CN112446164A - 一种大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，该方法通过在束流线上依次设置两组双单元四极磁铁和一个八极磁铁，两组双单元四极磁铁控制束流包络和张角，使得束流进入八极磁铁时，X方向和Y方向的包络和张角尽可能接近，且包络大小适中，张角尽可能大，然后通过所述八极磁铁同时对束流的X方向和Y方向进行均匀化。本发明可以同时适用于直流束和脉冲束的均匀扩束，并且不会带来额外的能散和伴随中子/γ辐射，束流品质较好，更加有利于辐照实验，也可以同时适用于质子束流和重离子束流，具有更好的普适性。本发明可以应用于不同的束流能量，只需要调节相应的磁铁场强，即可保证光路和均匀化效果不变，对不同能量的束流有较强的包容性。
Description
技术领域
本发明属于粒子加速器的束斑扩束技术，具体涉及一种大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法。
背景技术
基于粒子加速器的地面模拟实验是研究单粒子效应的重要手段，而大面积均匀束斑的获取则是其中的一个关键技术。除此之外，在生物辐照效应、材料辐照实验、质子治疗等应用领域中，也都需要大面积均匀束斑，因此需要对扩束方法进行详细研究。
当前采取的扩束方法主要有两种，分别是小束斑扫描法、双靶散射法。对单粒子效应而言，束流的时间结构会对实验结果产生影响，小束斑扫描法会与脉冲束的时间结构产生耦合，影响均匀化效果，因此其适用性受到了一定的限制；而双靶散射法带来的能散和质子打靶产生的次级产物也会对实验造成干扰。随着加速器技术的发展，束流脉冲化越来越严重，能量也越来越高，以上两种方法已经很难满足辐照实验的需求。
美国布鲁克海文国家实验室的同步加速器上建造的一条束流线上使用了八极磁铁校正法的扩束方案，使用两个四极磁铁+一个八极磁铁+一个四极磁铁+一个八极磁铁的方案进行扩束及均匀化的工作。布鲁克海文国家实验室的八极磁铁校正法的方案是一个新的尝试，但很多方面都有待优化。
发明内容
本发明的目的在于针对八极磁铁的非线性扩束方案，提供一种更加实际可行的多极场磁铁布局方法，以获得更加均匀的大面积束斑。
本发明的技术方案如下：一种大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，在束流线上依次设置两组双单元四极磁铁和一个八极磁铁，所述两组双单元四极磁铁控制束流包络和张角，使得束流进入八极磁铁时，X方向和Y方向的包络和张角尽可能接近，且包络大小适中，张角尽可能大，然后通过所述八极磁铁同时对束流的X方向和Y方向进行均匀化。
进一步，如上所述的大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，其中，通过调节两组双单元四极磁铁的参数，由束流光学软件拟合计算出束流在X方向和Y方向的包络和张角尽可能接近的位置，作为八极磁铁的设置位置。
更进一步，所调节的两组双单元四极磁铁的参数包括有效长度、极面场、孔径。
进一步，如上所述的大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，其中，两组双单元四极磁铁的相距距离一般为200-400mm。
更进一步，一组中两个单四极磁铁之间的间距小于300mm，所述两个单四极磁铁的有效长度和孔径相同，极面场强可根据需要进行调整。
本发明的有益效果如下：相比于小束斑扫描法，本发明提供的多极场磁铁布局方法不会改变束流的时间结构，因而可以同时适用于直流束和脉冲束，应用范围更加广泛；相比于双靶散射法，本方法不会带来额外的能散和伴随中子/γ辐射，束流品质较好，更加有利于辐照实验，也可以同时适用于质子束流和重离子束流，更加具有普适性。在能量方面，本发明可以应用于不同的束流能量，只需要调节相应的磁铁场强，即可保证光路和均匀化效果不变，因而对不同能量的束流有较强的包容性。相比于布鲁克海文实验室的八极磁铁校正法方案，本发明只需要使用一个八极磁铁，在达到同样的效果的情况下，降低了对磁铁设计和加工的要求。
附图说明
图1为本发明大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法原理示意图；
图2为本发明实施例中的非线性扩束方法的物理布局示意图；
图3为本发明实施例通过Transport软件计算得到的束流包络示意图；
图4为本发明实施例靶上束流分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，使用两组双单元四极磁铁加一个单八极磁铁来完成扩束及均匀化的工作。两组双单元四极磁铁负责控制束流包络和张角，使得束流进入八极磁铁时，X方向和Y方向的包络和张角尽可能接近，且包络大小比较适中，张角尽可能大，然后用一个单八极磁铁同时对X方向和Y方向进行均匀化。在进行束流线的设计时，通过调节两组双单元四极磁铁的参数(如有效长度、极面场、孔径等)，由束流光学软件拟合计算出束流在X方向和Y方向的包络和张角尽可能接近的位置，作为八极磁铁的设置位置。两组双单元四极磁铁的相距距离在满足安装要求的基础上，一般为200-400mm左右，一组中两个单四极磁铁之间的间距通常比较小，一般控制在300mm以内，且一组中的两个单四极磁铁的有效长度和孔径相同，极面场强可根据需要进行调整。束流的包络不能太小，否则会影响磁铁的工作效果，也不能太大，超出磁铁好场区范围。具体判据要根据束流线的设计来决定。通常情况下，对于孔径为5cm的磁铁，包络大小在1-4cm左右即为比较适中。四极磁铁和八极磁铁物理参数的具体要求取决于束流参数和束流线的实际设计，比如能量、发射度、束流线长度、管道孔径等，再根据实际需要和磁铁制造工艺来确定。这一方案的物理设计如图1所示。图1中，DQ1、DQ2表示两组双单元四极磁铁，OCT1表示八极磁铁，箭头表示束流方向。
根据上述原理，本发明提供了一个基于PSI重离子回旋加速器平台的具体实施例，实际设计的非线性扩束方法的物理布局如图2所示。
束流经过开关磁铁SW1C后进入重离子单粒子效应辐照管道，使用两对双单元四极磁铁DQ1和DQ2对束流包络和张角进行控制，使束流进入八极磁铁OCT1时，X方向的包络与Y方向的包络尽可能接近，且大小合适，X方向和Y方向的张角尽可能大。通过束流光学软件拟合计算，在DQ2以后合适的位置布置八极磁铁，对两个方向的束流同时进行均匀化。通过Transport软件计算得到的束流包络如图3所示。从图3中可以看出，经过两组双单元四极磁铁后，束流参数(X方向和Y方向的束流包络和张角)得到了很好的控制，进入八极磁铁时，两个方向束流包络相等且大小合适，张角几乎相等，有利于八极磁铁对两个方向的束流同时进行均匀化。
该实施例中各元件的参数如表1所示。
表1
得到的靶上束流分布如图4所示。左侧为束流在X方向的分布图，右侧为束流在Y方向的分布图。从图4中可以看出，X方向和Y方向的束流在±10cm的范围内是一个均匀分布，表明本方案达到了获得20cm×20cm均匀束斑的设计目标。
此时束流线总长度为14.515米，靶上束斑均匀性好于90％，束流利用率为46％。根据以往的束流线设计经验，四极磁铁和八极磁铁的极面场需要控制在7-8kG以内，最高不超过14kG，本方案的所有磁铁极面场均在此范围内，方案具有可行性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。这样，倘若对本发明的这些变型、用途适应性变化属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改变型和用途适应性变化在内。
上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (5)
1.一种大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，其特征在于，在束流线上依次设置两组双单元四极磁铁和一个八极磁铁，所述两组双单元四极磁铁控制束流包络和张角，使得束流进入八极磁铁时，X方向和Y方向的包络和张角尽可能接近，且包络大小适中，张角尽可能大，然后通过所述八极磁铁同时对束流的X方向和Y方向进行均匀化。
2.如权利要求1所述的大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，其特征在于，通过调节两组双单元四极磁铁的参数，由束流光学软件拟合计算出束流在X方向和Y方向的包络和张角尽可能接近的位置，作为八极磁铁的设置位置。
3.如权利要求2所述的大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，其特征在于，所调节的两组双单元四极磁铁的参数包括有效长度、极面场、孔径。
4.如权利要求1所述的大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，其特征在于，两组双单元四极磁铁的相距距离一般为200-400mm。
5.如权利要求1或4所述的大面积均匀扩束的多极场磁铁布局方法，其特征在于，一组中两个单四极磁铁之间的间距小于300mm，所述两个单四极磁铁的有效长度和孔径相同，极面场强可根据需要进行调整。
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| 朱飞等: "HI-13 串列加速器重离子辐照束流线的物理设计", 核技术, vol. 37, no. 2, pages 24 - 28 * |
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