CN112098735B - 强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器 - Google Patents

强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器，用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,包括以下步骤：强磁场高频场的整体参数的匹配设置测试；平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配设置测试；磁场与高频系统与工作路径间匹配设置测试；离子源与中心区高频腔匹配设置测试；中心区高频腔与主磁铁芯柱匹配设置测试；该加速器为小型化高剂量中能超导回旋加速器，包括超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构、主真空系统与离子源以及超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构、从离子源到中心区到加速区到引出区全过程的束流匹配结构。本发明采用各个环节的配合技术，从整体效应上解决了小型化、高剂量的新问题。

Description

强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器
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，尤其涉及一种强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器。
背景技术
回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，在各行各业均有广泛地应用。回旋加速器相对于其它类型的加速器，有束流连续的优势，可提供更高的质子束流强。根据国际粒子治疗协作组（PTCOG）的统计数据，目前国际上100多套在用、在建的质子治疗系统，世界上73%以上采用回旋加速器。
小型化质子治疗系统容易进行规模管理，同时也意味着更低的用地和建造成本，有助于质子治疗在更多中小医院的推广，扩大质子全球治疗的可用性和可能性。
在小型化的设计要求下，很多常规大型加速器中实现高剂量的结构和设计都无法实施，原因在于小型化和高剂量本身就是一对矛盾，在超导回旋加速器中，小型化整体参数目标对象主要为主磁铁和超导磁体，高剂量整体参数目标对象为主磁铁、超导磁体和高频腔，当主磁铁和超导磁体小型化以后，加速器整体尺寸也小型化，在整体尺寸小型化情况下实现高剂量，难点集中在小型化以后的强磁场和高频场的耦合上，主要难点如下：
1）超导强磁场系统与高频系统间的强磁场与高频场的耦合是实现小型化、高剂量的难点之一，这种的难度体现在以下几个方面：
a）强磁场高频场整体参数的匹配是难点的第一个方面。强磁场高频场整体参数的很大程度了决定了加速器的整体性能。过分追求小型化，高频腔的布局将受到空间和性能上的限制，加速器剂量率无法提升；而过分追求高频腔射频场的性能的提升，加速器很难做到小型化。因而，在众多可选参数中，兼顾磁场对称性、加速相位、轴向聚焦和圈能量增益等多项目标优化，选择合适的磁场强度、谐波数、主磁铁和高频腔布局相关的参数，有较大的技术难度。解决这个难点的测量，涉及到：通过核磁共振（NMR）装置和霍耳效应器件来测量磁场的大小，确保磁场的稳定和合适的磁场范围；借助核磁共振（NMR）装置（NMR）和使用感应装置，进行磁场分布的绘制；采用X射线探测仪进行电场分布的测量；通过频率测量装置测量高频场的频率，确认最佳的高频场的加速相位。
b）平衡高频电压对称性与轴向聚焦的匹配是实现小型化、高剂量的难点的第二个方面。超导回旋加速器由于引入了超导磁体磁场、调变度的下降必须通过增大磁极的螺旋度来弥补。而增大磁极的螺旋度必然导致高频腔射频场的电压的左右对称性变差，影响加速器束流品质。传统超导回旋加速器过分追求轴向聚焦强度而牺牲了高频场的电压的对称性，是导致加速器剂量率无法提升的原因之一。为了实现高频场的电压对称性和轴向聚焦两者间的平衡，需要进行磁极螺旋度和高频腔间整体结构的匹配，如何将磁极螺旋度和高频腔匹配得当，有较大的技术难度。解决这个难点的测量，涉及到：基于电磁场特性的测量，确认合适的加速器轴向聚焦；磁极螺旋度对轴向聚焦效应影响的测量；采用X射探测仪进行电场分布的测量，分析高频场的电压对称性；测试加速器剂量率的提升。
c）磁场、高频系统与工作路径间的匹配是实现小型化、高剂量的难点的第三方面。小型化、高剂量必然产生回加速器工作路径的共振。当束流穿越共振时，此处的误差磁场将会使束流包络成倍的放大，从而使束流无法引出；而在共振无法避免时，应想办法通过磁场规划提高共振穿越的速度，如何规划磁场、提高共振穿越的速度有较大的技术难度。解决这个难点的测量，涉及到：使用感应装置测量磁场大小、完成磁场分布的绘制，计算并画出加速器的工作路径和共振穿越线；基于电压测量，测试高频射场的电压分布对束流剂量率的影响。
2）从离子源到中心区的强磁场与高频场的耦合是实现小型化、高剂量的难点之二，这种的难度体现在以下几个方面：
a）内部离子源引出束流的流强和尺寸是决定加速器剂量的关键因素之一。采用大的离子源等离子室的开口可以引出强流束，但束流初始尺寸较大，后续过程中束流会逐渐发散，从而很大部分束流无法引出；而采用较小的离子源等离子室的开口开口则需要更高的电压才能被拉出，但极小空间下离子源极易与高频腔电极发生打火，离子源与高频腔电极的距离及电压大小的选择需要权衡。如何实现狭小空间下离子源与高频腔电极的匹配，有较大技术难度。解决这个难点的测量，涉及到：综合基于离子源与外围电极轮廓的尺寸、距离测量和基于电压测量，进行中心区高频高压打火的临界测试。
b）小型化加速器极狭小空间下中心区的设计即要考虑束流能量增益、加速相位，又要考虑轴向聚焦等多重因素，在极狭小空间下布置多组高频腔头部的位置，即要保证不同头部间的距离、降低打火风险，也要保证束流穿越加速间隙时的轴向聚焦效果，如何设计主磁铁芯柱保证束流穿越加速间隙时的轴向聚焦效果，有较大的技术难度。解决这个难点的测量，涉及到：中心区多个形成的中心区电磁场特性的测量；基于电压测量，分析束流进入高频场的电压变化；评估中心区束流加速效率和聚焦效应，完成中心区束流匹配的性能测试。
除上述强磁场与高频场的耦合以外，解决小型化高剂量难点还体现在以下方面：
3）与离子源、超导强磁场系统和高频系统之间的匹配是实现小型化、高剂量的难点之三。这种的难度体现在以下几个方面：
a）小型化回旋加速器必须采用内部PIG离子源，为了保证足够的流强，工作时必须通入大量的氢气以在离子源腔内形成强大的等离子体，这将给加速器真空室内带来大量的气体，需要仔细设计匹配离子源的气流量和真空度，如何即满足离子源强度又满足真空度要求，有较大的技术难度；
b）主真空室往往占用空间较大，会较大程度上提升加速器的整体规模，影响加速器小型化的实现；如何合理匹配主真空室和主磁铁的结构设计有较大的技术难度；
c）小型化加速器的束流十分密集，为了减小圈重叠和增大引出圈间距，往往在四组谷区内都装有高频腔；常规的两组高频腔加速方案，可以留有两个谷区大孔进行抽真空，另两组装有高频腔的谷区大孔径进行高频馈入；因而，在有四组高频腔的情况下，常规的布局方案就并不适用了，真空抽气必须通过在主磁铁盖板和高频腔外壳打孔实现，如何即不影响主磁铁和高频性能还能实现较大的抽速，有较大的技术难度。
4）从加速区到引出区全过程的束流匹配是实现小型化、高剂量的难点之四
a）束流加速过程中的束流调节方法一般有:固定式相位选择装置、移动式相位选择装置、束流调节棒。常规回旋加速器一般行使独立的功能，先进行卡束再进行束流对中调节，为了实现高引出效率，通过卡束后的束流仅有5~6度的相宽，剂量率难以提高。既要提高引出效率，又要确保高剂量率，有较大的技术难度。
b）引出区束流受到主磁铁边缘场的非线性效应，较快下降的边缘场可以使束流快速往外偏，从而迅速引出加速器外，但较大的磁场梯度会带来束流的快速发散，引出束流品质变差，导致加速器剂量率下降。而较慢的下降边缘场下，束流发散效应较小，但束流轨迹加长，如何优化引出磁场分布和高频腔外围结构，与束流轨迹匹配并控制束流尺寸对于小型化加速器设计有相当的难度。
综上，实现小型化高剂量的主要难点体现在强磁场和高频场的耦合上，围绕该难点的测试方法应该包括几类：强磁场与高频场整体参数匹配的测试、平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配测试、磁场与高频系统与工作路径间的匹配测试、离子源与中心区高频腔的匹配测试、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配测试。
以上几类匹配测试指标并非相互独立或能够被割裂，而是相互支持和相互依赖，其中测试任何一个耦合度是否达标都来自其他几类耦合度是否同时达标，因为它们共存于一个整体环境中，相互交织相互影响。如果脱离了整体环境去单一测试其中某一类的耦合度，由于测试时没有把整机环境的其它几类耦合因素考虑进去，一旦这类测试结果拿到整机环境中就会出现不适应、就是无效的。
现有技术存在的问题是：只是单独测试某个磁场变量、或者单独测试某个电场变量、或者单独测试某类耦合度，由于缺乏整体测试或协同测试的方法，最终不能解决小型化高剂量问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种强磁场高频场耦合测试法和基于该方法的超导回旋加速器，目的在于解决现有技术只是单独测试某个磁场变量、或者单独测试某个电场变量、或者单独测试某类耦合度，由于缺乏整体测试或协同测试的方法，最终不能解决小型化高剂量问题。
本发明为解决其技术问题采用以下技术方案
一种强磁场高频场耦合测试法，该测试法用于小型化、高剂量中能超导回旋加速器，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、强磁场高频场的整体参数的匹配设置测试；
步骤二、平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配设置测试；
步骤三、磁场与高频系统与工作路径间的匹配设置测试；
步骤四、离子源与中心区高频腔的匹配设置测试；
步骤五、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配设置测试；
所述的高频系统包括高频腔和高频电路。
所述步骤一的强磁场高频场的整体参数的匹配设置测试，具体过程为：
Figure 729809DEST_PATH_IMAGE001
采用核磁共振（NMR）装置和霍耳效应器件，在加速器中心点测量磁场的大小，保证磁场的稳定和磁感应强度范围为2.0T~2.5T；
Figure 646949DEST_PATH_IMAGE002
借助核磁共振（NMR）装置和使用感应装置，进行磁场分布的绘制；采用X射线探测仪进行电场分布的测量；测试加速器电磁场的四重对称性；
Figure 98790DEST_PATH_IMAGE003
采用频率测量装置测量高频场的频率，确保高频场的频率范围为60MHz~90MHz；测量谐波数，确保值为2，误差在万分之0.5范围内；从而使四组高频腔中间耦合使得两对高频场的相位相差180度，正好使束流经过下一组高频腔时处于0度相位。
所述步骤二的平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配设置测试，具体过程为：
Figure 494000DEST_PATH_IMAGE001
测试减小磁极的螺旋度后的轴向聚焦Vz、将轴向聚焦Vz控制在0.15~0.20的范围；
Figure 42793DEST_PATH_IMAGE002
采用X射线探测仪进行电场分布的测量，测试减小磁极螺旋度后，腔体入口和出口高频场的电压对称性；
Figure 865255DEST_PATH_IMAGE003
测试腔体入口和出口高频场的电压对称性提高后加速器剂量率。
所述步骤三的磁场与高频系统与工作路径间的匹配设置测试，具体过程为：
Figure 132289DEST_PATH_IMAGE001
基于加速器电磁场特性的测量，给出加速器的工作路径和低能区、高能区穿越的共振线；
Figure 127926DEST_PATH_IMAGE002
测量小半径和大半径高频场的电压提高后的加速器剂量率。
所述步骤四的离子源与中心区高频腔的匹配设置测试，具体过程为：
Figure 796805DEST_PATH_IMAGE001
测量离子源等离子室的内径、开口宽度和开口高度，确保三个尺寸分别为1~2mm、1~2mm和2~3mm；
Figure 790169DEST_PATH_IMAGE002
测量离子源等离子室的外部轮廓与高频电极的距离，确保离子源等离子室的外部轮廓与高频电极基本保持平行；
Figure 710544DEST_PATH_IMAGE003
测量离子源等离子室的开口与高频电极的距离，确保该距离为4~6mm；
Figure 447556DEST_PATH_IMAGE004
测量第一个高频电极的电压，确保该电压在60~80kV范围；基于电压测量，进行高频电压的临界测试，确保中心区电压远离打火区域。
所述步骤五的中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配设置测试，具体过程为：
Figure 705362DEST_PATH_IMAGE005
调整中心区主磁铁芯柱台阶的高度，进行电磁场特性的测量，使得束流进入加速器间隙时选择正的滑相；
Figure 135207DEST_PATH_IMAGE002
测量调整主磁铁芯柱台阶高度后束流进入加速器间隙和出加速器间隙时的高频场的电压，确保束流进入加速器间隙时的高频场的电压大于束流出加速器间隙时的高频场的电压，也就是高频场的电压随相位或时间是下降的；
Figure 376832DEST_PATH_IMAGE003
测量束流经过加速间隙的前半部分和后半部分的高频场的电压，确保束流经过加速间隙的前半部分的高频场的电压大于后半部分的高频场的电压，进行束流的聚焦性能测试，确保前半部分聚焦的力更大，后半部分散焦的力较小，总体是一个聚焦的作用。
一种基于强磁场高频场耦合测试法的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，包括用于产生磁场的超导强磁场系统，该超导强磁场系统包括主磁铁系统和超导磁体系统；还包括用于低能质子生成的离子源系统；给质子束流加速的高频系统；把束流引出到加速器外的引出区系统和提供加速器内部真空环境的主真空系统；所述离子源系统简称离子源；
所述主磁铁系统从上到下分为三个部分：上部分由上盖板和四扇螺旋形上磁极组成，下部分由下盖板和四扇与上磁极对应的螺旋形下磁极组成，中间部分为磁轭；
所述超导磁体系统由超导线圈、低温恒温器和液氦阀箱组成，超导线圈悬挂于低温恒温器内部，液氦阀箱安装于加速器侧边，通过管道与低温恒温器相连，为超导磁体提供低温液氦环境；
所述离子源由固定于加速器中心略偏心位置的等离子室和安装于加速器下中心孔的离子源支撑件组成，通过离子源支撑件的开孔对离子源通氢气和馈入高压；
所述高频腔，由三部分组成：分别为腔体外壳、DEE板和内杆，腔体外壳占据主磁铁内部所有的峰区、谷区空间和低温恒温器内壁一圈，内杆安装于腔体外壳谷区内部，DEE板由内杆支撑且处于腔体外壳谷区内；
所述引出区系统由相邻磁极峰区的两组静电偏转板和多组磁通道组成，束流引出所经之地贯穿了磁极边缘场、高频外圈间隙、低温恒温器和磁轭开孔；
所述主真空系统由低温恒温器内壁作为主真空室的内壁，上盖板、下盖板分别设置密封槽，通过加速器主磁铁谷区上下共8个大孔进行抽真空；
其特征在于：
该超导回旋加速器系统包括超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构、主真空系统与离子源以及超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构、从离子源到中心区到加速区到引出区全过程的束流匹配结构；
所述超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构，包括强磁场高频场的整体参数的匹配结构、平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配结构、磁场与高频系统与工作路径间的匹配结构；
所述主真空系统与离子源以及超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构，包括主真空系统与离子源的匹配结构、主真空系统与超导强磁场系统的匹配结构、主真空系统与高频系统的匹配结构；
所述从离子源、中心区、加速区到引出区全过程的束流匹配结构，包括离子源与中心区高频腔的匹配结构、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配结构、加速过程中的束流匹配结构、引出系统与磁场和高频腔的匹配结构。
所述强磁场高频场的整体参数的匹配结构，具体为：加速器中心磁场磁感应强度选择为2.0T~2.5T，加速器选择4对螺旋扇磁极，刚好利用主磁铁全部四个谷区安装4组高频腔，谐波数选择为2，四组高频腔中间耦合使得两对高频腔相位相差180度，正好使束流经过下一组高频腔时处于0度相位。
所述平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配结构，具体为： 减小磁极的螺旋度使轴向聚焦Vz控制在0.15~0.20的范围，从而达到高频电压对称性和轴向聚焦的最佳平衡。
所述磁场与高频系统与工作路径间的匹配结构，具体为：调整内杆位置前移，使加速器小半径和大半径处的高频腔电压较高，中间半径电压较低，所述小半径电压较高也就是中心区电压较高，所述大半径电压较高也就是加速器高能区电压较高。
所述主真空系统与离子源的匹配结构，具体为：通过离子源支撑件的离子源开口进行通气和馈入高压，逐级增加离子源通气量，每次增加后隔1~5分钟待高压锻炼稳定，观察质子束流量和真空度，在真空度好于5E-6mBar情况下，选择离子源引出流强大于100uA时的气流量。
所述主真空系统与超导强磁场系统的匹配结构，具体为：主真空室内壁采用10mm~40mm厚的磁性材料，用于调整中心平面的磁场分布；超导强磁场系统的上、下磁回路，同时用做主真空室的上盖板、下盖板；在超导强磁场系统的上、下磁回路， 即主真空室的上盖板、下盖板上开Ø200-400mm的8个大孔，真空规测量点的位置，选在超导强磁场系统漏磁场的盲区。
所述主真空系统与高频系统的匹配结构，具体为：主磁铁上盖板、下盖板上的8个大孔，既用于真空抽气，也用于高频腔的冷却回路；在覆盖在主磁铁上的高频腔外壳上打一系列小孔，高频馈管进入加速器主磁铁的拐角处，隔离真空的陶瓷窗的真空一侧，与真空系统严格匹配。
所述离子源与中心区高频腔的匹配结构，具体为：
离子源内径采用1~2mm直径，开口宽1~2mm、高2~3mm；离子源外部轮廓与高频电极基本保持平行， 离子源开口与高频电极距离保持在4~6mm，第一个高频电极电压保持为60~80kV。
所述中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配结构，具体为：中心区主磁铁芯柱设计为三台阶结构，调整台阶的高度，使得束流进入加速器间隙时选择正的滑相，所述正的滑相就是束流进入加速器间隙时的电压大于束流出加速器间隙时的电压，也就是电压随相位或时间是下降的，这样，束流经过狭缝的前半部分的电压大于后半部分，即前半部分聚焦的力更大，后半部分散焦的力较小，总体是一个聚焦的作用。
所述加速区加速过程中的束流匹配结构，具体为：加速过程中的束流匹配过程如下：1）中心区采用1mm宽度的双狭缝进行卡束，在选择20~30度大相宽束流同时，把发射度大于2 pi mm mrad的束流卡掉；2）调节由中心区调节棒带来的一次谐波振幅和相位，保证中心相位束流对中；3）后继采用相邻峰区位置的两套可移动相位选择器进行卡束，卡掉两侧对中较差和发射度较大的束流，留下约20度相宽的束流；4）引出位置的调节棒进一步对束流轨道进行偏移，使束流正好进入引出静电偏转板入口。
所述引出系统与磁场和高频腔的匹配结构，具体为：通过优化边缘磁场的下降速度，使束流先通过第一个谷区的上下DEE板尾部连接件内侧，后经过第一个偏转板偏转后，恰好经过下一个谷区上下DEE板尾部连接件和腔体外壳的气隙后，经多组磁通道聚焦，并从低温恒温器、磁轭孔道引出。
附图说明
图1a为本发明强磁场高频场测试方法原理图；
图1b为本发明基于强磁场高频场耦合测试方法的小型化高剂量超导回旋加速器框架图之一;
图1c为本发明基于强磁场高频场耦合测试方法的小型化高剂量超导回旋加速器框架图之二;
图2-1-1为本发明隐藏主磁铁的加速器总体示意图；
图2-1-2为本发明局部剖开的加速器总体示意图；
图2-1-3为本发明下半加速器示意图；
图2-2-1为本发明主磁铁示意图；
图2-2-2为本发明上半主磁铁示意图；
图2-3-1为本发明超导磁体示意图；
图2-3-2 为本发明超导磁体剖开示意图；
图2-4-1为本发明离子源主体剖开示意图；
图2-4-2为本发明离子源总装示意图；
图2-4-3本发明离子源支撑件示意图;
图2-5-1为本发明下半高频腔示意图;
图2-5-2为本发明高频系统剖开示意图；
图2-6-1为本发明引出系统示意图;
图2-7-1为本发明外圈束流运行示意图;
图2-7-2为本发明外圈束流示意图;
图3为本发明四扇磁极和高频腔平面布局示意；
图4为本发明磁极螺旋度示意；
图5为本发明加速器的工作路径，即（Vr, Vz）变化曲线，和主要穿越的共振线
图6为本发明为四组腔体的平均电压随着半径的变化；
图7为本发明束流穿越加速间隙时的轴向聚焦效应原理图；
图8为本发明优化主磁铁芯柱前后的束流相位和轴向聚焦Vz随着半径的变化曲线比较；
图9为本发明低能区双狭缝、低能区调节棒、可移动相位选择器和高能区调节棒的布局图；
图中：
2A:模拟束流；2A1：倒数第2圈束流；2A2:最外圈束流；2A3：引出束流；
2B:主磁铁；2B1：主磁铁上盖板；2B2:主磁铁上磁极；2B2-1：主磁铁峰区；2B2-2：主磁铁谷区；2B2-3：上芯柱；2B2-4：密封槽；2B3: 主磁铁上磁轭；
2C1：超导线圈；2C2：低温恒温器；2C3：液氦阀箱；
2D1：离子源等离子室；2D1-1：离子源开口；2D2：离子源支撑件；
2E:高频系统；2E1:腔体外壳；2E1-1:腔体外壳峰区；2E1-2:腔体外壳谷区；2E2：DEE板；2E2-1：上下DEE板尾部连接件；2E3：内杆；2E4：加速间隙；2E5：高频功率馈入装置；
2F1：磁通道；2F2：静电偏转板；
2G1:冷质量拉杆；2G2:主真空室；
3-1-1：主磁铁峰区磁极1；3-1-2：主磁铁峰区磁极2；3-1-3：主磁铁峰区磁极3；3-1-4：主磁铁峰区磁极4；3-2-1：主磁铁谷区高频腔1；3-2-2：主磁铁谷区高频腔2；3-2-3：主磁铁谷区高频腔3；3-2-4：主磁铁谷区高频腔4；3-3-1：腔体DEE板；3-3-2：腔体外壳侧边；3-3-3：束流进入腔体时的加速间隙；3-3-4：束流离开腔体时的加速间隙；3-4-束流运动方向及轨迹；
4-1：磁极；4-2：磁极中心线:4-3：磁极中心线某点处的切线；4-4：磁极中心线某点与中心点的连线；4-5：螺旋度；
5-1：加速器工作路径；5-2：Vr=1共振线；5-3：Vz=1共振线；5-4：Vr-Vz=1共振线；
6-1: 4组高频腔平均电压随半径的变化曲线；
7-1：束流进入方向；7-2：组成加速间隙的DEE板和腔体外壳；7-3：电场线；7-4：电压随加速相位（时间）的变化曲线；7-5：束流进入加速间隙时的电场方向；7-6：束流进入加速间隙时对应的相位和电压；7-7：束流出加速间隙时的电场方向；7-8：束流出加速间隙时对应的相位和电压；
8-1：调整主磁铁芯柱、束流滑相前的束流滑相曲线；8-2：调整主磁铁芯柱、束流滑相前的Vz×100曲线；8-3：调整主磁铁芯柱、调整束流滑相后的束流滑相曲线；8-4：调整主磁铁芯柱、束流滑相后的Vz×100曲线；
9-1-1:低能区狭缝1；9-1-2：低能狭缝2；9-1-1-1：狭缝通过束流的开口；9-2-1：低能区束流对中调节棒1；9-2-2：低能区束流对中调节棒2；9-2-3：低能区束流对中调节棒3；9-2-4：低能区束流对中调节棒4；9-3-1：可移动相位选择器1；9-3-2：可移动相位选择器2；9-4-1：高能区束流对中调节棒1；9-4-2：高能区束流对中调节棒2；9-4-3：高能区束流对中调节棒3；9-4-4：高能区束流对中调节棒4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步解释：
本发明设计原理和设计难点
一、本发明强磁场高频场耦合测试法原理
Figure 448693DEST_PATH_IMAGE006
强磁场高频场耦合测试方法总体构思
本发明解决小型化、高剂量环境下的测试方法思路为：从大到小、从主要到次要。所述的大和小、主要和次要是根据发明要解决的问题而来的，发明的初衷是小型化整机尺寸，所以就要找出决定超导回旋加速器小型化的主要因素，主要因素就是“大”、次要因素就是“小”，主磁铁体积占加速器体积的90%以上，所以小型化主要测试对象是主磁铁、以及主磁铁产生的强磁场；发明的目标是在小型化同时实现高剂量，所以就要找出决定超导回旋加速器高剂量的主要因素。高频腔用于给粒子加速，实现束流的高能量也就是高剂量，所以高剂量的主要测试对象是高频腔以及高频腔产生的高频场。由于强磁场会影响高频场，高频场也会影响强磁场，只有二者匹配适度才能真正实现强磁场和高剂量，因此，本发明从强磁场和高频场的耦合入手进行测试，解决实现小型化高剂量超导回旋加速器的主要矛盾。
Figure 92164DEST_PATH_IMAGE007
强磁场高频场耦合测试法设计原理
本发明采用测试链的方法，将强磁场高频场的多种耦合作为测试链中的每个环节，环环相扣，贯穿了小型化高剂量回旋加速器的全过程。测试环节包括：1）强磁场高频场整体参数的匹配设置测试；2）平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配设置测试；3）超导强磁场系统与高频系统与工作路径间的匹配设置测试；4）离子源与中心区高频腔的匹配设置测试；5）中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配设置测试。测试环节1）限定了后续测试环节的整体环境或边界，在失去测试环节1）的条件下，后续测试将没有意义。测试环节2）和3）决定了加速器的整体性能，本身也受到测试环节4）和5）中心区局部测试结果的影响。整个测试形成对小型化、高剂量超导回旋加速器中强磁场和高频场耦合性能的综合评价，相互影响并缺一不可。
二、基于该测试方法的超导回旋加速器设计原理
Figure 833855DEST_PATH_IMAGE008
基于该测试方法的超导回旋加速器总体构思
如图1c所示，设计小型化、高剂量回旋加速器分三步解决，第一步，从影响加速器尺寸的两个主要系统的尺寸参数入手，两个主要系统参数就是主磁铁系统尺寸参数和高频系统尺寸参数；第二步，由于两个主要系统的尺寸缩小，也要求真空室同步缩小，并且由于两个主要系统的尺寸缩小，使得加速器中心区空间将非常狭窄和拥挤，狭窄的空间难以保证抽真空达到理想值，于是小型化、高剂量的第二步解决真空室的小型化和真空室与其他环节的配合问题；第三步，解决因小型化、高剂量而带来的从中心区到引出区的束流匹配的新问题，具体从中心区到引出区划分四个步骤按照束流的运行顺序一一解决束流匹配的新问题。
Figure 562777DEST_PATH_IMAGE007
基于该测试方法的超导回旋加速器设计原理
1、强磁场高频场整体参数的匹配设置原理
如果是直边腔，左右结构对称，电压必然对称。而在螺旋腔情况下，内杆处的电压较低，离内杆越远，电压越高，束流进入高频腔间隙的位置和出高频腔间隙的位置两者离内杆的距离是不一样的，螺旋度越大，距离差别越大，所以电压越不对称。
原理：P=qBρ，P为粒子动量、q粒子电荷、B磁场、ρ为曲率半径。固定引出能量的情况下，磁场越强，主磁铁的半径越小，整体规模也越小，结构越紧凑。2.0~2.5T是超导强磁场系统与高频系统结构、性能综合平衡的效果，太小的磁场，加速器整体直径将远大于3m，小型化无从谈起；而过高的磁场，实现了小型化，但高频腔设计无法降低打火风险的情况下又满足高频电压对称性、高束流圈能量增益等关键特性，高剂量无法实现。
粒子的加速相位Ø=wrfT= wrf (θ/w0)=hθ，w0、wrf分别为粒子回旋频率和高频频率，谐波数h为高频频率与粒子回旋频率间的比值，θ为粒子所在的方位角。采用4组高频腔，两组高频腔角度差90度，谐波数选择2，对应高频频率为60~90MHz，一方面，高频频率与腔体体积成反比，对应高频频率正好与磁极谷区所留体积匹配，另一方面，粒子经过两组高频腔的加速相位差180度，与腔体本身相位差一致，保证粒子总在峰值电压处加速。若采用3扇叶片和3组高频腔的设计方案，虽然每组高频腔的设计空间更大，但电磁场不满足左右对称性；且腔体之间相位差为240度，加速效率受到影响；这些都会导致束流品质变差，无法达到高剂量。若仍采用四扇叶片、四组高频腔，但引入4次谐波，此时的高频频率减半，腔体体积加大（腔体体积越大，频率越低），加速器就很难实现小型化了。综合考虑，4扇叶片、4组高频腔和2次谐波是最佳的加速器整体参数配置。
2、磁场与高频系统与加速器工作路径间的匹配设置原理
如图5所示，图中的实线即（V r ,V z )随能量的变化连成线，即工作路径。图中的虚线即为共振线，当束流穿越共振线时，束流包络会由于电磁场引入的微小误差而迅速放大，一般的加速器物理设计要求避免穿越一些危害比较大的共振线。V r 、V z 分别表示径向和轴向的聚焦大小，可由下面两式表示：
Figure 641591DEST_PATH_IMAGE009
其中，R为半径，B z 为半径处平均磁场，
Figure 873990DEST_PATH_IMAGE010
为半径处的平均磁场梯度，F为磁场调变，
Figure 645636DEST_PATH_IMAGE011
为磁极螺旋度。[以上见张天爵、樊明武著 《回旋加速器物理与工程技术》 原子能出版社 2010年12月第一版]。从公式中可看出，V r 、V z 均与磁场的径向梯度有关。在小型化中能超导回旋加速器中，中间能量区域可以通过规划磁场梯度避免主要共振的穿越；而在中心区或叫低能量区，磁场梯度要用于规划束流滑相，引出区则需要利用磁场梯度来规划束流轨迹，这就导致低能区和高能区要穿越多条共振线，这些共振线的穿越在大型回旋加速器中是没有的。
为了使束流顺利穿越低能区和高能区的共振，解决方法是：通过优化内杆的位置，如图6所示，将低能和高能区电压提高，也就是中心区电压较高和高能区电压较高，即能使得束流快速穿越低能区和高能区共振线，又提高中心区和引出区圈能量增益，这些均有利于提高加速器剂量率。在实际的加速器，考虑到空间上造成的打火风险，中心区高频间隙较小，低能区电压设计为60~80kV，大半径间隙较大，电压可设计100~120kV，中间能量区域无共振穿越，电压可降到50kV甚至以下，加速器整体的加速圈数约为600圈，也不至于因整体电压偏高导致高频能耗太大。
3、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配设置原理
极狭小空间下中心区的设计即考虑束流能量增益、加速相位，又要考虑轴向聚焦等多重因素，中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配是一个多次迭代的过程。在极狭小空间下布置4组高频腔头部的位置，即要保证不同头部间的距离、降低打火风险，也要与束流的滑相匹配，使粒子经过每个腔体时均在0度高频相位加速。加速器中心区磁场调变度弱，也没有空间做螺旋度，磁场提供的轴向聚焦很弱，设计中心区三台阶芯柱结构，调整台阶的高度，使粒子在前3~5圈的滑相在0~20度范围内，而后加到0度相位附近，即使高频腔电场在前几圈提供一定的轴向聚焦力，又不过多牺牲加速效率。
束流经过加速间隙时获得的能量ΔE=qVcos(Φ)，q为电荷，V为电压峰值，Φ为束流的加速相位，当滑相越接近于0时，束流获得能量越高，即对应加速效率越高。而从轴向聚焦的角度，束流先通过加速间隙的前半部分，电场方向向下，轴向是聚焦的；而在通过后半部分加速间隙时，电场方向是向上的，轴向是散焦的；当束流经过加速间隙的相位Φ>0时，束流在加速间隙的前半部分所感受的电压要比后半部分强，因为聚焦作用大于散焦作用，电场对束流轴向的总体效应是聚焦的，相位Φ越大，电场的轴向聚焦作用越强烈。
如果仅从滑相最优（或加速效率）的角度，设计的滑相曲线如图8中曲线8-1所示，滑相在0附近，此时的轴向聚焦Vz较小。但如果把芯柱设计成三台阶，通过调整三个台阶的高度，引入一些滑相，使滑相接近20度，见如图8中的曲线8-3曲线所示，此时的轴向聚焦如如图8中曲线8-4所示，中心的轴向聚焦大幅提高。而滑相也仅提高了20度，不算太差。此外，后面即大半径的磁聚焦上来了，没必要引入电聚焦了，滑相再恢复到0度附近，以加速效率优先。以上中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配设置测试，平衡束流的加速效率和轴向聚焦，使束流通过中心区多个高频头部孔道后，保持较好的尺寸，是保证高剂量的重要一环。
基于以上发明原理，本发明设计了一种强磁场高频场耦合测试法，该测试法用于小型化高剂量超导回旋加速器，其特点是：包括以下步骤：
步骤一、强磁场高频场的整体参数的匹配设置测试；
具体过程为：
Figure 596275DEST_PATH_IMAGE012
采用核磁共振（NMR）装置和霍耳效应器件，在加速器中心点测量磁场的大小，保证磁场的稳定和磁感应强度范围为2.0T~2.5T；
Figure 275518DEST_PATH_IMAGE013
借助核磁共振（NMR）装置和使用感应装置，进行磁场分布的绘制；采用X射线探测仪进行电场分布的测量；测试加速器电磁场的四重对称性；
Figure 628002DEST_PATH_IMAGE014
采用频率测量装置测量高频场的频率，确保高频场的频率范围为60MHz~90MHz；测量谐波数，确保值为2，误差在万分之0.5范围内；从而使四组高频腔中间耦合使得两对高频场的相位相差180度，正好使束流经过下一组高频腔时处于0度相位。
实施例1：分别采用高精度核磁共振（NMR）装置和霍耳效应器件在加速器中心点测量磁场的大小：根据核磁共振（NMR）装置或霍耳效应器件的尺寸，设计专用夹具，固定仪器探头位置到加速器中心点，定位精确在0.1mm范围内，8小时内测量磁场，确保磁场稳定度在10-5，并确认磁感应强度范围在2.0T~2.5T范围内；这样的磁场范围，即保证了加速器整体规模较小，也留足了高频腔的空间，打火风险控制在可控的范围。
Figure 304971DEST_PATH_IMAGE013
借助核磁共振（NMR）装置和使用感应装置，进行磁场分布的绘制；采用X射线探测仪进行电场分布的测量；测试加速器电磁场的四重对称性；
实施例2：磁场四重对称性测试：采用核磁共振（NMR）装置和感应装置进行磁场测量，设计小型感应线圈，尺寸可以精确反应线圈体积内中心点的磁场；固定角度，线圈沿着径向运动，通过感生电动势的变化获得径向的磁场分布；移动感应线圈从0~360度，可以获得每一个角度的磁场；根据测量数据完成磁场分布的绘制，比较0-90度，90-180度，180-270度，270-360度四个角度范围的磁场，通过比较四者之间的差值可衡量磁场的四重对称性。
电场四重对称性测试：通过测量高压电极发射X射线的最大能量，可以则得高频场的电压；通过X射探测仪测量高频腔不同半径位置发射X射线的能量，测得四种高频腔电压随着半径的变化曲线，比较四组高频腔电压曲线之间的差值可衡量电场的四重对称性。
Figure 742905DEST_PATH_IMAGE014
采用频率测量装置测量高频场的频率，确保高频场的频率范围为60MHz~90MHz；测量谐波数，确保值为2，误差在万分之0.5范围内；从而使四组高频腔中间耦合使得两对高频腔射频场的相位相差180度，正好使束流经过下一组高频腔射频场的0度相位，保证了最好的加速效率。
实施例3：通过频率测量装置测量高频场的频率wrf，确认频度范围为60~90MHz；根据以上感应线圈测量的磁场分布，输入到束流动力学计算软件中求得粒子的回旋频率，从而谐波数h=wrf /w0，h必须等于2（误差在万分之0.5以内），才能保证粒子在经过每个高频腔时接近峰值电压加速。
步骤二、平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配设置测试；
具体过程为：
Figure 163522DEST_PATH_IMAGE012
测试减小磁极的螺旋度后的轴向聚焦Vz、将轴向聚焦Vz控制在0.15~0.20的范围；
Figure 291884DEST_PATH_IMAGE013
采用X射线探测仪进行电场分布的测量，测试减小磁极螺旋度后，腔体入口和出口高频场的电压对称性；
Figure 405334DEST_PATH_IMAGE014
测试腔体入口和出口高频场的电压对称性提高后加速器剂量率。
实施例4:
测量步骤如下：1）根据三坐标测量仪测量磁极形状，由此得到的磁极中心线，再由磁中心极求得磁极的螺旋度
Figure 127302DEST_PATH_IMAGE015
随半径R的变化曲线；2）根据以上测得的磁场计算磁场梯度
Figure 351610DEST_PATH_IMAGE016
和调变度F随半径的变化曲线；3）由公式
Figure 413107DEST_PATH_IMAGE017
计算轴向聚焦V z ，确保V z 保持在0.15~0.2范围内。4）在Vz不在0.15~0.2范围内时，可以通过磁极侧边45度倒角非对称加工的方式，引入对螺旋度的微调，通过多次迭代调整使Vz保持在0.15~0.2范围。
Figure 431879DEST_PATH_IMAGE013
采用X射探测仪进行电场分布的测量，测试减小磁极螺旋度后，腔体入口和出口高频射场的电压对称性的提高；
实施例5:
固定X射线探测仪的位置，可以得到高频腔射频场的入口和出口的电压随着半径的变化曲线，两条曲线求差值，根据差值大小可以衡量电压对称性。设计较小螺旋度和较大螺旋度的两组高频腔，分别比较两组腔体的这两组差值，可以确认高频场的电压对称性的提高。
Figure 844405DEST_PATH_IMAGE014
测试腔体入口和出口高频场的电压对称性提高后加速器剂量率的提高。
实施例6:
根据以上两组不同大小螺旋度高频腔测得的电场分布，输入束流动力学计算软件。离子源等离子室出口取尺寸相同、流强为1uA的束流，在两种不同电场分布下、由束流动学软件距离离子源出口束流到加速器引出的情况，比较两种情况加速器引出的流强，确认加速器剂量率的提高。
步骤三、磁场与高频系统与工作路径间的匹配设置测试；
具体过程为：
Figure 872404DEST_PATH_IMAGE012
基于加速器电磁场特性的测量，给出加速器的工作路径和低能区、高能区穿越的共振线；
Figure 460512DEST_PATH_IMAGE013
测量小半径和大半径高频场的电压提高后的加速器剂量率。
实施例7:
1）使用核磁共振（NMR）装置和感应装置测量磁场分布，完成磁场分布的绘制；根据以上测得加速器磁场分布和螺旋度
Figure 650185DEST_PATH_IMAGE018
，计算
Figure 346745DEST_PATH_IMAGE019
和调变度F，由以下公式求解V r 、V z :
Figure 912856DEST_PATH_IMAGE020
其中，R为半径，Bz为磁场。由以上（V r ，V z ）数据，以Vr为横坐标，Vz为纵坐标连成曲线线，即为加速器的工作路径；2）在图像上画不同正整数a、b、c情况下由方程a*Vr+b*Vz=c表示的直线，当（V r ，V z ）数据曲线与直线相交时，表示工作路径穿越的该共振线，记录所有的共振线，确认加速器主要共振线仅在低能区和高能区穿越。
Figure 948945DEST_PATH_IMAGE013
测量小半径和大半径高频场的电压提高后加速器剂量率的提高。
实施例8:
采用两组不同的电压曲线：1）一组为随半径电压为常数60kV的高频射场的电压曲线；2）一组小半径70kV，中间半径60kV，大半径110kV的高频射场的电压曲线。两组电压曲线输入束流动力学计算软件，均对束流从离子源出口跟踪加速器引出，比较两种情况加速器引出的流强，确认加速器剂量率的提高。
步骤四、离子源与中心区高频腔的匹配设置测试；
具体过程为：
Figure 309519DEST_PATH_IMAGE012
测量离子源等离子室的内径、开口宽度和开口高度，确保三个尺寸分别为1~2mm、1~2mm和2~3mm；
实施例9:
采用游标卡尺进行测量，测量误差在0.01mm以内。
Figure 696638DEST_PATH_IMAGE013
测量离子源等离子室的外部轮廓与高频电极的距离，确保离子源等离子室的外部轮廓与高频电极基本保持平行；
实施例10:
安装高频电极头部和离子源，采用三坐标仪测量高频电极头部和离子源外轮廓坐标数据，输入到机械图中进行绘图，测量离子源每一条侧边与相对应的磁极头部侧边的平行度，确保两者基本平行。
Figure 489276DEST_PATH_IMAGE014
测量离子源等离子室的开口与高频电极的距离，确保该距离为4~6mm。
实施例11:
根据以上绘制离子极外部轮廓和高频电极的外轮廓尺寸图，1）测量离子源每一条侧边与高频电极的距离；2）测量离子源开口到高频电极的距离；3）比较以上距离，确认离子源开口到高频电极的距离在4~6mm范围内。
Figure 379871DEST_PATH_IMAGE021
测量第一个高频电极的电压，确保该电压在60~80kV范围；基于电压测量，进行高频电压的临界测试，确保中心区电压远离打火区域。
实施例12:
测量第一个高压电极头部发射X射线的最大能量，可以得到高压电极的电压，确认该电压在60~80kV范围内。综合以上基于离子源与外围电极轮廓的尺寸、距离测量和基于电压测量，进行中心区高频高压打火的 临界测试，确认高频腔头部处于远离打火的状态。
步骤五、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配设置测试。
所述的高频系统包括高频腔和高频电路。
具体过程为：
Figure 708084DEST_PATH_IMAGE022
调整中心区主磁铁芯柱台阶的高度，进行电磁场特性的测量，使得束流进入加速器间隙时选择正的滑相；
实施例13:
测试步骤如下：1）调整中心区主磁铁芯柱三台阶的高度，采用霍耳效应器件、感应装置和X射线探测仪进行中心区电磁场特性的测量；2）采用束流动力学软件模拟，选取一个粒子从离子源出口开始跟踪5圈；3）记录粒子5次通过某组高频腔加速间隙中心线时的滑相，确认5次通过高频加速间隙时的相位均大于0。
Figure 316920DEST_PATH_IMAGE013
测量调整主磁铁芯柱台阶高度后束流进入加速器间隙和出加速器间隙时的高频场的电压，确保束流进入加速器间隙时的高频场的电压大于束流出加速器间隙时的高频场的电压，也就是高频场的电压随相位或时间是下降的；
实施例14:
测试步骤如下同上，只不过，记录5次粒子进入高频加速间隙瞬间的高频电压值，并记录5次粒子出高频加速间隙瞬间的电压值，确认每次穿越高频加速间隙时，出加速间隙瞬间的电压要小于进加速瞬间的电压。
Figure 490413DEST_PATH_IMAGE014
测量束流经过加速间隙的前半部分和后半部分的高频场的电压，确保束流经过加速间隙的前半部分的高频场的电压大于后半部分的高频场的电压，进行束流的聚焦性能测试，确保前半部分聚焦的力更大，后半部分散焦的力较小，总体是一个聚焦的作用。
实施例15:
输入测量磁场和高频电压分布，采用束流动力学软件模拟方法进行测试：1）取偏离轴向1mm的初始粒子，在不加入电压情况下，只跟踪粒子在磁场中的运动，记录粒子穿过加速间隙的包络；2）取偏离轴向1mm的相同初始粒子，加入高频电压影响，跟踪粒子在磁场和电场共同作用下的运动，记录粒子穿过加速间隙的包络；3）比较以上两者包络在穿越加速间隙时的变化，后者前半部分轴向束流包络变大，而后半部分开始变小，总体上，后者穿越加速间隙后的轴向包络比前者小，说明总体是一个聚焦的作用。
本发明设计了一种基于以上测试方法的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，包括用于产生磁场的超导强磁场系统，该超导强磁场系统包括主磁铁系统和超导磁体系统；还包括用于低能质子生成的离子源系统；给质子束流加速的高频系统；把束流引出到加速器外的引出区系统和提供加速器内部真空环境的主真空系统；所述离子源系统简称离子源；
补充说明：
本发明小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统总体示意图如图2-1-1，为本发明隐藏主磁铁的加速器总体示意图；如图2-1-2 ，为本发明局部剖开的加速器总体示意图；如图2-1-3为本发明下半加速器示意图；
所述主磁铁系统如图2-2-1、2-2-2所示，从上到下分为三个部分：上部分由上盖板2B1和四扇螺旋形上磁极2B2组成，下部分由下盖板2B1和四扇与上磁极对应的螺旋形下磁极2B2组成，中间部分为磁轭2B3；
补充说明：
主磁铁外形图如图2-2-1所示，包括上磁轭2B3、下磁轭2B3、上盖板2B1、下盖板2B1、四扇螺旋形上磁极2B2、四扇螺旋形下磁极2B2；其中四扇螺旋形上磁极、四扇螺旋形下磁极包含在上磁轭和下磁轭之中；
主磁铁上半主磁铁如图2-2-2所示，包括上盖板2B1、上磁轭2B3、上芯柱2B2-3、主磁铁谷区大孔2B1-1，所述主磁铁谷区大孔2B1-1用于抽真空，所述上芯柱或下芯柱2B2-3用于调节中心区磁场；
所述超导磁体系统如图2-3-1、2-3-2所示，由超导线圈2C1、低温恒温器2C2和液氦阀箱2C3组成，超导线圈2C1悬挂于低温恒温器2C2内部，阀箱2C3安装于加速器侧边，通过管道2C3-1与低温恒温器2C2相连，为超导磁体提供低温液氦环境；
补充说明：
如图2-3-2所示，所述主真空系统由低温恒温器2C2内壁作为主真空室2G2的内壁。
所述离子源如图2-4-1、2-4-2、2-4-3所示，由固定于加速器中心略偏心位置的等离子室2D1和安装于加速器下中心孔的离子源支撑件2D2组成，通过离子源支撑件的开孔对离子源通氢气和馈入高压；
所述高频腔,如图2-5-1、2-5-2所示，由三部分组成：分别为腔体外壳2E1、DEE板2E2和内杆2E3，腔体外壳2E1占据主磁铁内部所有的峰区、谷区空间和低温恒温器内壁一圈，内杆2E3安装于腔体外壳谷区2E1-2内部，DEE板2E2由内杆2E3支撑且处于腔体外壳谷区2E1-2内；
所述引出区系统如图2-6-1所示，由相邻磁极峰区的两组静电偏转板2F2和多组磁通道2F1组成，束流引出所经之地贯穿了磁极边缘场、高频外圈间隙、低温恒温器和磁轭开孔；
所述主真空系统如图2-3-1、2-3-2所示，由低温恒温器2C2内壁作为主真空室2G2的内壁，上盖板、下盖板分别设置密封槽，通过加速器主磁铁谷区上下共8个大孔2B1-1进行抽真空；
其特点是：
该超导回旋加速器系统包括超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构、主真空系统与离子源以及超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构、从离子源到中心区到加速区到引出区全过程的束流匹配结构；
所述超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构，包括强磁场高频场的整体参数的匹配结构、平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配结构、超导强磁场系统与高频系统与工作路径间的匹配结构；
所述主真空系统与离子源、超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构，包括主真空系统与离子源的匹配结构、主真空系统与超导强磁场系统的匹配结构、主真空系统与高频系统的匹配结构；
所述从离子源、中心区、加速区到引出区全过程的束流匹配结构，包括离子源与中心区高频腔的匹配结构、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配结构、加速过程中的束流匹配结构、引出系统与磁场和高频腔的匹配结构。
所述强磁场高频场的整体参数的匹配结构，具体为：
加速器中心磁场磁感应强度选择为2.0T~2.5T，即保证了加速器整体规模较小，也留足了高频腔的空间，打火风险控制在可控的范围；加速器选择4对螺旋扇磁极，刚好利用主磁铁全部四个谷区安装4组高频腔，即保证了电磁场的四重对称性，也保证了有足够的圈能量增益和引出圈间距；谐波数选择为2，四组高频腔中间耦合使得两对高频腔相位相差180度，正好使束流经过下一组高频腔时处于0度相位。
补充说明：
加速器四扇磁极和四组高频腔平面布局图如图3所示，所述加速器选择4螺旋扇磁极叶片包括： 3-1-1：主磁铁峰区磁极1；3-1-2：主磁铁峰区磁极2；3-1-3：主磁铁峰区磁极3；3-1-4：主磁铁峰区磁极4；3-2-1：主磁铁谷区高频腔1；3-2-2：主磁铁谷区高频腔2；3-2-3：主磁铁谷区高频腔3；3-2-4：主磁铁谷区高频腔4；3-3-1：腔体DEE板；3-3-2：腔体外壳侧边；3-3-3：束流进入腔体时的加速间隙；3-3-4：束流离开腔体时的加速间隙；3-4：束流运动方向及轨迹；
螺旋腔左右电压不对称。如果是直边腔，左右结构对称，电压必然对称。而在螺旋腔情况下，高频腔内杆处的电压较低，离高频腔内杆越远，电压越高，束流进入高频腔间隙的位置和出高频腔间隙的位置两者离高频腔内杆的距离是不一样的，螺旋度越大，距离差别越大，所以电压越不对称。
所述平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配结构，具体为： 减小磁极的螺旋度使轴向聚焦Vz控制在0.15~0.20的范围，从而达到高频电压对称性和轴向聚焦的最佳平衡。
补充说明：
磁极螺旋度如图4所示，4-1：磁极；4-2：磁极中心线:4-3：磁极中心线某点处的切线；4-4：磁极中心线某点与中心点的连线；4-5：螺旋度；
所述磁场与高频系统与工作路径间的匹配结构，具体为：
调整高频腔内杆位置前移，使加速器小半径和大半径处的高频腔电压较高，中间半径电压较低，所述小半径电压较高也就是中心区电压较高，所述大半径电压较高也就是加速器高能区电压较高。
补充说明：
所述加速器工作路径如图5所示，5-1：加速器工作路径；5-2：Vr=1共振线；5-3：Vz=1共振线；5-4：Vr-Vz=1共振线；图中的实线即（Vr,Vz)随能量的变化连成线，即工作路径。图中的虚线即为共振线，从图中可看出，加速器主要在低能区和高能区穿越一些共振，而中间能量基本没有较危害的共振。中心区电压较高和高能区电压较高即能使得束流快速穿越低能区和高能区共振线，又提高中心区和引出区圈能量增益，提高加速器剂量率。
所述主真空系统与离子源的匹配结构，具体为：
通过离子源支撑件的离子源开口进行通气和馈入高压，逐级增加离子源通气量，每次增加后隔1~5分钟待高压锻炼稳定，观察质子束流量和真空度，在真空度好于5E-6mBar情况下，选择离子源引出流强大于100uA时的气流量。增大离子源气流量有利于提升弧功率，从而提升束流强度，但离子源气流量过大会导致主真空室真空度下降、甚至导致加速器无法加速，本匹配结构和方法可以找到最佳的离子源工作状态，为高剂量率打下基础。
所述主真空系统与超导强磁场系统的匹配结构，具体为： 主真空室内壁采用10mm~40mm厚的磁性材料，用于调整中心平面的磁场分布；超导强磁场系统的上、下磁回路，同时用做主真空室的上盖板、下盖板；在超导强磁场系统的上、下磁回路， 即主真空室的上盖板、下盖板上开Ø200-400mm的8个大孔，真空规测量点的位置，选在超导强磁场系统漏磁场的盲区。这样的匹配结构既有利于产生4重对称的、提高轴向聚焦力的磁场分布，又有利于主真空室真空抽气。
所述真空系统与高频系统的匹配结构，具体为：
主磁铁上盖板、下盖板上的8个大孔，既用于真空抽气，也用于高频腔的冷却回路；在覆盖在主磁铁上的外壳上打一系列小孔，既不导致高频泄露、确保高频屏蔽，又尽量大的提高真空抽速；高频馈管进入加速器主磁铁的拐角处，隔离真空的陶瓷窗的真空一侧，与真空系统严格匹配，确保局部的真空度不进入辉光放电区，避免烧毁高频部件。
所述离子源与高频腔的匹配结构，具体为：
离子源内径采用1~2mm直径，开口宽1~2mm、高2~3mm；离子源外部轮廓与高频电极基本保持平行， 离子源开口与高频电极距离保持在4~6mm，第一个高频电极电压保持为60~80kV。
补充说明：
等离子体中电子能量在keV以下，电子在2.0~2.5T强磁场中的旋转远小于1mm。离子源内径取1mm，可以把等离子体约束在离子源室内，体积也足够储存足够的等离子体，引出上百uA的质子束流。小型化中能超导回旋加速器中等离子体安装空间非常小，等离子体外形轮廓与周边高频电极保持平行，避免局部尖端、产生打火。离子源开口宽约1mm、高约2mm，开口距离高频头部距离4~6mm，第一个高频头部电压60 kV，这样的尺寸是经过整体匹配优化后较佳的组合，即不打火的情况下通过提供足够的电场把足量的质子束从等离子室内拉出，又保证引出质子束的尺寸较小，是保证高剂量的重要一环。
离子的位置对束流的匹配非常重要，体现：1）离子源开口的距离与第一个头部的垂直距离，需要在不打火和足够的电场间去平衡，距离减小，有利于提供高电场把束流拉出，而距离太小，将发生打火，这个距离做成在线可调对加速器后期调试非常重要；2）离子源开口与第一个高频头部的水平距离必须对准，允许的误差在0.1mm以内，否则束流无法正好通过多个高频电极的开孔，形成与加速区轨道的对中匹配，加速器剂量率大受影响。离子源设计成仅在角度方向上可旋转，固定离子源的水平位置，可调整离子源的角向位置，可完美解决以上问题。
所述中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配结构，具体为： 所述中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配结构，具体为：中心区主磁铁芯柱设计为三台阶结构，调整台阶的高度，使得束流进入加速器间隙时选择正的滑相，所述正的滑相就是束流进入加速器间隙时的电压大于束流出加速器间隙时的电压，也就是电压随相位或时间是下降的，这样，束流经过狭缝的前半部分的电压大于后半部分，即前半部分聚焦的力更大，后半部分散焦的力较小，总体是一个聚焦的作用。
补充说明：
所述正的滑相如图7所示，即：束流进入加速间隙时的电压7-6大于束流出加速间隙时的电压7-8,具体如图所示，7-1：束流进入方向；7-2：组成加速间隙的DEE板和腔体外壳；7-3：电场线；7-4：电压随加速相位（时间）的变化曲线；7-5：束流进入加速间隙时的电场方向；7-6：束流进入加速间隙时对应的相位和电压；7-7：束流出加速间隙时的电场方向；7-8：束流出加速间隙时对应的相位和电压；
调整主磁铁芯柱前后对比如图8所示，8-1：调整主磁铁芯柱、束流滑相前的束流滑相曲线；8-3：调整主磁铁芯柱、束流滑相后的束流滑相曲线；8-2：调整主磁铁芯柱、束流滑相前的Vz×100曲线； 8-4：调整主磁铁芯柱、束流滑相后的Vz×100曲线；
所述加速过程中的束流匹配结构，具体为：加速过程中的束流匹配过程如下： 1）中心区采用1mm宽度的双狭缝进行卡束，在选择20~30度大相宽束流同时，把发射度大于2pi mm mrad的束流卡掉；2）调节由中心区调节棒带来的一次谐波振幅和相位，保证中心相位束流对中；3）后继采用相邻峰区位置的两套可移动相位选择器进行卡束，卡掉两侧对中较差和发射度较大的束流，留下约20度相宽的束流；4）引出位置的调节棒进一步对束流轨道进行偏移，使束流正好进入引出静电偏转板入口。
补充说明：
加速过程中的束流匹配过程如图9所示，从低能区双狭缝9-1-1、9-1-2；低能区调节棒9-2-1、9-2-2、9-2-3、9-2-4；可移动相位选择器和高能区调节棒进行布局，可移动相位选择器9-3-1、9-3-2；9-3-2：高能区束流对中调节棒9-4-1、9-4-2、9-4-3、9-4-4；
加速过程中的相空间匹配过程如下：1）低能区采用~1mm宽度的双狭缝进行卡束，在选择20~30度大相宽束流同时，把发射度较大的束流卡掉；2）调节低能区调节棒，调节合适一次谐波相位保证中心相位束流对中；3）后继采用相邻峰区位置的两套可移动相位选择器进行卡束，卡掉两侧对中较差和发射度较大的束流，留下约20度相宽的束流；4）引出位置的调节棒进一步对束流轨道进行偏移，使束流正好进入引出静电偏转板入口，实现最大的引出效率。只用中心区狭缝或可移动相位选择器，卡出的束流要相宽太小，要么不满足引出要求、引出效率低，达不到高剂量率要求；而缺乏小关径和大半径双对中调节棒的配合，也无法使大相宽束流移动到匹配的轨道上，实现高效率引出；因而，既要提高引出效率，又要确保高剂量率，只有采用中心区双狭缝、相位选择器和小半径、大半径双束流对中调节棒的巧妙组合，对从离子源出口到引出区的束流进行精确调节和匹配，才能达到。
如图2-7-1、2-7-2所示，所述引出系统与磁场和高频腔的匹配结构，具体为：通过优化边缘磁场的下降速度，使束流先通过第一个谷区的上下DEE板尾部连接件3-3-1-1内侧，后经过第一个偏转板2F2偏转后，恰好经过下一个谷区上下DEE板尾部连接件3-3-1-1和腔体外壳2E1的气隙后，经多组磁通道2F1聚焦，并从低温恒温器、磁轭孔道引出，整个过程的匹配结构，即防止了束流打在部件上，又保证了束流包络增长较小。整体引出效率大于80%。
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 (12)

1.一种强磁场高频场耦合测试法，该测试法用于小型化、高剂量中能超导回旋加速器，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、强磁场高频场的整体参数的匹配设置测试；
具体过程为：
采用核磁共振（NMR）装置和霍耳效应器件，在加速器中心点测量磁场的大小，保证磁场的稳定和磁感应强度范围为2.0T~2.5T；
借助核磁共振（NMR）装置和使用感应装置，进行磁场分布的绘制；采用X射线探测仪进行电场分布的测量；测试加速器电磁场的四重对称性；
采用频率测量装置测量高频场的频率，确保高频场的频率范围为60MHz~90MHz；测量谐波数，确保值为2，误差在万分之0.5范围内；从而使四组高频腔中间耦合使得两对高频场的相位相差180度，正好使束流经过下一组高频腔时处于0度相位；
步骤二、平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配设置测试；
具体过程为：
测试减小磁极的螺旋度后的轴向聚焦Vz、将轴向聚焦Vz控制在0.15~0.20的范围；
采用X射线探测仪进行电场分布的测量，测试减小磁极螺旋度后，腔体入口和出口高频场的电压对称性；
测试腔体入口和出口高频场的电压对称性提高后加速器剂量率；
步骤三、磁场与高频系统和工作路径间的匹配设置测试；
具体过程为：
基于加速器电磁场特性的测量，给出加速器的工作路径和低能区、高能区穿越的共振线；
测量小半径和大半径高频场的电压提高后的加速器剂量率；
步骤四、离子源与中心区高频腔的匹配设置测试；
具体过程为：
测量离子源等离子室的内径、开口宽度和开口高度，确保三个尺寸分别为1~2mm、1~2mm和2~3mm；测量离子源等离子室的外部轮廓与高频电极的距离，确保离子源等离子室的外部轮廓与高频电极保持平行；
测量离子源等离子室的开口与高频电极的距离，确保该距离为4~6mm；测量第一个高频电极的电压，确保该电压在60~80kV范围；基于电压测量，进行高频电压的临界测试，确保中心区电压远离打火区域；
步骤五、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配设置测试；
具体过程为：
调整中心区主磁铁芯柱台阶的高度，进行电磁场特性的测量，使得束流进入加速器间隙时选择正的滑相；
测量调整主磁铁芯柱台阶高度后束流进入加速器间隙和出加速器间隙时的高频场的电压，确保束流进入加速器间隙时的高频场的电压大于束流出加速器间隙时的高频场的电压，也就是高频场的电压随相位或时间是下降的；
测量束流经过加速器间隙的前半部分和后半部分的高频场的电压，确保束流经过加速器间隙的前半部分的高频场的电压大于后半部分的高频场的电压，进行束流的聚焦性能测试，确保前半部分聚焦的力更大，后半部分散焦的力较小，总体是一个聚焦的作用；
所述的高频系统包括高频腔和高频电路。
2.一种基于权利要求1所述的强磁场高频场耦合测试法的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，包括用于产生磁场的超导强磁场系统，该超导强磁场系统包括主磁铁系统和超导磁体系统；还包括用于低能质子生成的离子源系统；给质子束流加速的高频系统；把束流引出到加速器外的引出区系统和提供加速器内部真空环境的主真空系统；所述离子源系统简称离子源；所述主磁铁系统简称主磁铁；
所述主磁铁系统从上到下分为三个部分：上部分由上盖板和四扇螺旋形上磁极组成，下部分由下盖板和四扇与上磁极对应的螺旋形下磁极组成，中间部分为磁轭；
所述超导磁体系统由超导线圈、低温恒温器和液氦阀箱组成，超导线圈悬挂于低温恒温器内部，液氦阀箱安装于加速器侧边，通过管道与低温恒温器相连，为超导磁体提供低温液氦环境；
所述离子源由固定于加速器中心略偏心位置的等离子室和安装于加速器下中心孔的离子源支撑件组成，通过离子源支撑件的开孔对离子源通氢气和馈入高压；
所述高频腔，由三部分组成：分别为腔体外壳、DEE板和内杆，腔体外壳占据主磁铁内部所有的峰区、谷区空间和低温恒温器内壁一圈，内杆安装于腔体外壳谷区内部，DEE板由内杆支撑且处于腔体外壳谷区内；
所述引出区系统由相邻磁极峰区的两组静电偏转板和多组磁通道组成，束流引出所经之地贯穿了上磁极和下磁极边缘场、高频外圈间隙、低温恒温器和磁轭开孔；
所述主真空系统由低温恒温器内壁作为主真空室的内壁，上盖板、下盖板分别设置密封槽，通过加速器主磁铁谷区上下共8个大孔进行抽真空；
其特征在于：
该超导回旋加速器系统包括超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构、主真空系统与离子源以及超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构、从离子源到中心区到加速区到引出区全过程的束流匹配结构；
所述超导强磁场系统与高频系统间的匹配结构，包括强磁场高频场的整体参数的匹配结构、平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配结构、磁场与高频系统和工作路径间的匹配结构；
所述主真空系统与离子源以及超导强磁场系统和高频系统之间的匹配结构，包括主真空系统与离子源的匹配结构、主真空系统与超导强磁场系统的匹配结构、主真空系统与高频系统的匹配结构；
所述从离子源、中心区、加速区到引出区全过程的束流匹配结构，包括离子源与中心区高频腔的匹配结构、中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配结构、加速过程中的束流匹配结构、引出区系统与磁场和高频腔的匹配结构。
3.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述强磁场高频场的整体参数的匹配结构，具体为：加速器中心磁场磁感应强度选择为2.0T~2.5T，加速器选择4对螺旋扇磁极，刚好利用主磁铁全部四个谷区安装4组高频腔，谐波数选择为2，四组高频腔中间耦合使得两对高频腔相位相差180度，正好使束流经过下一组高频腔时处于0度相位。
4.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述平衡高频电压对称性和轴向聚焦的匹配结构，具体为： 减小磁极的螺旋度使轴向聚焦Vz控制在0.15~0.20的范围，从而达到高频电压对称性和轴向聚焦的最佳平衡。
5.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述磁场与高频系统和工作路径间的匹配结构，具体为：调整内杆位置前移，使加速器小半径和大半径处的高频腔电压较高，中间半径电压较低，所述加速器小半径处的高频腔电压较高也就是中心区电压较高，所述加速器大半径处的高频腔电压较高也就是加速器高能区电压较高。
6.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述主真空系统与离子源的匹配结构，具体为：通过离子源支撑件的离子源开口进行通气和馈入高压，逐级增加离子源通气量，每次增加后隔1~5分钟，待高压锻炼稳定，观察质子束流量和真空度，在真空度大于5E-6mBar的情况下，选择离子源引出流强大于100uA时的气流量。
7.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述主真空系统与超导强磁场系统的匹配结构，具体为：主真空室内壁采用10mm~40mm厚的磁性材料，用于调整中心平面的磁场分布；超导强磁场系统的上、下磁回路，同时用做主真空室的上盖板、下盖板；在超导强磁场系统的上、下磁回路， 即主真空室的上盖板、下盖板上开Ø200-400mm的8个大孔，测量真空的真空规放置在超导强磁场系统漏磁场的盲区。
8.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述主真空系统与高频系统的匹配结构，具体为：主磁铁上盖板、下盖板上的8个大孔，既用于真空抽气，也用于高频腔的冷却回路；在覆盖在主磁铁上的高频腔外壳上打一系列小孔，高频馈管进入加速器主磁铁的拐角处，隔离真空的陶瓷窗的真空一侧，与主真空系统严格匹配。
9.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述离子源与中心区高频腔的匹配结构，具体为：
离子源内径采用1~2mm直径，开口宽1~2mm、高2~3mm；离子源外部轮廓与高频电极保持平行， 离子源开口与高频电极距离保持在4~6mm，第一个高频电极电压保持为60~80kV。
10.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述中心区高频腔与主磁铁芯柱的匹配结构，具体为：中心区主磁铁芯柱设计为三台阶结构，调整台阶的高度，使得束流进入加速器间隙时选择正的滑相，所述正的滑相就是束流进入加速器间隙时的电压大于束流出加速器间隙时的电压，也就是电压随相位或时间是下降的，这样，束流经过狭缝的前半部分的电压大于后半部分，即前半部分聚焦的力更大，后半部分散焦的力较小，总体是一个聚焦的作用。
11.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述加速区加速过程中的束流匹配结构，具体为：加速过程中的束流匹配过程如下：1）中心区采用1mm宽度的双狭缝进行卡束，在选择20~30度大相宽束流同时，把发射度大于2 pi mmmrad的束流卡掉；2）调节由中心区调节棒带来的一次谐波振幅和相位，保证中心相位束流对中；3）后继采用相邻峰区位置的两套可移动相位选择器进行卡束，卡掉两侧对中较差和发射度较大的束流，留下约20度相宽的束流；4）引出位置的调节棒进一步对束流轨道进行偏移，使束流正好进入引出静电偏转板入口。
12.根据权利要求2所述的小型化、高剂量中能超导回旋加速器系统，其特征在于：所述引出区系统与磁场和高频腔的匹配结构，具体为：通过优化边缘磁场的下降速度，使束流先通过第一个谷区的上下DEE板尾部连接件内侧，后经过第一个偏转板偏转后，恰好经过下一个谷区上下DEE板尾部连接件和腔体外壳的气隙后，经多组磁通道聚焦，并从低温恒温器、磁轭孔道引出。
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