CN112135411B - 一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法，包括以下步骤：径向靶固定在回旋加速器某一半径处，测量径向靶上测得的束流流强I _b ；以较小的步长不断调高超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，记录此时超导线圈电流增加量ΔI ₁ 。以较小的步长不断调低超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，即

，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI ₂ ，计算该半径位置束流的中心粒子滑相

，调整径向靶到不同的半径位置，重复以上步骤可以得到一系列不同半径位置的中心粒子滑相，评估实际加速器磁场与前期测量磁场的偏差，本测量方法能够准确评估研制后期的磁场误差，避免了磁场测量过程，从而大幅减小工作量，加快加速器研制进程。

Description

一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法

技术领域

本发明属于紧凑型超导回旋加速器技术领域，尤其涉及一种紧凑型超导回旋加速器中的束流加速相位测量方法。

背景技术

粒子在回旋加速器中做旋转运动，多次通过同一高频加速间隙获得能量，如图1所示。回旋加速器磁场应满足等时性，即不同能量粒子在磁场中旋转一圈的时间与高频周期一致，高频加速电场随时间变化为正弦波曲线(如图2所示)，这就意味着，粒子第一圈经高频加速间隙中心线时，在90°峰值高频相位加速，旋转一圈再次回到高频腔时，仍然处于90°峰值高频相位加速，粒子能够不断被加速，并且加速效率最高。而在实际的回旋加速器中，磁场存在误差，无法保证粒子每一圈的运动时间与高频周期一致，因而，粒子每次经过高频加速间隙中心线时的相位与理想的90°峰值加速相位存在偏差，这个偏差称为滑相，一般用

表示。如图2中所示，粒子每一圈经过高频加速间隙的相位8与理想的90°峰值加速相位7的差值称为粒子在此半径位置的滑相，同理，粒子每二圈经过高频加速间隙的相位10与理想的90°峰值相位9的差值称为粒子在此半径位置的滑相，粒子的滑相是随着半径不断变化的。当粒子的滑相大于90°或小于-90°时，粒子会受到高频腔的减速作用，能量不再增加，从而不能再往大半径运动。因此，为了保证束流能够不断被加速到外半径后引出，回旋加速器原则上应满足束流中心粒子的滑相在±90°以内，在实际的回旋加速器中，为了留够安全余量，一般要求中心粒子的滑相在±45°以内。

为使粒子的滑相控制在±45°以内，现有技术曾采用调整回旋加速器的磁场可以改变粒子的旋转半径的方法，从而影响粒子旋转一圈的时间。通过调整回旋加速器不同半径位置的磁场，可以使粒子的回旋周期与高频周期的偏差足够小，从而保证粒子的滑相符合加速要求。以上过程称为回旋加速器的磁场测量和垫补过程。

回旋加速器包括常温回旋加速器和超导回旋加速器。在磁场垫补以后，常温回旋加速器和超导回旋加速器的垫补效果是不同的。无论是以上哪一种回旋加速器，它们的磁场都由两部分组成，一部分来自回旋加速器线圈电流产生的磁场，一部分来自于磁铁磁化产生的磁场。对于常温回旋加速器磁场主要由磁铁贡献、磁铁机械稳定性较好、磁场往往是比较稳定的，所以常温回旋加速器在磁场垫补以后其磁场基本是稳定的，而对于超导回旋加速器主要由超导线圈电流贡献：由于超导回旋加速器磁铁完全被磁化，只能依靠调整线圈电流带来的磁场变化进达到磁场垫补的作用、调整磁场由超导线圈电流贡献。但由于超导线圈受力大、机械稳定性较磁铁要差、这都容易在后期产生磁场误差，使粒子滑相增大。因而，超导回旋加速器在研制后期产生的磁场偏差可能会影响束流的加速效率，甚至因滑相较大导致束流无法引出，而在大量干扰项下难以确定影响束流无法引出究竟是滑相较大导致还是其它因素导致，从而不得已需要重新测量加速器磁场，拆卸高频腔、真空等系统带来巨大的工作量，严重影响研制周期。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种超导回旋加速器的束流滑相测量方法，目的是在加速器束流调试过程中提供一种超导回旋加速器磁场等时性的评估方法，避免重新测量磁场带来的高工程复杂度。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案

一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法，包括以下步骤：

步骤一、径向靶固定在回旋加速器某一半径处，测量径向靶上测得的束流流强I_b；

步骤二、以较小的步长不断调高超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，即I_b/2，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI₁。

步骤三、以较小的步长不断调低超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，即I_b/2，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI₂。

步骤四、计算该半径位置束流的中心粒子滑相

步骤五、调整径向靶到不同的半径位置，重复以上步骤可以得到一系列不同半径位置的中心粒子滑相，评估实际加速器磁场与前期测量磁场的偏差，为加速器束流调试过程中调整加速器参数提供依据。

所述步骤四具体过程如下：

⑴根据回旋加速器物理的基本原理，粒子在回旋加速器中的滑相满足以下公式：

⑵建立方程，求出公式(1)中的两个未知数

和

具体环节如下：

i、由公式(1)求得公式(2)：调高超导线圈电流，将增加回旋加速器磁场，粒子滑相增加；当中心粒子的滑相为90°时，公式(1)变为：

ii、由公式(1)求得公式(3)：同理，调低超导线圈电流，当中心粒子的滑相为-90°、且径向靶上测量的束流流强为全部束流流强的一半时，如图3曲线14、15和16所示，公式(1)变为：

其中，ΔB₂为调低电流带来的平均磁场减少量；

iii、将公式(2)与公式(3)相加可得：

iv、将公式(2)与公式(3)相减得到：

v、公式(4)代入公式(1)可得：

vi、上式结合公式(5)得到如下式；

vii、对于超导回旋加速器来说，调整电流带来的磁场变化主要由超导线圈电流贡献，此部分磁场变化ΔB与电流变化量成正比，因而公式(6)可转化为：

即:

上面公式中的上标是指对sin函数进行求逆；其中，ΔI₁为调高超导线圈的电流量，ΔI₂为调低超导线圈的电流量。

本发明的优点效果

1、本发明提供一种超导回旋加速器束流调整过程中测量束流滑相的方法，通过该方法能够准确判断出导致束流无法引出的原因，解决了在大量干扰项下难以确定影响束流无法引出的因素、不得不重新测量加速器磁场、拆卸高频腔、真空等系统带来巨大的工作量、以及严重影响研制周期的难题。

2、本发明测量方法能够准确评估研制后期的磁场误差，为调整回旋加速器电流、高频频率和局部磁铁结构提供数据依据，避免了磁场测量的过程，从而大幅减小工作量，加快加速器研制进程。

附图说明

图1为粒子在回旋加速器中运动示意图；

图2为粒子经过高频腔加速间隙中心线时对应的加速相位示意图；

图3加速器实际运行电流I、调高电流ΔI1和调低电流ΔI2下的粒子滑相曲线；

图4为根据加速器磁场计算滑相曲线和加速器中一系列半径位置测量的滑相比较；

图5为超导回旋加速器中的束流滑相测量流程。

图中：1：粒子轨迹；2：高频腔正电极；3：高频加速间隙中心线；4：高频腔地电极；5：径向靶；6-高频电压随时间或相位的变化曲线；7-粒子运动第一圈经过高频加速间隙中心线时的理想加速相位；8-粒子运动第一圈经过高频加速间隙中心线时的实际加速相位；9-粒子运动第二圈经过高频加速间隙中心线时的理想加速相位；10-粒子运动第二圈经过高频加速间隙中心线时的实际加速相位；11-实际运行电流I下的中心粒子滑相曲线；12-调高电流ΔI₁下的中心粒子滑相曲线；13-调高电流ΔI₁下落后滑相粒子的滑相曲线；14-调低电流ΔI₁下超前滑相粒子的滑相曲线；15-调高电流ΔI₂下的中心粒子滑相曲线；16-调高电流ΔI₁下落后滑相粒子的滑相曲线；17-调低电流ΔI₁下超前滑相粒子的滑相曲线；18-在加速器一系列半径位置测量的滑相曲线；

具体实施方式

本发明设计原理

1、超导回旋加速器中束流滑相测量的原理

本发明最终是要得到粒子在任一半径位置的滑相

分为以下几步：

⑴根据回旋加速器物理的基本原理，粒子在回旋加速器中的滑相满足以下公式：

(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1版)其中，

为粒子的起始点滑相，

为粒子的任一半径位置的滑相，h为高频谐波数，为一常数；n为此半径对应的加速圈数；B为此半径对应的平均磁场；ΔB为此半径对应的磁场与理想等时性磁场的偏差。

⑵建立方程，求出公式(1)中的3个未知数

πhn；求得这3个未知数的思路是：建立2个特定情况下的公式(2)和公式(3)，公式(2)和公式(3)中等号左边的

为特定情况下的已知数(1，-1)、等号右边为2个未知数

πhn，将公式(2)和公式(3)相加，得到

和πhn、以及

和磁场变化量的关系式(4)；再将公式(2)和公式(3)式相减，得到公式(5)，公式(5)中的未知数

被减掉、只剩下πhn和磁场变化量的关系式。最后将公式(4)、公式(5)带入公式(1)，求出

具体方法为：

由公式(1)求得公式(2)：调高超导线圈电流，将增加回旋加速器磁场，粒子滑相增加；当中心粒子的滑相为90°时，公式(1)变为：

此时径向靶测量的中心粒子束流流强为全部束流流强的一半。其中，ΔB₁为调高电流带来的平均磁场增加量。

所述径向靶测量测量中心粒子束流流强为全部束流流强的一半，其原因在于：加速器中束流为一束团，束团存在一定的相宽，束流的滑相往往采用中间相位粒子(中心粒子)的滑相表示。束团中比中心粒子更早进入高频加速间隙的粒子称为超前粒子，对应的滑相比中心粒子滑相小；同理，束团中比中心粒子更晚进入高频加速间隙的粒子称为落后粒子，对应的滑相比中心粒子滑相大。超前粒子将更早到达90°，当中心粒子到90°时，超前粒子已成为大于90°的相位(例如120°相位为大于90°的相位)，在图1中120°相位相对于90°峰值相位，其得到的能量开始下滑、加速度变小，由于加速度变小，使得粒子在原先的半径轨道上跑丢了，如图3曲线13所示，而径向靶此时的半径位置不变，因此当粒子跑丢了时径向靶已经测量不到这部分粒子的流强；而落后粒子滑相小于90°，当中心粒子到达90°相位时，这部分落后滑相的粒子还处于加速上升状态，随着中心粒子到达90°相位，其落后滑相的粒子也紧跟着达到90°相位时的半径，如图曲线14所示，因此，这部分落后滑相的粒子将会被径向靶探测到，因此径向靶测量测量中心粒子束流流强为全部束流流强的一半。

由公式(1)求得公式(3)：同理，调低超导线圈电流，当中心粒子的滑相为-90°、且径向靶上测量的束流流强为全部束流流强的一半时，如图3曲线14、15和16所示，公式(1)变为：

其中，ΔB₂为调低电流带来的平均磁场减少量。公式(2)与公式(3)相加可得：

公式(2)与公式(3)相减得到：

公式(4)代入公式(1)可得：

上式结合公式(5)得到如下式

回旋加速器磁场由两部分组成，一部分来自回旋加速器线圈电流产生的磁场，一部分来自于磁铁磁化产生的磁场。对于超导回旋加速器来说，磁铁完全被磁化，调整电流带来的磁场变化主要由超导线圈电流贡献，此部分磁场变化ΔB与电流变化量成正比，因而公式(6)可转化为：

即:

上面公式中的上标-1是指对sin函数进行求逆；其中，ΔI₁为调高超导线圈的电流量，ΔI₂为调低超导线圈的电流量。

以上公式(2)、公式(3)中，令等号左侧为1和-1，是为了解方程求得2个未知数而将中心粒子的滑相设为±90°，最终得到公式

基于以上原理，本发明设计了一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法

一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤一、径向靶固定在回旋加速器某一半径处，测量径向靶上测得的束流流强Ib；

步骤二、以较小的步长不断调高超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，即I_b/2，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI1。

步骤三、以较小的步长不断调低超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，即I_b/2，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI2。

步骤四、计算该半径位置束流的中心粒子滑相

步骤五、调整径向靶到不同的半径位置，重复以上步骤可以得到一系列不同半径位置的中心粒子滑相，评估实际加速器磁场与前期测量磁场的偏差，为加速器束流调试过程中调整加速器参数提供依据。

所述步骤四具体过程如下：

⑴根据回旋加速器物理的基本原理，粒子在回旋加速器中的滑相满足以下公式：

⑵建立方程，求出公式(1)中的两个未知数

和

具体环节如下：

i、由公式(1)求得公式(2)：调高超导线圈电流，将增加回旋加速器磁场，粒子滑相增加；当中心粒子的滑相为90°时，公式(1)变为：

ii、由公式(1)求得公式(3)：同理，调低超导线圈电流，当中心粒子的滑相为-90°、且径向靶上测量的束流流强为全部束流流强的一半时，如图3曲线14、15和16所示，公式(1)变为：

其中，ΔB₂为调低电流带来的平均磁场减少量；

iii、将公式(2)与公式(3)相加可得：

iv、将公式(2)与公式(3)相减得到：

v、公式(4)代入公式(1)可得：

vi、上式结合公式(5)得到如下式；

vii、对于超导回旋加速器来说，调整电流带来的磁场变化主要由超导线圈电流贡献，此部分磁场变化ΔB与电流变化量成正比，因而公式(6)可转化为：

即:

上面公式中的上标是指对sin函数进行求逆；其中，ΔI₁为调高超导线圈的电流量，ΔI₂为调低超导线圈的电流量。

实施例

一台230MeV紧凑型超导回旋加速器，磁极半径为85cm,束流引出半径位置为82cm，运行时的超导线圈电流为250A；加速器高频加速间隙由如图1所示的正电极2和地电极4组成，粒子在加速器中做旋转运动，每次穿越高频加速间隙3时获得能量，粒子轨迹如图1所示。加速器内安装有径向靶，可测量从小半径5cm到引出半径位置的束流流强。在加速器研制前期的磁场测量阶段，测量得到加速器的磁场分布，根据测量磁场计算加速器的中心粒子滑相随半径的变化曲线如图3曲线10所示。在加速器束流调试阶段，为了对加速器的磁场分布进行确认，可通过移动径向靶到不同的半径位置进行束流滑相的测量，以半径R＝50cm为例，测量步骤如下：

(1)、径向靶固定在回旋加速器R＝50cm半径处，记录径向靶上测得的束流流强为300nA；

(2)、以0.02A的步长不断调高超导线圈电流，径向靶上测得的束流流强不断降低，直到束流流强约为150nA，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI₁＝0.14A。

(3)、超导线圈电流调回250A，以0.02A的步长不断调低超导线圈电流，径向靶上测得的束流流强开始减小，直到束流流强约为150nA，记录此时的超导线圈电流减少量ΔI₂＝0.22A。

(4)、计算该半径位置束流的中心粒子滑相

调整径向靶到不同的半径位置，重复以上步骤可以得到一系列不同半径位置的中心粒子滑相如图4曲线18所示，最终的束流滑相和原先预期的滑相曲线基本一致，说明该超导回旋加速器的磁场在研制后期稳定性较好，束流滑相在±45°以内，保证了加速器的束流加速效率。

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 (2)

1.一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法，包括以下步骤：

步骤一、径向靶固定在回旋加速器某一半径处，测量径向靶上测得的束流流强I_b；

步骤二、以较小的步长不断调高超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，即I_b/2，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI₁；

步骤三、以较小的步长不断调低超导线圈电流，直到径向靶上测得的束流流强为原来的1/2，即I_b/2，记录此时的超导线圈电流增加量ΔI₂；

步骤四、计算该半径位置束流的中心粒子滑相

步骤五、调整径向靶到不同的半径位置，重复以上步骤可以得到一系列不同半径位置的中心粒子滑相，评估实际加速器磁场与前期测量磁场的偏差，为加速器束流调试过程中调整加速器参数提供依据。

2.根据权利要求1所述一种超导回旋加速器中的束流滑相测量方法，其特征在于：所述步骤四具体过程如下：

⑴根据回旋加速器物理的基本原理，粒子在回旋加速器中的滑相满足以下公式：

为粒子的起始点滑相，

为粒子的任一半径位置的滑相，h为高频谐波数，为一常数，n为此半径对应的加速圈数，B为此半径对应的平均磁场，ΔB为此半径对应的磁场与理想等时性磁场的偏差；

⑵建立方程，求出公式(1)中的两个未知数

和

具体环节如下：

i、由公式(1)求得公式(2)：调高超导线圈电流，将增加回旋加速器磁场，粒子滑相增加；当中心粒子的滑相为90°时，公式(1)变为：

其中，ΔB₁为调高电流带来的平均磁场增加量；

ii、由公式(1)求得公式(3)：同理，调低超导线圈电流，当中心粒子的滑相为-90°、且径向靶上测量的束流流强为全部束流流强的一半时，公式(1)变为：

其中，ΔB₂为调低电流带来的平均磁场减少量；

iii、将公式(2)与公式(3)相加可得：

iv、将公式(2)与公式(3)相减得到：

v、公式(4)代入公式(1)可得：

vi、上式结合公式(5)得到如下式；

vii、对于超导回旋加速器来说，调整电流带来的磁场变化主要由超导线圈电流贡献，此部分磁场变化与电流变化量成正比，因而公式(6)可转化为：

即:

上面公式中的上标是指对sin函数进行求逆；其中，ΔI₁为调高超导线圈的电流量，ΔI₂为调低超导线圈的电流量。

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