾，是实现高平均流强束流加速和引出的难点之五。等时性强流回旋加速器加速负氢束流至200μA以上，在技术上遇到两个难点。其一是残余气体易造成负氢剥离电子变成不带电的H0，或者变成带正电的质子。H0由于不受磁场约束，会径直轰击加速器外侧的真空壁。质子偏转方向与负氢相反，在电磁场作用下会轰击中心区或者真空室外壁。其二是在高能区的强磁场引起的负氢的洛伦兹剥离损失。既在外半径，磁场作用力较大的时候，有一定几率会使负氢剥离电子，变成不带电的H0，或者带正电的质子。这两种类型的束流损失不但会降低加速和引出的束流，而且束流损失也会造成加速器内部活化，进而限制负氢强流回旋加速器中流强的进一步提高。真空剥离和洛伦兹剥离，在高能区造成的束流损失，由于束流本身的能量较高，造成的后果更为严重。真空剥离和洛仑兹剥离不但导致损失的H-粒子活化加速器部件，产生放射性剂量，影响加速器的正常运行和维护，而且会降低引出的束流效率。解决这个难点的测量，涉及到一方面是利用真空探头和真空计来测量加速器主真空度；另外一方面是基于霍尔效应装置的高精度电磁感应磁场测量装置测量整个高能区域的磁场分布，确定最高磁场值不超过限制洛仑兹剥离所设计的理论值。
其六、解决加速过程中提高圈能量增益的技术是高平均流强负氢回旋加速器的难点之六。紧凑型回旋加速器的圈能量增益技术是非常复杂的，主要是依靠高频系统提供的加速电压分布以及加速相位来完成的。紧凑型回旋加速器空间极其狭窄，高频加速结构严格受到空间的限制，因此其圈能量增益的增加存在了高电压场分布的严峻挑战。为了提高圈能量增益，通过改变高频系统电感中心位置、克服圈能量增益带来的热损耗以提高腔体热稳定性、通过负反馈增益电路消除束腔相互作用带来的附加相移来完成的。解决这个难点的测量，涉及到利用频谱分析仪进行的高频频率的测量、基于X射线法测试高频射频场的电压分布、高频低电平相位环路的负反馈增益等电路信号的信号处理系统测量。
其七、解决高真空度和磁场均匀性矛盾是实现高平均流强束流加速和引出的难点之六。紧凑型高平均流强负氢加速器的真空室直径为4米，为了保证直径4米的超大真空室的高真空度，必须在主磁铁上盖和下盖开大孔以满足大功率设备的抽真空要求，但由于在主磁铁的上盖和下盖上开孔，使得原有的磁路发生断裂，造成本来均匀对称的磁场变得不均匀；为了从加速器外部伸进设备到加速器中心平面实现相关功能，还需要在加速器最外层的环形磁轭上从外到里整体开孔多个，包括径向靶孔和引出剥离靶孔。这些上下左右的开孔尺寸、开孔半径、开孔角度，都会直接影响1.35T最大磁场要求和磁场均匀性对称性要求。如果不能将开孔尺寸、位置、角度与保证磁场的均匀性和对称性和最大磁场强度要求综合考虑，则会因为开孔不当造成降低加速和引出的束流效率。解决这个难点的测量，涉及到一方面是抽真空的大孔尺寸和位置的精确测量；另外一方面是加速器磁场均匀性和对称性的磁场特性的测量，加速器主磁场的产生、磁场均匀性和对称性的测量是基于霍尔效应装置的高精度电磁感应测量磁场装置测量加速器整个区域的磁场，完成磁场分布的绘制。
综上，束流从注入、到加速、到引出，各个环节都存在束流损失的难题，这些束流损失的难题具体存在于加速器强流负氢离子产生、强流负氢离子传输、强流负氢束流的注入、强流负氢离子束的加速、强流束流的引出这几个过程中，并且这几个过程每个过程的束流损失因素不是单一的，而是一个过程中存在多种因素造成的束流损失，是一对多的关系；或者，每种因素对于各个过程的影响也不是一对一的，是一种因素给多个过程都带来的束流损失，是多对一的关系。其中，组成紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的核心组件中高频、真空、离子源注入线、剥离引出等与主磁铁的安装调试配合技术以及各个部分电磁元件的电场电变量、磁场磁变量高精度组合测量贯穿了束流从注入、到加速、到引出各个环节。
现有回旋加速器技术相关的测量和束流损失的控制存在的问题是，其一，只是针对单一过程束流损失控制问题测量任一过程或者当前过程或者是分立元件的电磁元件的电场变量或者磁场变量，：例如，或测量束流加速过程的问题、或测量束流引出过程的问题，但即使这2个过程的束流损失问题解决了，因为前面3个过程对于当前过程有影响、且前面3个过程造成束流损失的原因又是独立的，则即使当前束流加速过程的束流损失问题解决了、但解决的效果会大打折扣；其二， 只是一种因素对应一个过程的束流损失控制及电磁测量问题，但实际情况是一种因素会对于多个过程产生影响，如果只是测量当前因素对于当前过程的影响而没有测量当前因素对于其他过程的影响，则其他过程由于存在同样因素造成的束流损失，则这些束流损失还会波及到当前过程；其三，只是一个过程对应一种因素测量束流损失问题，但造成当前过程的束流损失的因素往往来自加速器中的多个因素、或存在于加速器多个不同的物理位置，如果不是把影响当前过程束流损失的所有因素或所有物流位置都测量到位，则当前过程束流损失的测量就只完成了几分之一。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器，目的在于从贯穿紧凑型高平均流强负氢回旋加速器五个步骤的整个过程、以及从一种因素对应多个过程、多个过程对应一种因素的多维度进行高精密电磁组合测量，组合解决从束流注入、加速、引出的各个环节束流损失的难题，实现200μA以上的高平均流强的束流加速和引出的总目标。
本发明为解决其技术问题采用以下技术方案
一种高精密电磁组合测量方法，该方法用于紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，包括以下步骤：
步骤一、强流负氢离子束产生过程的测量；
步骤二、强流负氢离子束传输过程的测量；
步骤三、强流负氢离子束注入过程的测量；
步骤四、强流负氢离子束加速过程的测量；
步骤五、强流负氢离子束引出过程的测量；
其特征在于：
所述步骤一强流负氢离子束产生过程的测量，包括以下环节：
Figure 718579DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点 严格重合的测量；
所述步骤二强流负氢离子束传输过程的测量，包括以下环节：
Figure 635719DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点 严格重合的测量；
Figure 946615DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量；
所述步骤三强流负氢离子束注入过程的测量，包括以下环节：
Figure 341824DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点 严格重合的测量；
Figure 156196DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量；
Figure 306555DEST_PATH_IMAGE003
中心区磁场分布与中心区电极结构配合度的测量；
所述步骤四强流负氢离子束加速过程的测量，包括以下环节：
Figure 573588DEST_PATH_IMAGE004
主磁铁高能区最大磁场强度1.35T的测量；
Figure 303647DEST_PATH_IMAGE005
主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量；
Figure 972525DEST_PATH_IMAGE006
高频系统改变电感中心位置提高圈能量增益的测量；
所述步骤五强流负氢离子束引出过程的测量，包括以下环节：
Figure 965889DEST_PATH_IMAGE007
引出区边缘场和束流引出轨道束流光学匹配度的测量。
所述环节
Figure 985798DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区 的中心点严格重合的测量如图3、图4所示，具体如下：
在主磁铁的加工安装过程中，采用加工与装配穿插作业，装配时不断用先进的激光跟踪仪检测设备对零件关键点进行检测与确定，既要保证离子源注入线轴线与主磁铁轴线同轴技术要求，同轴偏差不超过0.1mm，又要保证主磁铁中心与中心区的中心的严格重合、偏差不大于0.1mm，然后通过霍尔效应器件来测量磁场的分布，测量磁场均匀性和对称性。
所述环节
Figure 722810DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量，具体过程如下：
1）强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与纵向相空间的高频聚束器匹配测量，通过频谱测量装置测量聚束器的高频频率和回旋加速器的高频频率；
2）强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜匹配测量，基于霍尔效应器件测量匹配磁场；
3）传输的高亮度负氢离子束流与纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板匹配测量，进行中心区电场的电场分布测量；进行螺旋形静电高压偏转板的电压测量和电压分布测量；
4）传输的高亮度负氢离子束流与回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配测量。
所述环节
Figure 777353DEST_PATH_IMAGE003
中心区磁场分布与中心区电极结构配合度的测量，具体过程如下：
1）中心区电极结构和磁聚焦结构零部件的测量以及彼此相结合的测量，中心区电磁场特性的测量；
2）通过采用霍尔效应测试装置和核磁共振（NMR）装置来测量主磁铁磁体形成的磁场分布的测量，来实现共同提供足够强的轴向聚焦的测量；
3）轴向聚焦保证轴向可接受加速最大束团内粒子的轴向振荡幅度小于5mm的测量。
所述环节
Figure 207198DEST_PATH_IMAGE004
的主磁铁高能区最大磁场强度1.35T的测量，具体过程如下：
加速器磁铁结构形成的磁场在高能区最大不超过1.35T的测量，是通过霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置测量高能区磁场分布获得的，通过该方法对数函数地降低了负氢束流的洛伦兹剥离损失，保证了强磁场引起的洛仑兹剥离导致的束流损失控制在0.5%以内。
所述环节
Figure 448823DEST_PATH_IMAGE005
的主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量为：100MeV紧凑型负氢回 旋加速器通过采用变气隙尺寸改变磁场指示特性，通过高精度电磁感应法的磁场测量装置 测量特大型电磁铁真空下的磁场分布；通过高精度电磁感应法的磁场测量装置测量特大型 电磁铁真空测量磁场分布，从而成功研制了国际质子束流功率最高52kW的紧凑型回旋加速 器，所述变气隙是指改进磁极间的空气间隙，具体过程如下：
1）测量主磁铁盖板180度对称方向2个抽气孔大孔直径总长度为主磁铁变气隙尺寸的磁极直径长度四分之一；
2）测量四个大孔相互90度均匀分布、且每个大孔圆心到加速器中心点半径为270cm；
3）测量径向靶孔道沿180度对称开设、且它们中心点连线通过加速器中心点；
4）测量引出剥离靶孔道沿每组平行线两端对称开设、每组平行线分别偏离加速器中心点31.2厘米；
5）测量引出剥离靶孔道对称布设在每条径向靶孔道两侧，且每条径向靶孔道分别与两侧的引出剥离靶孔道的夹角为24度，每条径向靶孔道两侧的引出剥离靶孔道之间的夹角为48度；
6）通过高精度电磁感应法的磁场测量装置测量特大型电磁铁真空下的磁场分布，以实现主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量。
所述环节
Figure 51843DEST_PATH_IMAGE006
的高频系统改变电感中心位置提高圈能量增益的测量，具体过程如 下：
1）改变等效电感中心位置提高圈能量增益的测量；具体为：利用频谱分析仪进行的高频频率的测量、基于X射线法测试高频射频场的电压分布、调整等效电感中心的位置、将等效电感中心的位置前移提高高能区圈能量增益的测量；
2）为克服圈能量增益而带来的热损耗的测量，具体为：减小腔体尾部和后部侧边的分布电容降低欧姆损耗、提高腔体热稳定性的测量;
3）实现消除束腔相互作用带来的附加相移的负反馈增益电路的设计和实时反馈信号的测量：具体为通过增强高频低电平相位环路的负反馈增益设计、高频低电平相位环路的负反馈增益等电路信号的信号处理系统的测量，来减小低能束流滑相对腔体造成的附加相移。
所述环节
Figure 695314DEST_PATH_IMAGE007
的引出区边缘场和束流引出轨道束流光学匹配度的测量，具体过程 如下：
1）主磁铁引出区边缘场与引出轨道的束流光学匹配测量：通过霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置测量引出区边缘场磁场分布，然后通过磁场分布计算引出束流轨迹而实现引出轨道束流光学的匹配；
2）剥离膜角度的束流光学匹配测量：改变剥离膜角度后通过电流测量方法进行引出束流强度的精确测量；
3）采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场的磁场测量和束流线光学总体进行匹配测量；
4）精确地计算加速器的引出束流轨迹，从而保证了高平均束流流强的引出。
一种基于高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，包括用于产生主磁场的主磁铁，该主磁铁包括主磁铁组件；还包括用于给负氢束流加速的高频子系统、用于负氢粒子注入和引出的注入引出子系统、双层密封真空室；所述主磁铁组件径向从外到内分为三层：外层为柱形的主磁铁磁轭以及柱形主磁铁磁轭上端面和下端面的主磁铁上盖板和主磁铁下盖板，该主磁铁上盖板和主磁铁下盖板上布设有多个抽真空孔；内层为围绕加速器中心点布设的主磁铁磁极，所述主磁铁磁极共8个、上下两个平面各4个、且每个平面的多个主磁铁磁极周向间隔均匀布设；中间层为主磁铁励磁线圈、该主磁铁励磁线圈环绕在多个主磁铁和主磁铁励磁线圈之间的双层密封真空室外壁上；所述主磁铁组件还设有主磁铁引出区，该引出区上设有引出通道与引出开关磁铁，该主磁铁引出区沿着径向从内到外穿过双层密封真空室、主磁铁励磁线圈、柱形主磁铁磁轭；所述高频子系统分别布设在主磁铁每个平面的两两主磁铁磁极之间且180度对称布设；所述注入引出子系统包括离子源注入线及引出剥离靶；所述的主磁铁磁轭周向从外向内整体开孔，分别开设有多个用于引出剥离靶的径向靶孔、以及多个用于引出剥离靶的剥离引出靶孔；通过构成紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的主磁铁组件与高频子系统、用于负氢粒子注入和引出的注入引出子系统、双层密封真空室的组合和配合技术，实现紧凑型高平均束流流强负氢回旋加速器注入、加速和引出高平均流强束流的目标；所述的高平均流强是指加速器引出的最终束流流强200μA以上；所述的平均束流流强是指等时性加速器获得的束流流强；所述主磁铁为主磁铁子系统；
其特征是：
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴的配合技术、该严格同轴为基于边装配边加工方法实现的严格同轴；所述主磁铁组件中心点与中心区的中心点为严格重合配合、该严格重合为基于边装配边加工方法实现的严格重合；所述中心区为回旋加速器中心区；
加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配技术，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW；所述的多场耦合紧凑区域内的中心区6D相空间束流匹配是由产生强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流分别与纵向相空间的高频聚束器匹配、横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜匹配、纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板匹配、回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配；
主磁铁中心区磁场分布与中心区电极结构配合技术，中心区电极结构和磁聚焦结构相结合的组合配合、共同提供足够强的轴向聚焦，轴向聚焦保证轴向可接受加速最大束团内粒子的轴向振荡幅度小于5mm；
主磁铁引出区边缘场和被剥离的束流引出轨道的束流光学匹配，通过主磁铁引出区边缘场与引出轨道的束流光学匹配、剥离膜角度的束流光学匹配、采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器的引出束流轨迹，从而保证了高平均束流流强的引出；
主磁铁高能区的磁场强度被严格控制，加速器磁铁结构形成的磁场在高能区最大不超过1.35T，对数函数地降低了负氢束流的洛伦兹剥离损失，使得强磁场引起的洛仑兹剥离导致的束流损失控制在0.5%以内；
主磁铁盖板大孔位置及尺寸同时满足获得高真空和获得强聚焦两者之间的综合效益关系；
主磁铁磁轭整体开孔的张角与数量与磁铁励磁安匝数及径向靶、剥离靶、开关磁铁的配合，同时又要兼顾这些设备在主磁铁磁轭上的开孔位置对最终的主磁铁形成的磁场的影响，最终是对强流束流加速和引出的影响；
主磁铁对加速器上开孔的主磁场的补偿技术：上下两个相对面上的每个主磁铁磁极边缘均镶嵌有不规则形状的磁场补偿镶条，该磁场补偿镶条用于补偿主磁铁盖板和主磁铁磁轭开孔以后的磁场损失;
所述的高频子系统为通过改变等效电感中心位置提高圈能量增益的子系统、以及克服了圈能量增益带来的热损耗的子系统、以及通过负反馈增益电路消除束腔相互作用带来的附加相移的子系统。
所述的组合和配合技术的严格同轴和严格重合，具体为：在主磁铁的加工安装过程中，采用加工与装配穿插作业，装配时不断用先进的激光跟踪仪检测设备对零件关键点进行检测与确定，既要保证离子源注入线轴线与主磁铁轴线同轴技术要求，同轴偏差不超过0.1mm，又要保证主磁铁中心与中心区的中心的严格重合、偏差不大于0.1mm。
所述的加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配技术，实现综合调试获得平均束流流强为520μA，具体为：从“（1）强流离子源高亮度为3-4mA/0.32pi mm mrad负氢束流与（2）匹配纵向相空间的高频聚束器、（3）匹配横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜、（4）纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板，到（5）回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区”之间，进行6D相空间匹配的技术，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW；聚束效率：强流520μA/330μA=160%，弱流高达325%；从离子源到中心区1MeV内靶的注入效率：高于15%为500μA量级强流、28%为50μA量级普通流强。
所述中心区的磁场分布与中心区电极结构配合技术，具体为：磁场需要满足束流等时性加速要求，同时满足束流中心区轴向约束要求；中心区电极结构完成90度偏转功能，和中心区磁场一起提供足够强的轴向聚焦力。
所述的主磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配技术，具体为：从引出剥离靶到加速器开关磁铁之间的束流引出轨道的精确计算，必须与主磁铁的引出区域的边缘场相互配合，通过磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配、剥离膜角度的束流光学匹配、采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器引出束流沿着引出路径传输的六维相空间传输矩阵，从而精确计算引出束流轨迹，保证了高平均流强束流的引出；发明复合磁铁将剥离后能量70~100MeV的质子束传输到同一束流线。
主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量，具体为：所述主磁铁盖板大孔位置及尺寸具体为：在强流负氢紧凑型回旋加速器主磁铁上、下盖板上设计了给真空室抽真空专用的四个对称的500mm口径的大孔，其中2个为180度对称方向的抽真空大孔、另外2个为180度对称方向的高频大孔，180度对称方向的2个抽真空大孔直径总长度为主磁铁磁极直径长度四分之一；同时还兼顾主磁铁盖板大孔位置及尺寸在获得高真空和获得强聚焦之间的综合效益关系设计大孔的位置和角度：该四个大孔相互90度均匀分布、且每个大孔圆心到加速器中心点半径为270cm。
所述主磁铁磁轭整体开孔的具体位置和角度为：径向靶孔道沿180度对称开设、且它们中心点连线通过加速器中心点；引出剥离靶孔道沿每组平行线两端对称开设、每组平行线分别偏离加速器中心点31.2厘米；引出剥离靶孔道对称布设在每条径向靶孔道两侧，且每条径向靶孔道分别与两侧的引出剥离靶孔道的夹角为24度，每条径向靶孔道两侧的引出剥离靶孔道之间的夹角为48度。
所述的高频子系统为通过改变等效电感中心位置提高圈能量增益的子系统，具体为调整等效电感中心的位置，来提高高能区圈能量增益；所述等效电感形状可由单个截面为椭圆形跑道型、圆角梯形跑道型等效电感构成，也可由多个粗细相同或不同的圆形等效电感等效构成。
所述的高频子系统为克服圈能量增益带来的热损耗的子系统，具体为减小腔体尾部和后部侧边的分布电容，来降低欧姆损耗，提高腔体热稳定性。
所述的高频子系统为通过负反馈增益电路消除束腔相互作用带来的附加相移的子系统，具体为通过增强高频低电平相位环路的负反馈增益，来减小低能束流滑相对腔体造成的附加相移，才能真正做到加速强流负氢束流至高功率。
本发明的优点效果
1、本发明高精密电磁组合测量方法贯穿了紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的强流负氢离子产生、强流负氢离子传输、强流负氢束流的注入、强流负氢离子束的加速、强流束流的引出这五个步骤的整个过程，并且采用单因素对应多过程、单过程对应多过程、单过程对应多因素的测量方法，通过将五个步骤中电磁装置组合、匹配、高精密测量，以及将单因素对应多过程、单过程对应多过程、单过程对应多因素中的电磁装置组合、匹配、高精密测量，才最终获得高平均流强的束流。各个过程和各个因素组合以后的效果比组合以前优越得多，解决了现有技术仅凭单一过程和单一因素测量、其测量结果存在很大误差和效率低的问题。取得了突出的实质性进步。
2、本发明从紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的磁场对称、磁场规划入手，并结合加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配、提高圈能量增益、提高轴向聚焦力、解决边缘场效应而提出的磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配等技术手段，通过构成紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的主磁铁组件与高频子系统、用于负氢粒子注入和引出的注入引出子系统、双层密封真空室的等系统整体集成过程中安装、组合、调试各个环节配合技术，解决了从束流注入、到加速、到引出各个环节的束流损失问题，通过将各个环节解决方案相互组合、相互依赖和相互支持，使得集成效果明显，尽可能降低了束流损失，取得了从量变到质变的飞跃。
3、本发明首创多场耦合紧凑区域内的中心区6D相空间束流匹配技术，解决了本领域长期以来的技术难题：即：国际首次突破了：从“（1）强流离子源高亮度（3-4mA/0.32pi mmmrad）负氢束流与（2）匹配纵向相空间的高频聚束器、（3）匹配横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜、（4）纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板，到（5）回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区”之间，进行6D相空间匹配的技术，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW：强流520μA/330μA=160%，弱流高达325%；从离子源到中心区1MeV内靶的注入效率：高于15%（500μA量级强流）、28%（50μA量级普通流强）。
4、本发明首次提出剥离膜角度的束流光学特性，发明了4D剥离靶引出技术，精准剥离每秒4百万亿个负氢离子成为质子；发明复合磁铁将剥离后能量70~100MeV的质子束传输到同一束流线；国际首次剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，提高效率至99%；国际领先；在国内大型
加速器领域，首次同时双向引出质子束，显著增加了强流回旋加速器的供束
时间，满足不同领域的需求。
5、本发明100MeV紧凑型负氢回旋加速器通过采用变气隙尺寸改变磁场指示特性，通过高精度电磁感应法的磁场测量装置测量特大型电磁铁真空下的磁场分布；通过高精度电磁感应法的磁场测量装置在国际上首次实现特大型电磁铁真空测量磁场分布，从而成功研制了国际质子束流功率最高52kW的紧凑型回旋加速器，从而成功研制了国际质子束流功率最高52kW的紧凑型回旋加速器。
附图说明
图1a为本发明高精密电磁组合测量方法原理图；
图1b为本发明基于高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加器原理图之一；
图1c为本发明基于高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加器原理图之二；
图2为紧凑型高平均流强负氢回旋加速器总体结构图；
图3为离子源注入线和磁铁中心轴线的偏差不超过0.1mm示意图；
图4为主磁铁中心与中心区的中心严格重合示意图；
图5为图4磁铁中心与中心区电结构的配合图；
图6为主磁铁盖板大孔相对位置示意图；
图7为主磁铁磁轭整体开孔的张角示意图；
图8为紧凑型高平均流强负氢回旋加速器磁铁磁场分布；
图9a为等效电感中心位置示意图；
图9b为等效电感中心位置及形状对圈能量增益的影响的示意图；
图10为本发明高能区加速电极的分布电容示意图；
图11为100MeV回旋加速能量与滑相关系示意图；
1：主磁铁磁极；1-1：磁场补偿镶条； 1-2：主磁铁中心区和磁场中心区； 2：主磁铁磁轭，3：主磁铁盖板；3-1；抽真空孔；3-2；高频大孔；4：主磁铁励磁线圈；5-高频腔体；5-1：等效电感；5-2：Dee板；6-中心区；7-双层密封真空室；8-径向靶，9：引出剥离靶；9-1：引出剥离靶偏离加速器中心点的位置；10：引出通道与引出开关磁铁；10-1：引出通道；10-2：引出开关磁铁；11：离子源注入线；11-1：离子源注入线轴线；11-2：三单元四极透镜；11-3：高频聚束器；11-4：螺线管透镜；11-5：中心区电极结构与螺旋形静电高压偏转板；12：加速器中心平面；13：加速器支撑柱。
具体实施方式
本发明原理
一、高精密电磁组合测量方法原理
1、高精密电磁组合测量方法贯穿了加速器的五个过程，所述加速器为紧凑型高平均流强负氢回旋加速器。加速器的结构就是一个由多个高精密的电磁装置组合而成的一个庞大电磁系统。高平均流强的紧凑型负氢回旋加速器依据强流负氢离子产生、强流负氢离子传输、强流负氢束流的注入、强流负氢离子束的加速、强流束流的引出五个步骤相关的各个电磁系统的配合而实现的，高精密电磁组合测量方法贯穿了紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的这五个步骤的整个过程，通过五个步骤电磁装置组合、匹配、高精密测量，才最终获得200μA以上高平均流强的束流。
2、五个过程和加速器结构的关系：如图3所示，第一个过程：强流负氢离子产生过程，所述“产生”是指离子源产生的源头。指通过严格同轴、严格重合的方法最大限度地将“产生于离子源”的粒子进入加速器，同轴度越大则进入的粒子越多，不同轴程度越大被阻碍的粒子则越多，如果不首先解决同轴同心问题，尽管后面做得再好，但进入加速器的粒子只有很少达不到预定的数量也不能真正产生高平均流强。该过程涉及加速器的结构为：离子源注入线11、主磁铁轴线、以及主磁铁组件中心点、中心区6的中心点；第二个过程：强流负氢离子传输过程，所述“传输”是指从离子源注入线11竖直向上到达加速器中心平面12之间的这段垂直路程的传输，该过程涉及加速器的结构为：三单元四极透镜11-2；高频聚束器11-3；螺线管透镜11-4；第三个过程：强流负氢束流的注入，所述“注入”是指粒子到达加速器中心平面12的瞬间90度转弯注入到加速器中心平面12束流轨道的过程，该过程涉及加速器的结构为：中心区电极结构11-5和磁聚焦结构；第四个过程：强流负氢离子束的加速过程。所述“加速”是指粒子90度转弯进入加速器中心区平面12后，从加速器小半径到大半径直至被引出前这段不断被加速的过程。该过程涉及加速器的结构为：主磁铁磁极1、主磁铁磁轭2、主磁铁盖板3、高频系统（高频系统包括：5-高频腔体；5-1：等效电感；5-2：Dee板；）。第五个过程：强流束流的引出过程。所述的“引出”就是将加速器大半径上已经具备引出能量的束流引出到加速器以外。该过程涉及加速器的结构为：引出剥离靶9、位于环形磁轭出口的引出通道10-1、引出开关磁铁10-2。
3、一对多组合测量原理。图1a中上面一行的五个方框代表束流在加速器流动的5个过程，下面一行7个方框代表造成束流损失的7个因素。所述一对多测量方法就是测量一种因素对于多个过程的影响。以下行左起第1个因素为例：同轴同心对于5个过程的影响。图1a中虽然只是标记了同轴同心对于其中3个过程的影响，但由于后面2个过程受到前面3个过程的影响，而前面3个过程都受到同轴同心的影响，所以后面2个过程也受到前面3个过程的影响。图中前3个过程是最为核心的东西，同轴同心对于离子束的传输影响是最大的，传输线做得再好，但同轴对位和同心对位没有做好，离子束还是传输不好；同样，同轴同心对于离子束的注入也是影响很大的，中心区点聚焦和磁聚焦结构做得再好，但同轴对位和同心对位没有做好，离子束进入中心平面的数量也很少，尽管后面做得再好也无济于事。因此，当测量五个过程任何一个过程束流损失时，首先要测量同轴同心，这就是一对多的测量原理。
4、多对一组合测量原理。测量多个因素对一个过程的影响就是多对一测量。以强流负氢离子束的加速过程为例：影响高能区粒子加速来自上一个过程诸多因素的影响，还来自自身过程多个因素的影响。来自自身过程的因素有3个，来自上个过程的因素有3个，所以测量影响强流负氢离子束的加速的因素一共有6个。测量时必须一一测量这6个因素。此为多对一组合测量原理。
二、紧凑型高平均流强负氢回旋加速器发明原理
本发明高精密电磁组合测量方法用于紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的结构，本发明紧凑型高平均流强负氢回旋加速器基于高精密电磁组合测量方法。
紧凑型高平均流强负氢回旋加速器尽可能降低束流从注入到引出各个环节束流损失的10个要点。图1b所示为本发明基于高精密电磁组合测量方法的强流负氢加速器的原理示意图，核心是从注入，到加速，再到最后引出的各个环节来保证强流的实现。如图2、图3、图4所示，不管是中心对中也好，还是磁场强度限制、加速器多场耦合紧凑区域内的中心区6与离子源注入线11的6D相空间束流匹配等等因素，都是保证束流在各个环节尽可能降低束流损失。所述束流损失产生的主要原因来自两个方面：其一是包括6D相空间束流匹配在内的非对中引起的注入和加速过程，非对称引起的加速过程，磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配的高平均流强束流引出过程，其二是磁场规划引起的洛伦兹剥离和非对称场的加速过程等。所有的配合集成组合使用的目的，就是减少各个环节的束流损失而达到高平均流强负氢加速器的实现的目的。本发明提炼的10个要点的相互配合技术，分别解决了束流从注入到加速到引出各个环节的束流损失难题，最终实现200μA以上高平均流强的最终目标。
2、如图1c所示，10个要点也归结为解决四类问题以及所对应的四个模块，这四个模块通过高平均流强引出这个总目标实现桥接关系。四个模块包括解决磁场非对中非对称引起的注入和加速过程束流损失问题模块、解决磁场规划引起的洛伦兹剥离导致束流损失问题模块、解决粒子纵向偏离加速器中心平面12导致束流损失问题的模块、解决引出区非线性效降低对束流束缚力导致束流损失问题的模块。
所述桥接关系就是四个模块之间虽然没有直接的关系，但是每个模块对于强流引出这个总目标的单独影响会干扰和影响另一个模块对强流引出这个总目标的单独影响：解决磁场非对称和非均匀虽然是独立问题，但如果不能保证磁场的均匀性和对称性，即使将纵向偏离加速器中心平面12的粒子拉回中心平面，虽然被拉回中心平面上的粒子增多了，但由于磁场不均匀、磁场应该高能的地区没有实现高能仍然会影响束流的引出，因而仍然会降低提高轴向聚焦力的效果；解决磁场高能区洛仑兹剥离问题虽然是独立问题，但如果不能遏制洛仑兹剥离造成的束流损失，即使引出区解决了非线性效应问题、加强了对于束流的约束力，但由于束流一部分已经被损失掉，被约束的只是那部分没有被洛仑兹剥离的粒子，使得解决边缘场效应的效果并不明显；
四个模块内部的子模块之间也存在桥接关系：虽然各个子模块之间没有直接的关系，但是每个子模块对于该模块的单独影响会干扰和影响另一个子模块对该模块的单独影响。解决开孔补偿问题虽然是独立问题，但开孔补偿是为了保证磁场的均匀性和对称性，如果不能保证同轴同心，即便开孔补偿达到了要求仍然会因为非同轴非同心而达不到磁场对称和磁场均匀的效果，因此，同轴同心子系统间接地影响了开孔补偿子系统；控制高频腔等效电感5-1中心位移提高圈能量增益子系统虽然是独立子系统，但如果加速器的高能区的场强不能控制在1.35T以内，过高的场强使得洛伦兹剥离超出了控制范围和控制能力，因此，控制高能区磁场强度为1.35T子系统间接地影响了控制高频腔等效电感5-1中心位移提高圈能量增益子系统。
基于以上原理，本发明设计了一种高精密电磁组合测量方法，该方法用于紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，该方法中凡是涉及回旋加速器的结构特征请参考后面的回旋加速器的相关内容；
一种高精密电磁组合测量方法，该方法用于紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，包括以下步骤：
步骤一、强流负氢离子束产生过程的测量；
步骤二、强流负氢离子束传输过程的测量；
步骤三、强流负氢离子束注入过程的测量；
步骤四、强流负氢离子束加速过程的测量；
步骤五、强流负氢离子束引出过程的测量；
其特征在于：
所述步骤一强流负氢离子束产生过程的测量，包括以下环节：
Figure 30480DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点 严格重合的测量；
所述步骤二强流负氢离子束传输过程的测量，包括以下环节：
Figure 24981DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点 严格重合的测量；
Figure 103795DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量；
所述步骤三强流负氢离子束注入过程的测量，包括以下环节：
Figure 601773DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点 严格重合的测量；
Figure 904578DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量；
Figure 855217DEST_PATH_IMAGE003
中心区磁场分布与中心区电极结构配合度的测量；
所述步骤四强流负氢离子束加速过程的测量，包括以下环节：
Figure 737722DEST_PATH_IMAGE004
主磁铁高能区最大磁场强度1.35T的测量；
Figure 418102DEST_PATH_IMAGE005
主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量；
Figure 360650DEST_PATH_IMAGE006
高频系统改变电感中心位置提高圈能量增益的测量；
所述步骤五强流负氢离子束引出过程的测量，包括以下环节：
Figure 798585DEST_PATH_IMAGE007
引出区边缘场和束流引出轨道束流光学匹配度的测量。
补充说明：
所述中心区包括：中心区电极结构、螺旋形静电高压偏转板、磁聚焦结构，所述磁聚焦结构为中心区磁聚焦结构；所述高能区为加速器大半径区域；所述低能区为加速器小半径区域；
所述环节
Figure 750360DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区 的中心点严格重合的测量，具体如下：
在主磁铁的加工安装过程中，采用加工与装配穿插作业，装配时不断用先进的激光跟踪仪检测设备对零件关键点进行检测与确定，既要保证离子源注入线轴线与主磁铁轴线同轴技术要求，同轴偏差不超过0.1mm，又要保证主磁铁中心与中心区的中心的严格重合、偏差不大于0.1mm，然后通过霍尔效应器件来测量磁场的分布，测量磁场均匀性和对称性。
实施例1（如图2、图3、图4、图5所示）：本环节采用先进的激光跟踪仪检测设备对主磁铁轴线与离子源注入线11进行同轴测量，同轴偏差不超过0.1mm；采用先进的激光跟踪仪检测设备对主磁铁中心与中心区6的中心的进行重合测量，偏差不大于0.1mm，通过霍尔效应器件来测量磁场的分布，测量磁场均匀性和对称性。
所述环节
Figure 222930DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量，具体过程如下：
1）强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与纵向相空间的高频聚束器匹配测量，通过频谱测量装置测量聚束器的高频频率和回旋加速器的高频频率；
2）强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜匹配测量，基于霍尔效应器件测量匹配磁场；
3）传输的高亮度负氢离子束流与纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板匹配测量，进行中心区电场的电场分布测量；进行螺旋形静电高压偏转板的电压测量和电压分布测量；
4）传输的高亮度负氢离子束流与回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配测量；
实施例2（如图2、图3、图5所示）：本环节中的中心区6与离子源注入线11的6D相空间束流匹配度的测量均是通过安装在回旋加速器小半径处的测试束流流强的内靶来完成测量的，束流内靶安装在回旋加速器束流传输和注入及能量加速到1MeV位置处。具体如下：1）采用回旋加速器束流内靶对强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与纵向相空间的高频聚束器11-3匹配测量，首先通过频谱测量装置测量聚束器的高频频率和回旋加速器的高频频率要严格保持一致，然后通过高压探头装置测量聚束器的高压，最后根据束流内靶上测试的束流流强大小的变化，进行亮度负氢离子束流与纵向相空间的高频聚束器11-3匹配的调节；2）采用回旋加速器束流内靶对强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与传输过程横向聚焦力的螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2匹配测量，首先通过霍尔效应器件来测量螺线管透镜11-4和三单元四极透镜1的磁场大小，根据磁场大小设定提供磁场的励磁电流值，然后再通过测试弱电流信号的束流内靶元件对加速器传输的束流进行测量，根据测试的内靶束流流强大小变化，进行高亮度负氢离子束流与横向聚焦力的螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2匹配调节；3）采用回旋加速器束流内靶对传输的高亮度负氢离子束流与纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板11-5匹配测量，首先采用X射线法测量中心区电场的电场分布，然后对螺旋形静电高压偏转板11-5的进行电压测量和电压分布测量，最后再根据内靶上测试的束流大小的变化，进行对传输的高亮度负氢离子束流与纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板11-5匹配调节；4）采用回旋加速器束流内靶对传输的高亮度负氢离子束流与回旋加速器中心区6静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配测量，首先通过霍尔效应器件来测量回旋加速器中心区静态磁场分布，然后根据内靶上测试的束流大小的变化，进行对传输的高亮度负氢离子束流与回旋加速器中心区6静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配的调节。
所述环节
Figure 336379DEST_PATH_IMAGE003
中心区磁场分布与中心区电极结构配合度的测量，具体过程如下：
1）中心区电极结构和磁聚焦结构零部件的测量以及彼此相结合的测量，中心区电磁场特性的测量；
2）通过采用霍尔效应测试装置和核磁共振（NMR）装置来测量主磁铁磁体形成的磁场分布的测量，来实现共同提供足够强的轴向聚焦的测量；
3）轴向聚焦保证轴向可接受加速最大束团内粒子的轴向振荡幅度小于5mm的测量。
实施例3（如图2、图3、图5所示）：本环节中心区磁场分布与中心区电极结构配合度的测量，是通过中心区电极结构和磁聚焦结构零部件的测量以及彼此相结合的测量、中心区电磁场特性的测量实现的。通过中心区电极结构和磁聚焦结构零部件的加工精度的测量以及最终相结合的相对位置安装精度测量、安装在中心区6头部的高频电压和磁场测量相关的中心区电磁场特性的测量实现提供足够强的轴向聚焦的测量、通过安装在回旋加速器内部的径向靶8来测量最大束团内粒子的轴向振荡幅度。具体如下：（1）利用游标卡尺测量中心区6高频头部零部件、中心区电极结构和磁聚焦结构相结合的相对位置安装精度，安装精度控制在0.02mm；（2）通过测试X射线法测试得到安装在中心区提供电聚焦的高频头部电压分布，通过采用霍尔效应器件和核磁共振（NMR）装置对中心区6磁场的测量获得提供中心区轴向聚焦的磁场，通过测量得到的电压和磁场值测量得到电聚焦和磁聚焦共同提供足够强的轴向聚焦的测量；（3）通过安装在加速器内部的径向靶8对中心区6轴向束流轴向振荡幅度进行直接测量，通过调整轴向电和磁共同的聚焦作用，实现束流轴向振荡幅度控制在5mm以内的调节。
所述环节
Figure 527189DEST_PATH_IMAGE004
的主磁铁高能区最大磁场强度1.35T的测量，具体过程如下：
加速器磁铁结构形成的磁场在高能区最大不超过1.35T的测量，是通过霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置测量高能区磁场分布获得的，通过该方法对数函数地降低了负氢束流的洛伦兹剥离损失，保证了强磁场引起的洛仑兹剥离导致的束流损失控制在0.5%以内。
实施例4（如图2、图3、图5所示）：本环节采用霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置对主磁铁高能区最大磁场强度1.35T进行直接测量，将高霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置安装在回旋加速器高能区内，测量回旋加速器高能区（即大半径）的整个磁场的磁场分布，确定整个的磁场分布中磁场测量值不超过1.35T。
所述环节
Figure 751497DEST_PATH_IMAGE005
的主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量为：100MeV紧凑型负氢回 旋加速器通过采用变气隙尺寸改变磁场指示特性，通过高精度电磁感应法的磁场测量装置 测量特大型电磁铁真空测量磁场分布，从而成功研制了国际质子束流功率最高52kW的紧凑 型回旋加速器，所述变气隙是指改进磁极间的空气间隙，具体过程如下：
1）测量主磁铁盖板180度对称方向2个抽气孔大孔直径总长度为主磁铁变气隙尺寸的磁极直径长度四分之一；
2）测量四个大孔相互90度均匀分布、且每个大孔圆心到加速器中心点半径为270cm；
3）测量径向靶孔道沿180度对称开设、且它们中心点连线通过加速器中心点；
4）测量引出剥离靶孔道沿每组平行线两端对称开设、每组平行线分别偏离加速器中心点31.2厘米；
5）测量引出剥离靶孔道对称布设在每条径向靶孔道两侧，且每条径向靶孔道分别与两侧的引出剥离靶孔道的夹角为24度，每条径向靶孔道两侧的引
出剥离靶孔道之间的夹角为48度。
6）通过高精度电磁感应法的磁场测量装置测量特大型电磁铁真空下的磁场分布，以实现主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量。
实施例5（如图2、图3、图5、如图6）：本环节主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量是利用高精度激光跟踪仪来测量的，具体过程如下：1）首先利用激光跟踪仪建立坐标系，测量紧凑型负氢回旋加速器主磁铁改进磁极间的空气间隙的磁极变气隙尺寸，测量主磁铁盖板3的2个高频大孔3-2坐标，180度对称方向，偏差不超过0.01mm，然后测量2个抽气大孔（轴真空孔3-1）坐标，测量大孔直径和大孔中心，偏差不超过0.01mm，最后利用建立的坐标系测量直径总长度和主磁铁磁极1直径长度，测量确认大孔直径总长度为主磁铁磁极1直径长度四分之一，偏差不超过0.01mm。2）利用激光跟踪仪围绕加速器盖板中心建立坐标系，然后测量四个大孔相互90度均匀分布、且每个大孔圆心到加速器中心点半径为270cm，测量偏差不超过0.01mm。3）利用激光跟踪仪围绕加速器中心建立坐标系，测量径向靶8孔道沿180度对称开设、且它们中心点连线通过加速器中心点，测量偏差不超过0.01mm；4）利用激光跟踪仪围绕加速器中心建立坐标系，测量引出剥离靶9孔道沿每组平行线两端对称开设、每组平行线分别偏离加速器中心点31.2厘米，测量偏差不超过0.01mm；5）利用激光跟踪仪围绕加速器中心建立坐标系，测量引出剥离靶9孔道对称布设在每条径向靶8孔道两侧，且每条径向靶8孔道分别与两侧的引出剥离靶9孔道的夹角为24度，每条径向靶8孔道两侧的引出剥离靶9孔道之间的夹角为48度，测量精度为0.05度；6）采用高精度电磁感应法的磁场测量装置，讲磁场测量装置安装在回旋加速器内，然后抽真空，在真空环境下下测量特大型电磁铁真空下的磁场分布，以实现主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量。
所述环节
Figure 344153DEST_PATH_IMAGE006
的高频系统改变电感中心位置提高圈能量增益的测量，具体过程如 下：
1）改变等效电感中心位置提高圈能量增益的测量；具体为：利用频谱分析仪进行的高频频率的测量、基于X射线法测试高频射频场的电压分布、调整等效电感中心的位置、将等效电感中心的位置前移提高高能区圈能量增益的测量；
2）为克服圈能量增益而带来的热损耗的测量，具体为：减小腔体尾部和后部侧边的分布电容降低欧姆损耗、提高腔体热稳定性的测量;
3）实现消除束腔相互作用带来的附加相移的负反馈增益电路的设计和实时反馈信号的测量：具体为通过增强高频低电平相位环路的负反馈增益设计、高频低电平相位环路的负反馈增益等电路信号的信号处理系统的测量，来减小低能束流滑相对腔体造成的附加相移。
实施例6（如图9a、图9b、图10所示）：本环节通过安装等效电感5-1中心位置精确定位的电子尺来精确测量等效电感5-1中心位置的改变量，利用频谱分析仪进行的高频频率的测量，通过X射线法测量回旋加速器加速的高频射频场电压分布，通过改变等效电感5-1中心位置而测量加速的电压变化，从而实现提高圈能量增益的测量（离子加速的圈能量增益和电压成正比）；通过测量腔体尾部和后部侧边的分布电容的变化，实现减小腔体尾部和后部侧边的分布电容降低欧姆损耗、提高腔体热稳定性的测量；通过增强高频低电平相位环路的负反馈增益设计及高频低电平相位环路的负反馈增益等电路信号的信号处理系统的测量实现实时反馈信号的自动测量，实现消除束腔相互作用带来的附加相移。
所述环节
Figure 628503DEST_PATH_IMAGE007
的引出区边缘场和束流引出轨道束流光学匹配度的测量，具体过程 如下：
1）主磁铁引出区边缘场与引出轨道的束流光学匹配测量：通过霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置测量引出区边缘场磁场分布，然后通过磁场分布计算引出束流轨迹而实现引出轨道束流光学的匹配；
2）剥离膜角度的束流光学匹配测量：改变剥离膜角度后通过电流测量方法进行引出束流强度的精确测量；
3）采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场的磁场测量和束流线光学总体进行匹配测量；
4）精确地计算加速器的引出束流轨迹，从而保证了高平均束流流强的引出。
实施例7：本环节引出区边缘场和束流引出轨道束流光学匹配度的测量，是通过对引出区的边缘场进行直接测量和安装在加速器出口处的引出法拉第对引出束流的流强大小测量得到的。具体过程如下：1）采用霍尔效应装置（通常为霍尔探头）的高精度电磁感应法的磁场测量装置对主磁铁引出区的边缘场分布进行直接测量，将高精度霍尔效应装置安装在回旋加速器磁场测量装置，测量回旋加速器引出区域（从大半径到加速器外）的整个引出区域的磁场MAP，确定整个引出区域MAP中磁场值，根据测量的边缘场进行引出轨道的束流光学匹配；2）通过安装在加速器出口处的基于电流测量方法进行引出束流强度的精确的引出法拉第对引出束流的流强大小测量，根据引出法拉第筒测试的束流流强大小来调节剥离膜角度，实现剥离膜角度的束流光学匹配测量；3）通过对引出区域的边缘场测量和安装在加速器出口处的引出法拉第对引出束流的流强大小测量相结合的方法，实现剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配测量；从而精确地计算加速器的引出束流轨迹，保证了高平均束流流强的引出。
本发明还设计了一种基于以上高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加速器。
一种基于高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加速器如图2-图11所示，包括用于产生主磁场的主磁铁、该主磁铁包括主磁铁组件；还包括用于给负氢束流加速的高频子系统、用于负氢粒子注入和引出的注入引出子系统、双层密封真空室；所述主磁铁组件径向从外到内分为三层：外层为柱形的主磁铁磁轭2以及柱形主磁铁磁轭2上端面和下端面的主磁铁上盖板3和主磁铁下盖板3，该主磁铁上盖板3和主磁铁下盖板3上布设有多个抽真空孔3-1；内层为围绕加速器中心点布设的主磁铁磁极1，所述主磁铁磁极1共8个、上下两个平面各4个、且每个平面的多个主磁铁磁极1周向间隔均匀布设；中间层为主磁铁励磁线圈4、该主磁铁励磁线圈4环绕在多个主磁铁1和主磁铁励磁线圈4之间的双层密封真空室7外壁上；所述主磁铁组件还设有主磁铁引出区，该引出区上设有引出通道10-1与引出开关磁铁10-2，该主磁铁引出区沿着径向从内到外穿过双层密封真空室7、主磁铁励磁线圈4、柱形主磁铁磁轭2；所述高频子系统分别布设在主磁铁每个平面的两两主磁铁磁极1之间且180度对称布设；所述注入引出子系统包括离子源注入线11及引出剥离靶9；所述的主磁铁磁轭2周向从外向内整体开孔，分别开设有多个用于径向靶8的径向靶孔、以及多个用于引出剥离靶9的剥离引出靶孔9；通过构成紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的主磁铁组件与高频子系统、用于负氢粒子注入和引出的注入引出子系统、双层密封真空室7的组合和配合技术，实现紧凑型高平均流强负氢回旋加速器注入、加速和引出高平均流强的目标；所述的高平均流强是指加速器引出的最终束流流强在200μA以上；所述的平均束流流强是指等时性加速器获得的束流流强；所述主磁铁为主磁铁子系统；
其特点是：
主磁铁轴线与离子源注入线11严格同轴的配合技术、该严格同轴为基于边装配边加工方法实现的严格同轴；所述主磁铁组件中心点与中心区6的中心点为严格重合配合、该严格重合为基于边装配边加工方法实现的严格重合；所述中心区6为回旋加速器中心区；
加速器多场耦合紧凑区域内的中心区6与离子源注入线11的6D相空间束流匹配技术如图3、图5所示，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW（束流功率为束流能量与流强的乘积）；所述的多场耦合紧凑区域内的中心区6D相空间束流匹配是由产生强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流分别与纵向相空间的高频聚束器11-3匹配、横向聚焦力的螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2匹配、纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板11-5匹配、回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配；
主磁铁中心区磁场分布与中心区电极结构配合，中心区电极结构和磁聚焦结构相结合的组合配合效应、共同提供足够强的轴向聚焦，轴向聚焦保证轴向可接受加速最大束团内粒子的轴向振荡幅度小于5mm；
主磁铁引出区边缘场和被剥离的束流引出轨道的束流光学匹配技术，通过主磁铁引出区边缘场与引出轨道的束流光学匹配、剥离膜角度的束流光学匹配、采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器的引出束流轨迹，从而保证了高平均流强的束流引出；
主磁铁高能区的磁场强度被严格控制，加速器磁铁结构形成的磁场在高能区最大不超过1.35T，对数函数地降低了负氢束流的洛伦兹剥离损失，使得强磁场引起的洛仑兹剥离导致的束流损失控制在0.5%以内；
主磁铁盖板3大孔位置及尺寸同时满足获得高真空和获得强聚焦两者之间的综合效益关系；
主磁铁磁轭2整体开孔的张角与数量与磁铁励磁安匝数及径向靶8、剥离靶、开关磁铁的配合，同时又要兼顾这些设备在主磁铁磁轭2上的开孔位置对最终的主磁铁形成的磁场的影响，最终是对高平均流强束流加速和引出的影响；
主磁铁对加速器上开孔的主磁场的补偿技术：上下两个相对面上的每个主磁铁磁极1边缘均镶嵌有不规则形状的磁场补偿镶条1-1，该磁场补偿镶条1-1用于补偿主磁铁盖板3和主磁铁磁轭2开孔以后的磁场损失；
所述的高频子系统为通过改变等效电感5-1中心位置提高圈能量增益的子系统、以及克服了圈能量增益带来的热损耗的子系统、以及通过负反馈增益电路消除束腔相互作用带来的附加相移的子系统。
所述的组合和配合技术严格同轴和严格重合如图2、图3所示，具体为：在主磁铁子的加工安装过程中，采用加工与装配穿插作业，装配时不断用先进的激光跟踪仪检测设备对零件关键点进行检测与确定，既要保证离子源注入线11与主磁铁轴线同轴技术要求，同轴偏差不超过0.1mm，又要保证主磁铁中心与中心区6的中心的严格重合、偏差不大于0.1mm。
补充说明：
紧凑型高平均束流流强负氢回旋加速器的磁铁磁极共8个，上下两个平面各四个，强流负氢离子源和注入线安装在主磁铁磁极1的正下方（见图3所示）。在注入线与主磁铁匹配的过程中，为了保证注入束流的中心对称性，在加速器的整体设计和安装调试组合集成全过程中既要保证离子源注入线11与主磁铁轴线同轴，同轴偏差不超过0.1mm，又要保证主磁铁中心与中心区6的中心的严格重合，偏差不大于0.1mm，见图3所示和图4所示。在主磁铁的加工安装过程中，采用加工与装配穿插作业，将尺寸和形状要求一致的零件与相关件（或专用工装）进行组装后在同一台高精度机床上加工。装配时不断用先进的激光跟踪仪检测设备对零件关键点进行检测与确定，根据检测结果对零件进行微调和微加工，使零件最终达到设计要求。另外为了确保在装配时各部件的位置精度达到技术要求，也设计了专用的调整工装还设计了专用的吊装、翻转工装。加速器磁铁的安装过程中，采用自行设计工装设备和加工工艺，实现了小于0.05mm的加工精度、小于0.1mm的装配精度、相对室内靶标在高度方向小于0.10 mm和角向小于0.20 mm的安装精度。在加速器离子源和注入线部件安装过程中，由于整体安装精度要求同轴度达到0.1mm，因此采用激光跟踪仪和有机剥离靶进行检验，若达不到则需进行微调，直到满足要求。在安装中心区6时候，设计了专用的定位工装，利用工装把中心区安装在主磁铁下半部分的中心位置，安装精度达到0.1mm。
所述的加速器多场耦合紧凑区域内的中心区6与离子源注入线11的6D相空间束流匹配技术如图2、图3、图5所示，实现综合调试获得平均束流流强为520μA，具体为：从“（1）强流离子源高亮度为3-4mA/0.32pi mm mrad负氢束流与（2）匹配纵向相空间的高频聚束器11-3、（3）匹配横向聚焦力的螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2、（4）纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板11-5，到（5）回旋加速器中心区6静态磁场等效的6D相空间稳定区”之间，进行6D相空间匹配的技术，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW；聚束效率：强流520μA/330μA=160%，弱流高达325%；从离子源到中心区1MeV内靶的注入效率：高于15%为500μA量级强流、28%为50μA量级普通流强。
补充说明：
紧凑型高平均流强负氢回旋加速器离子源为强流负氢离子源如图3所示，注入线主要包括横向聚焦元件螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2，纵向聚束元件高频聚束器11-3，以及螺旋形静电高压偏转板11-5等装置组成（见图2所示离子源注入线11、中心区6部分）。加速器多场耦合紧凑区域内的中心区66D相空间束流匹配技术是由产生强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流分别与纵向相空间的高频聚束器11-3匹配、横向聚焦力的螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2匹配、纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板11-5匹配、回旋加速器中心区6静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配技术来共同协调组合完成的。
所述的加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配技术如图3、图5所示，实现综合调试获得平均束流流强为520μA，具体为：从“（1）强流离子源高亮度为3-4mA/0.32pi mm mrad负氢束流与（2）匹配纵向相空间的高频聚束器11-3、（3）匹配横向聚焦力的螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2、（4）纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板11-5，到（5）回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区”之间，进行6D相空间匹配的技术，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW；聚束效率：强流520μA/330μA=160%，弱流高达325%；从离子源到中心区1MeV内靶的注入效率：高于15%为500μA量级强流、28%为50μA量级普通流强。
补充说明：
加速器多场耦合紧凑区域内的中心区6与离子源注入线11的6D相空间束流匹配技术如图2、图3、图5所示，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW。多场耦合紧凑区域内的中心区6与离子源注入线11的6D相空间束流匹配技术，就是指从离子源注入线11，到加速器中心平面12的束流传输过程的6D相空间束流匹配。依据加速器束流传输理论（也称为束流光学理论），用束流横向位置（水平和垂直平面）、角度变化（水平和垂直平面）、束流在运动方向（通常称为纵向）的动量和时间的六相空间维特征参数（即6D相空间）来表述。为此，场耦合紧凑区域内的中心区6与离子源注入线11的6D相空间束流匹配技术，具体为：从“（1）强流离子源高亮度（3-4mA/0.32pi mm mrad）负氢束流与（2）匹配纵向相空间的高频聚束器11-3、（3）匹配横向聚焦力的螺线管透镜11-4和三单元四极透镜11-2、（4）纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板11-5，到（5）回旋加速器中心区6静态磁场等效的6D相空间稳定区”之间，进行6D相空间匹配的技术，实现综合调试获得最高流强为520μA的国际同类装置中最高的束流功率52kW：强流520μA/330μA=160%，弱流高达325%；从离子源到中心区1MeV内靶的注入效率：高于15%（500μA量级强流）、28%（50μA量级普通流强）。
注释：此处离子源高亮度指的是离子源流强与发射度的比值，而发射度是指6D相空间中横向相空间（水平或者垂直方向位置和角度二维相平面）所占的面积。
所述中心区6的磁场分布与中心区电极结构配合技术如图2、图3、图5所示，具体为：磁场需要满足束流等时性加速要求，同时满足束流中心区6轴向约束要求；中心区电极结构需要完成90度偏转功能，和中心区6磁场一起提供足够强的轴向聚焦力。
补充说明：
中心区6束流的轴向聚焦，是强流回旋加速器的主要难点之一。中心区6安装于磁铁的中心位置。为了有效地增加中心区6束流的轴向聚焦，保证加速器中心区6变为聚焦束流，则必须要依据束流动力学计算结果仔细设计、加工、装配、调试中心区电极结构，规划中心区电极与主磁铁的相对位置与电场和磁场的匹配。图5显示了本发明的加速器磁铁中心的中心区6电极结构，图8显示了中心区6电极结构形成的电场分布与磁场分布。
所述的主磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道10的束流光学匹配技术如图4所示，具体为：从引出剥离靶9到加速器开关磁铁10-2之间的束流引出轨道的精确计算，必须与主磁铁的引出区域的边缘场相互配合，通过磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配、剥离膜角度的束流光学匹配、采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器引出束流沿着引出路径传输的六维相空间传输矩阵，从而精确计算引出束流轨迹，保证了高平均功率束流的引出；发明复合磁铁将剥离后能量70~100MeV的质子束传输到同一束流线；
补充说明：
在数值分析引出束流光学特性的过程中，往往采用多粒子跟踪的手段。则在加速器匹配时充分考虑了主磁铁引出区域的边缘场和被剥离引出轨道的六维束流光学匹配、通过磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配、剥离膜角度的束流光学匹配、采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器引出束流沿着引出路径传输的六维相空间传输矩阵，从而精确计算引出束流轨迹。匹配时由于考虑了主磁铁边缘场效应，同时发明复合磁铁，则引出束流轨道不再是线性效应，因此单纯的线性效应下的理论传输矩阵的匹配效应已经不再适用本专利申请的加速器系统。在考虑了边缘场下的非线性效应以后，束流从引出剥离靶9到加速器开关磁铁（即发明的复合磁铁）之间的传输矩阵的计算，是靠精确的多粒子数值模拟结果模拟而得到。得到了精确的六维束流相空间的传输矩阵，精确地获得加速器的引出束流轨迹。
依据加速器束流传输理论（也称为束流光学理论），用束流横向位置（水平和垂直平面）、角度变化（水平和垂直平面）、束流在运动方向（通常称为纵向）的动量和时间的六相空间维特征参数（即6D相空间）来表述（同上面的6D说明）。
所发展的回旋加速器引出区传输矩阵的数值计算方法。粒子在加速和传输过程的 物理参数可通过横向运动和纵向运动的六维相空间
Figure 41030DEST_PATH_IMAGE008
来表述，则依据加 速器学科通用的束流传输理论，粒子引出束流在运动过程的传输用传输矩阵表示为：
Figure 396925DEST_PATH_IMAGE009
这里，R 是传输矩阵，小标0表示的是束流传输的起始位置束流六维相空间参数。只要是获得了传输矩阵R，即可获得粒子在传输过程的各个位置的参数。在加速器束流传输理论中，束流传输矩阵R一般是通过规则的磁铁提供的标准磁场的线性传输理论来直接计算得到。但是对于紧凑型高平均流强束流负氢回旋加速器的引出区域，磁场不再是标准的磁场，而且引入了发明的复合磁铁，则磁场沿着引出轨道呈非线性变化，存在非常严重的边缘场，因此无法按照线性理论而直接获得。为了实现引出强流束流的传输，就必须要严格控制引出区域的束流损失，必须通过引出区域的数值解来获得束流传输矩阵R，同时考虑剥离膜角度的束流光学匹配。为此，就选择特殊的粒子作为初始条件：粒子1的坐标为(1,0,0,0,0)，粒子２的坐标为(0,1,0,0,0)，…，如此类推，同时利用传输矩阵的辛映射理论条件，就得到引出区域全部的6维传输矩阵R的数值解。得到了数值解以后，通过主磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配和采用4D剥离靶引出精确调节匹配技术，严格控制了引出区域束流传输的束流损失，从而保证了引出强流束流传输到加速器外的技术要求，精准剥离每秒4百万亿个负氢离子成为质子，并且在发明的复合磁铁共同配合下将剥离后能量70~100MeV的质子束传输到同一束流线。
注释：约束是靠六维传输矩阵，传输矩阵的好坏是靠主磁铁引出区边缘场、发明的复合磁铁和被剥离引出轨道的束流光学匹配来获得的。此处的采用4D剥离靶引出精确调节匹配技术，指的是剥离靶沿着加速器半径方向、角度方向、剥离靶旋转、剥离膜角度调节四个方向的精确调节匹配。
主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量如图6所示，所述主磁铁盖板3大孔位置及尺寸具体为：在强流负氢紧凑型回旋加速器主磁铁上、下盖板上设计了给真空室抽真空专用的四个对称的500mm口径的大孔，其中2个为180度对称方向的抽真空大孔3-1、另外2个为180度对称方向的高频大孔3-2， 180度对称方向的2个抽真空大孔3-1直径总长度为主磁铁磁极1直径长度四分之一；同时还兼顾主磁铁盖板3大孔位置及尺寸在获得高真空和获得强聚焦之间的综合效益关系设计大孔的位置和角度：该四个大孔相互90度均匀分布、且每个大孔圆心到加速器中心点半径为270cm。
补充说明：
流强为200μA的H-粒子流在加速腔内加速时，由于真空剥离会引起一定的束流损失，不但会降低加速束流效率，而且损失的H-粒子会活化加速器部件，产生放射性剂量，影响加速器的正常运行和维护。本专利申请的紧凑型高平均流强负氢回旋加速器设计要求真空剥离引起的束流损失控制在0.5%内，则对应的粒子加速腔内的真空度要求好于5×10- 8mbar。为了满足强流束流的加速和降低束流损失的要求，主真空系统真空室选用了双层密封结构，从而有效地提高真空度，双层密封结构见图2中标号7所示。
所述主磁铁磁轭2整体开孔的具体位置和角度如图7所示，具体为：径向靶8孔道沿180度对称开设、且它们中心点连线通过加速器中心点；引出剥离靶孔道9沿每组平行线两端对称开设、每组平行线分别偏离加速器中心点31.2厘米；引出剥离靶孔道9对称布设在每条径向靶孔道8两侧，且每条径向靶孔道8分别与两侧的引出剥离靶孔道9的夹角为24度，每条径向靶8孔道两侧的引出剥离靶孔道之间的夹角为48度。
补充说明：
磁铁励磁安匝数、径向靶8、剥离靶、开关磁铁等原件是紧凑型高平均流强负氢回旋加速器组成的必不可少的部分。在加速器整体集成安装调试的时候，既要考虑这些部件的位置及相互配合，同时又要考虑这些设备在主磁铁磁轭2上的开孔位置对最终的主磁铁形成的磁场的影响，最终是对强流束流加速和引出的影响。在本专利申请中，为了有效地保持等时性磁场以保证强流束流的加速和引出，则通过反复计算和模拟，确定了主磁铁磁轭2整体开孔的张角与磁铁励磁安匝数及径向靶8、剥离靶、开关磁铁的配合，配合的具体位置和参数见图7所示。
所述的高频子系统5为通过改变等效电感5-1中心位置提高圈能量增益的子系统如图2、图9a、图9b所示，具体为调整等效电感5-1中心的位置，来提高高能区圈能量增益；所述等效电感5-1形状可由单个截面为椭圆形跑道型、圆角梯形跑道型等效电感5-1构成，也可由多个粗细相同或不同的圆形等效电感5-1等效构成。
补充说明：
为提高平均流强负氢回旋加速器中高能区的圈能量增益，本质上需要寻找一种有效办法，实现回旋加速器中高频腔的等效电感5-1中心的前移，并加宽该中心沿加速半径方向的宽度，进而形成沿离子加速半径递增的加速场梯度。图9a、图9b比较了a,b,c三种等效电感5-1中心的位置和宽度对加速场梯度分布的形状的影响。图中的a的等效电感5-1中心最靠后，c的等效电感5-1中心最靠前。从图9b看出，由于每条曲线的等效电感5-1中心电压最低，而两端距离等效电感5-1中心越远的地方电压越高，所以在锥形腔体内，等效电感5-1中心前移越多，靠近腔体尾部的电压越高。从9b的c曲线看出，当等效电感5-1c的中心比a、b等效电感5-1中心更加前移的时候，其所形成的加速场梯度分布的形状符合加速强流负氢离子所需的沿离子加速半径递增的加速场梯度。等效电感5-1中心前移分为二步，第一步是等效电感5-1前移，第二步是等效电感5-1的形状尽量接近锥形腔体的形状，等效电感5-1形状尽量接近锥形腔体形状，一方面由于和腔体形状接近前移得更多，另一方面使得等效电感5-1中心的电位置也尽量靠前。因为等效电感5-1中心的位置和电压大小有关。当等效电感5-1形状接近锥形腔体形状时，就需前面的等效电感5-1细后面的等效电感粗，细的一端电压相比粗的一端更高，这样等效电感5-1中心就更加接近细的一端，按照中心低两边高的曲线形状，腔体尾部的电压就更高。具体实现上，形状位置类似c的等效电感5-1分布，可由前后粗细相等的截面为椭圆形跑道型、等直径多个圆形组成，也可由前细后粗的截面为圆角梯形跑道、直径不等的多个圆形组成。
所述的高频子系统为克服圈能量增益带来的热损耗的子系统如图9a、图9b所示，具体为减小腔体尾部和后部侧边的分布电容，来降低欧姆损耗，提高腔体热稳定性。
补充说明：
采用图9a中c型等效电感5-1分布，在提高等时性强流负氢回旋加速器高能区圈能 量增益的时候，会带来腔体后部损耗过大的缺点，会造成腔体冷却回路难设计，局部温度过 高导致形变严重等缺点，进而会导致高频系统运行不稳定，加速场梯度时有时无的问题。要 克服这样的问题，本质上需要减少高能区加速电极的分布电容，关键点有二。如图10所示， 5-2为高频腔体5内的Dee板5-2，5为高频腔体5外壳，5-2和5之间为电容。可根据平行板电容 公式近似：
Figure 578508DEST_PATH_IMAGE010
，其中d为5-2和5之间的距离，当距离d加大时，由于面积S不变，所以电 容C减小。腔体与该电容相关的欧姆损耗可近似为
Figure 768181DEST_PATH_IMAGE011
，其中I是电容上的充放电电 流。高频周期一定时，该电流的大小取决于单次充放电电量Q。由于
Figure 199162DEST_PATH_IMAGE012
，U为Dee电压， 当C减小，电量Q减小。高频周期一定时，电流I也随之减小，因而欧姆损耗P就减小，由此解决 腔体后部损耗过大的缺点。
减小电容的具体操作如图10所示，区域1的分布电容参与腔体谐振，但不能为离子加速提供场梯度，因此应尽力减小该区域的电容量，采取的办法就是区域1的距离在腔体范围内尽量加大。本质上讲，在不改变与之相临区域的高频特性阻抗的条件下，仅仅降低该区域高频高压电极5与地电极5-2之间的相对面积S，或增大二者之间的距离（距离d加大），可降低该区域的等效集中参数模型的充放电电流。由于欧姆损耗等比于趋肤深度内的高频电阻与充放电电流的平方的乘积，因此显著降低腔体后部的损耗。区域2的分布电容参与腔体谐振，也能够为粒子加速提供场梯度，因此适当增加该区域的宽度，可减少减小该区域的电容量。综上所述，在提高等时性强流负氢回旋加速器高能区圈能量增益后，应进一步优化上述两区域的分布电容量，方能克服高频损耗大，系统不稳定的缺点，进而构成一个可用的系统。
所述的高频子系统为通过负反馈增益电路消除束腔相互作用带来的附加相移的子系统如图11所示，具体为通过增强高频低电平相位环路的负反馈增益，来减小低能束流滑相对腔体造成的附加相移，才能真正做到加速强流负氢束流至中等能量。
补充说明：
仅仅设计上述腔体依然是不能满足强流负氢加速器的实际要求的。制约之处在于，低能区加速的束流，一般采用负滑相加速，高能区域往往滑相在正相位（以-25度为标准相位，负滑相可为-40度左右，正滑向可接近0度），出现正负滑相的情况是等时磁场的作用。这就导致在低能区相位选择加速的所有负氢离子相对高频处于负相位，而这样的束流在高流强时具有较大的功率。前数百圈束流积累的功率在后面数百圈加速时，由于180度对称布设的两个高频腔体5相互作用，会导致负相位束流功率对腔体加速电场相位的影响。这在100MeV回旋加速器的强流调试过程中得到了体现，例如流强为400μA时，低能区束流滑相对180度对称布设的两个腔体相位造成了约10度的偏差。流强为500μA时，造成了对180度对称布设的两个腔体相位15度的偏差。而在流强为比较低为100μA以下时，相位偏差不明显。当两个高频腔体5出现较大的相位偏差时，就会降低高频腔体5对束流的加速作用，使得一部分束流得不到应有加速而不能进入下一圈螺旋形轨道、造成在下一圈螺旋形轨道上一部分束流丢失。这样的两个腔体相互作用造成的相移需要提高高频低电平相位环路的负反馈增益来消除两个腔体的相位偏差、达到两个腔体相位的一致和稳定。
如图11所示，是100MeV高频系统的总体框图。与一般的加速器相比，强流负氢回旋加速器的高频系统需要更大的相位控制增益，才能够完成两个独立驱动腔体的相位关系锁定。具体实现该功能的图中的PD数字监相器、DSP、幅度和相位调制器，他们相互关联，组合成了相位负反馈环路。PD用于探测、比较腔体与外部信号源的相位差，在强流回旋加速其中，因为束流需要更多的功率，因而该部分增加了两级对数放大，较普通回旋的对应部分有更高的动态范围。在DSP中的数字PID是实现负反馈控制的核心，他的增益根据束流相位冲击进行了参数调整，这样的参数与该回旋滑相和束流负载有关，与普通回旋差异很大。最后矢量调制器是实现相位调整的机构，因为强流回旋需要在稳场的同时稳相，从高频低电平系统他激控制方式的工作原理来说无法避免两回路的串扰，因而100MeV的该部分注重增加了正交优化，这是从工艺上避免高束流负载时交叉调制的唯一办法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种高精密电磁组合测量方法，该方法用于紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，包括以下步骤：
步骤一、强流负氢离子束产生过程的测量；
步骤二、强流负氢离子束传输过程的测量；
步骤三、强流负氢离子束注入过程的测量；
步骤四、强流负氢离子束加速过程的测量；
步骤五、强流负氢离子束引出过程的测量；
其特征在于：
所述步骤一强流负氢离子束产生过程的测量，包括以下环节：
Figure 855030DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点严格重 合的测量；
所述步骤二强流负氢离子束传输过程的测量，包括以下环节：
Figure 592042DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点严格重 合的测量；
Figure 521952DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量；
所述步骤三强流负氢离子束注入过程的测量，包括以下环节：
Figure 951796DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心点严格重 合的测量；
Figure 990159DEST_PATH_IMAGE002
中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量；
Figure 265283DEST_PATH_IMAGE003
中心区磁场分布与中心区电极结构配合度的测量；
所述步骤四强流负氢离子束加速过程的测量，包括以下环节：
Figure 564546DEST_PATH_IMAGE004
主磁铁高能区最大磁场强度1.35T的测量；
Figure 899712DEST_PATH_IMAGE005
主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量；
Figure 628634DEST_PATH_IMAGE006
高频系统改变电感中心位置提高圈能量增益的测量；
所述步骤五强流负氢离子束引出过程的测量，包括以下环节：
Figure 379552DEST_PATH_IMAGE007
引出区边缘场和束流引出轨道束流光学匹配度的测量。
2.根据权利要求1所述一种高精密电磁组合测量方法，其特征在于：
所述环节
Figure 877530DEST_PATH_IMAGE001
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴、主磁铁组件中心点与中心区的中心 点严格重合的测量，具体如下：
在主磁铁的加工安装过程中，采用加工与装配穿插作业，装配时不断用激光跟踪仪检测设备对零件关键点进行检测与确定，既要保证离子源注入线轴线与主磁铁轴线同轴技术要求，同轴偏差不超过0.1mm，又要保证主磁铁中心与中心区的中心的严格重合、偏差不大于0.1mm，然后通过霍尔效应器件来测量磁场的分布，测量磁场均匀性和对称性。
3.根据权利要求1所述一种高精密电磁组合测量方法，其特征在于：所述环节
Figure 180335DEST_PATH_IMAGE002
中心区 与离子源注入线6D相空间束流匹配度的测量，具体过程如下：
1）强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与纵向相空间的高频聚束器匹配测量，通过频谱测量装置测量聚束器的高频频率和回旋加速器的高频频率；
2）强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流与横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜匹配测量，基于霍尔效应器件测量匹配磁场；
3）传输的高亮度负氢离子束流与纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板匹配测量，进行中心区电场的电场分布测量；进行螺旋形静电高压偏转板的电压测量和电压分布测量；
4）传输的高亮度负氢离子束流与回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配测量。
4.根据权利要求1所述一种高精密电磁组合测量方法，其特征在于：所述环节
Figure 130973DEST_PATH_IMAGE003
中心区 磁场分布与中心区电极结构配合度的测量，具体过程如下：
1）中心区电极结构和磁聚焦结构零部件的测量以及彼此相结合的测量，中心区电磁场特性的测量；
2）通过采用霍尔效应测试装置和核磁共振（NMR）装置来测量主磁铁磁体形成的磁场分布的测量，来实现共同提供足够强的轴向聚焦的测量；
3）轴向聚焦保证轴向可接受加速最大束团内粒子的轴向振荡幅度小于5mm的测量。
5.根据权利要求1所述一种高精密电磁组合测量方法，其特征在于：所述环节
Figure 931921DEST_PATH_IMAGE004
的主磁 铁高能区最大磁场强度的测量，具体过程如下：
加速器磁铁结构形成的磁场在高能区最大不超过1.35T的测量，是通过霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置测量高能区磁场分布获得的，通过该方法对数函数地降低了负氢束流的洛伦兹剥离损失，保证了强磁场引起的洛仑兹剥离导致的束流损失控制在0.5%以内。
6.根据权利要求1所述一种高精密电磁组合测量方法，其特征在于：所述环节
Figure 284404DEST_PATH_IMAGE005
的主磁 铁开孔和高真空度综合效益的测量为：100MeV紧凑型负氢回旋加速器通过采用变气隙尺寸 改变磁场指示特性，通过高精度电磁感应法的磁场测量装置测量特大型电磁铁真空下的磁 场分布，得到了束流功率最高52kW的紧凑型回旋加速器，所述变气隙是指改进磁极间的空 气间隙，具体过程如下：
1）测量主磁铁盖板180度对称方向2个抽气孔大孔直径总长度为主磁铁变气隙尺寸的磁极直径长度四分之一；
2）测量四个大孔相互90度均匀分布、且每个大孔圆心到加速器中心点半径为270cm；
3）测量径向靶孔道沿180度对称开设、且它们中心点连线通过加速器中心点；
4）测量引出剥离靶孔道沿每组平行线两端对称开设、每组平行线分别偏离加速器中心点31.2厘米；
5）测量引出剥离靶孔道对称布设在每条径向靶孔道两侧，且每条径向靶孔道分别与两侧的引出剥离靶孔道的夹角为24度，每条径向靶孔道两侧的引出剥离靶孔道之间的夹角为48度；
6）通过高精度电磁感应法的磁场测量装置测量特大型电磁铁真空下的磁场分布， 以实现主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量。
7.根据权利要求1所述一种高精密电磁组合测量方法，其特征在于：所述环节
Figure 226953DEST_PATH_IMAGE006
的高频 系统改变电感中心位置提高圈能量增益的测量，具体过程如下：
1）改变等效电感中心位置提高圈能量增益的测量，具体为：利用频谱分析仪进行的高频频率的测量、基于X射线法测试高频射频场的电压分布、调整等效电感中心的位置、将等效电感中心的位置前移提高高能区圈能量增益的测量；
2）为克服圈能量增益而带来的热损耗的测量，具体为：减小腔体尾部和后部侧边的分布电容降低欧姆损耗、提高腔体热稳定性的测量;
3）实现消除束腔相互作用带来的附加相移的负反馈增益电路的设计和实时反馈信号的测量。
8.根据权利要求1所述一种高精密电磁组合测量方法，其特征在于：所述环节
Figure 336991DEST_PATH_IMAGE007
的引出 区边缘场和束流引出轨道束流光学匹配度的测量，具体过程如下：
1）主磁铁引出区边缘场与引出轨道的束流光学匹配测量：通过霍尔效应装置的高精度电磁感应法的磁场测量装置测量引出区边缘场磁场分布，然后通过磁场分布计算引出束流轨迹而实现引出轨道束流光学的匹配；
2）剥离膜角度的束流光学匹配测量：改变剥离膜角度后通过电流测量方法进行引出束流强度的精确测量；
3）采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场的磁场测量和束流线光学总体进行匹配测量；
4）精确地计算加速器的引出束流轨迹，从而保证了高平均束流流强的引出。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述的一种高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，包括用于产生主磁场的主磁铁，该主磁铁包括主磁铁组件；还包括用于给负氢束流加速的高频子系统、用于负氢粒子注入和引出的注入引出子系统、双层密封真空室；所述主磁铁组件径向从外到内分为三层：外层为柱形的主磁铁磁轭以及柱形主磁铁磁轭上端面和下端面的主磁铁上盖板和主磁铁下盖板，该主磁铁上盖板和主磁铁下盖板上布设有多个抽真空孔；内层为围绕加速器中心点布设的主磁铁磁极，所述主磁铁磁极共8个、上下两个平面各4个、且每个平面的多个主磁铁磁极周向间隔均匀布设；中间层为主磁铁励磁线圈、该主磁铁励磁线圈环绕在多个主磁铁和主磁铁励磁线圈之间的双层密封真空室外壁上；所述主磁铁组件还设有主磁铁引出区，该引出区上设有引出通道与引出开关磁铁，该主磁铁引出区沿着径向从内到外穿过双层密封真空室、主磁铁励磁线圈、柱形主磁铁磁轭；所述高频子系统分别布设在主磁铁每个平面的两两主磁铁磁极之间且180度对称布设；所述注入引出子系统包括离子源注入线及引出剥离靶；所述的主磁铁磁轭周向从外向内整体开孔，分别开设有多个用于引出剥离靶的径向靶孔、以及多个用于引出剥离靶的剥离引出靶孔；通过构成紧凑型高平均流强负氢回旋加速器的主磁铁组件与高频子系统、用于负氢粒子注入和引出的注入引出子系统、双层密封真空室的组合和配合技术，实现紧凑型高平均束流流强负氢回旋加速器注入、加速和引出高平均流强束流的目标；所述的高平均流强是指加速器引出的最终束流流强200μA以上；所述的平均束流流强是指等时性加速器获得的束流流强；所述主磁铁为主磁铁子系统；
其特征是：
主磁铁轴线与离子源注入线严格同轴的配合技术、该严格同轴为基于边装配边加工方法实现的严格同轴；所述主磁铁组件中心点与中心区的中心点为严格重合配合、该严格重合为基于边装配边加工方法实现的严格重合；所述中心区为回旋加速器中心区；既要保证离子源注入线轴线与主磁铁轴线同轴技术要求，同轴偏差不超过0.1mm，又要保证主磁铁中心与中心区的中心的严格重合、偏差不大于0.1mm；
加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配技术，实现综合调试获得最高流强为520μA，获得束流功率52kW；所述的多场耦合紧凑区域内的中心区6D相空间束流匹配是由强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流分别与纵向相空间的高频聚束器匹配、横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜匹配、纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板匹配、回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配；
主磁铁中心区磁场分布与中心区电极结构配合技术，中心区电极结构和磁聚焦结构相结合的组合配合、共同提供足够强的轴向聚焦，轴向聚焦保证轴向可接受加速最大束团内粒子的轴向振荡幅度小于5mm；
主磁铁引出区边缘场和被剥离的束流引出轨道的束流光学匹配，通过主磁铁引出区边缘场与引出轨道的束流光学匹配、剥离膜角度的束流光学匹配、采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器的引出束流轨迹，从而保证了高平均束流流强的引出；
主磁铁高能区的磁场强度被严格控制，加速器磁铁结构形成的磁场在高能区最大不超过1.35T，对数函数地降低了负氢束流的洛伦兹剥离损失，使得强磁场引起的洛仑兹剥离导致的束流损失控制在0.5%以内；
主磁铁盖板大孔位置及尺寸同时满足获得高真空和获得强聚焦两者之间的综合效益关系；主磁铁磁轭整体开孔的张角与数量与磁铁励磁安匝数及径向靶、剥离靶、开关磁铁的配合，同时又要兼顾这些设备在主磁铁磁轭上的开孔位置对最终的主磁铁形成的磁场的影响，最终是对强流束流加速和引出的影响；
主磁铁对加速器上开孔的主磁场的补偿技术：上下两个相对面上的每个主磁铁磁极边缘均镶嵌有不规则形状的磁场补偿镶条，该磁场补偿镶条用于补偿主磁铁盖板和主磁铁磁轭开孔以后的磁场损失;
所述的高频子系统为通过改变等效电感中心位置提高圈能量增益的子系统、以及克服了圈能量增益带来的热损耗的子系统、以及通过负反馈增益电路消除束腔相互作用带来的附加相移的子系统。
10.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：所述的严格同轴和严格重合，具体为：在主磁铁的加工安装过程中，采用加工与装配穿插作业，装配时不断用激光跟踪仪检测设备对零件关键点进行检测与确定。
11.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：所述的加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配技术，实现综合调试获得平均束流流强为520μA，具体为：从（1）强流离子源高亮度为3-4mA/0.32pi mmmrad负氢束流与（2）匹配纵向相空间的高频聚束器、（3）匹配横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜、（4）纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板，到（5）回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间，进行6D相空间匹配的技术，实现综合调试获得最高流强为520μA，获得束流功率52kW；聚束效率：强流520μA/330μA=160%，弱流高达325%；从离子源到中心区1MeV内靶的注入效率：高于15%为500μA量级强流、28%为50μA量级普通流强。
12.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：所述的主磁铁中心区磁场分布与中心区电极结构配合技术，具体为：磁场需要满足束流等时性加速要求，同时满足束流中心区轴向约束要求；中心区电极结构完成90度偏转功能，和中心区磁场一起提供足够强的轴向聚焦力。
13.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：所述的主磁铁引出区边缘场和被剥离的束流引出轨道的束流光学匹配，具体为：从引出剥离靶到加速器开关磁铁之间的束流引出轨道的精确计算，必须与主磁铁的引出区域的边缘场相互配合，通过磁铁引出区边缘场和被剥离引出轨道的束流光学匹配、剥离膜角度的束流光学匹配、采用4D剥离靶引出技术，将剥离膜角度、引出区边缘场和束流线光学总体进行匹配，精确地计算加速器引出束流沿着引出路径传输的六维相空间传输矩阵，从而精确计算引出束流轨迹，保证了高平均流强束流的引出；复合磁铁将剥离后能量70~100MeV的质子束传输到同一束流线。
14.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：主磁铁开孔和高真空度综合效益的测量，具体为：所述主磁铁盖板大孔位置及尺寸具体为：在强流负氢紧凑型回旋加速器主磁铁上、下盖板上设计了给真空室抽真空专用的四个对称的500mm口径的大孔，其中2个为180度对称方向的抽真空大孔、另外2个为180度对称方向的高频大孔，180度对称方向的2个抽真空大孔直径总长度为主磁铁磁极直径长度四分之一；同时还兼顾主磁铁盖板大孔位置及尺寸在获得高真空和获得强聚焦之间的综合效益关系设计大孔的位置和角度：该四个大孔相互90度均匀分布、且每个大孔圆心到加速器中心点半径为270cm。
15.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：所述主磁铁磁轭整体开孔的具体位置和角度为：径向靶孔道沿180度对称开设、且它们中心点连线通过加速器中心点；引出剥离靶孔道沿每组平行线两端对称开设、每组平行线分别偏离加速器中心点31.2厘米；引出剥离靶孔道对称布设在每条径向靶孔道两侧，且每条径向靶孔道分别与两侧的引出剥离靶孔道的夹角为24度，每条径向靶孔道两侧的引出剥离靶孔道之间的夹角为48度。
16.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于： 所述的高频子系统为通过改变等效电感中心位置提高圈能量增益的子系统，具体为调整等效电感中心的位置，来提高高能区圈能量增益；所述等效电感形状由单个截面为椭圆形跑道型、圆角梯形跑道型等效电感构成，或者由多个粗细相同或不同的圆形等效电感等效构成。
17.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：所述的高频子系统为克服圈能量增益带来的热损耗的子系统，具体为减小腔体尾部和后部侧边的分布电容，来降低欧姆损耗，提高腔体热稳定性。
18.根据权利要求9所述的一种紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，其特征在于：所述的高频子系统为通过负反馈增益电路消除束腔相互作用带来的附加相移的子系统，具体为通过增强高频低电平相位环路的负反馈增益，来减小低能束流滑相对腔体造成的附加相移，才能真正做到加速强流负氢束流至高功率。
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