CN114401579B - 一种强流高功率粒子束快速点扫描方法、系统和介质 - Google Patents

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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Abstract

本发明属于加速器技术领域，涉及一种强流高功率粒子束快速点扫描方法、系统和介质，包括：通过聚焦元件组把强流高功率粒子束汇聚为小束斑；将强流高功率粒子束的收集平面分为若干格点，格点的尺寸大于强流高功率粒子束的束斑全尺寸；通过快速扫描磁铁，将汇聚后的强流高功率粒子束平均分配到各个格点上；对每个格点对应的束流进行准直，经过准直后的束流进入与其对应的靶孔；当前位置靶孔接受束流照射预设时间后，转入下一位置靶孔，直到扫描完成所有靶孔。该方法将束流快速平均地分配到多个靶内，有效提高同位素生产效率。

Description

一种强流高功率粒子束快速点扫描方法、系统和介质
技术领域
本发明涉及一种强流高功率粒子束快速点扫描方法、系统和介质，属于加速器技术领域，特别涉及加速器强流高功率粒子束技术领域。
背景技术
强流高功率粒子束有广阔的应用前景，包括加速器驱动次临界系统(ADS)、散裂中子源(SNS)、放射性核束(RIB)、同位素生产(IPF)等。以同位素生产为例，国际上具有现运行设备的国家主要有美国、南非、加拿大、俄罗斯等，包括美国布鲁克海文实验室的同位素生产终端(BLIP)、美国洛斯阿拉莫斯实验室的同位素生产设备(IPF)、南非iThembaLABS的南非同位素设备(SAIF)、加拿大TRIUMF的同位素分离与加速(ISAC)设备、俄罗斯的核研究所(INR)等，这些装置的束流流强都在几百μA量级，功率在几十kW量级，但现有设备由于束流流强和功率较低，大大降低了同位素生产效率。
在加速器领域，传统的扫描方法针对的束流一般为低能粒子束，扫描磁铁的工作频率低，难以满足高效同位素生产的扫描需求。在以BLIP和IPF为代表的同位素生产装置中，通过环形扫描的方式来降低峰值功率密度，但这种扫描方式不能够满足mA量级以上高流强的需求：扫描后的靶上束流分布区域小，局部峰值功率密度过高；单靶尺寸大，工程难度高，放射性处理困难。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种强流高功率粒子束快速点扫描方法、系统和介质，可满足强流高功率同位素粒子束快速扫描的需要。
为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种强流高功率粒子束快速点扫描方法，包括：通过聚焦元件组把强流高功率粒子束汇聚为小束斑；将强流高功率粒子束的收集平面分为若干格点，格点的尺寸大于强流高功率粒子束的束斑全尺寸；通过快速扫描磁铁，将汇聚后的强流高功率粒子束平均分配到各个格点上；对每个格点对应的束流进行准直，经过准直后的束流进入与其对应的靶孔；靶孔内放置胶囊靶，胶囊靶由包覆体和内部的靶材料组成；当前位置靶孔接受束流照射预设时间后，转入下一位置靶孔，直到扫描完成所有靶孔。
进一步，强流高功率粒子束的平均流强在mA量级以上，束流占空比在80％以上，平均功率在百kW量级以上。
进一步，聚焦元件组包括若干台四极磁铁，对强流高功率粒子束横截面方向进行约束。
进一步，快速扫描磁铁为冲击型磁铁，产生快速变化的扫描磁场，快速扫描磁铁内采用陶瓷真空管道，其局部最大扫描频率在10kHz量级。
进一步，冲击型磁铁采用供电电流波形为三角波、方波、正弦波的快速脉冲数字电源，其铁芯采用铁氧体材料。
进一步，在强流高功率粒子束进入靶孔前，对其能量、流强、位置和剖面进行测量，以保证束流满足正常打靶条件。
进一步，通过BPM(束流位置探测器)飞行时间方法(ToF)测量束流能量；通过ACCT(交流流强变压器)测量束流流强；通过BPM测量束流位置；通过双向多丝与靶前成像装置测量束流剖面。
进一步，扫描路径确定方法为：根据所有靶孔分布情况以及收集平面形状，确定扫描路径，并基于扫描路径设置水平方向快速扫描磁铁和垂直方向快速扫描磁铁的电流-时间曲线。
本发明还公开了一种强流高功率粒子束快速点扫描系统，包括：聚焦模块，用于通过聚焦元件组把强流高功率粒子束汇聚为小束斑；格点设置模块，用于将强流高功率粒子束的收集平面分为若干格点，格点的尺寸大于强流高功率粒子束的束斑全尺寸；分配模块，用于通过快速扫描磁铁，将汇聚后的强流高功率粒子束平均分配到各个格点上；准直模块，用于对每个格点对应的束流进行准直，经过准直后的束流进入与其对应的靶孔；扫描模块，用于当前位置靶孔接受束流照射预设时间后，转入下一位置靶孔，直到扫描完成所有靶孔。
本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行根据上述任一项的强流高功率粒子束快速点扫描方法。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明提供了一种强流高功率粒子束快速点扫描方法，将束流快速平均地分配到多个靶内，有效提高同位素生产效率。
2、本发明中，相比单个大靶，多个分立小靶具备独立工作的优势，若需同一批次生产不同种类的同位素，则可通过在小靶孔中放置含不同靶材的胶囊靶来实现，方便快捷。同时，分立靶的设计也会降低各个小靶前准直器上的能量沉积和工程设计难度。
附图说明
图1是本发明一实施例中的强流高功率粒子束装置的示意图；
图2是本发明一实施例中的强流高功率粒子束装置中靶孔的示意图；
图3是本发明一实施例中的靶孔扫描路径的示意图；
图4是本发明一实施例中扫描过程中水平方向(X方向)与垂直方向(Y方向)靶上束斑中心位置随时间的变化图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明涉及一种强流高功率粒子束快速点扫描方法、系统和介质，可以将强流束在十毫秒量级的时间尺度上分配至不同的分立小靶，在分立小靶承受的峰值流强密度不提高的前提下，可以接受更高平均流强的束流。同时，相比单个大靶，多个分立小靶具备独立工作的优势，若需同一批次生产不同种类的同位素，则可通过在小靶内放置不同靶材来实现，方便快捷。同时，分立靶的设计也会降低各个小靶前准直器上的能量沉积和工程设计难度。下面通过两个实施例结合附图，对本发明的方案进行详细说明。
实施例一
本实施例公开了一种强流高功率粒子束快速点扫描方法，如图1所示，本实施例中强流高功率粒子束的平均流强在mA量级以上，束流占空比在80％以上，平均功率在百kW量级以上。本实施例采用100MeV质子束，微脉冲频率为162.5MHz，宏脉冲长度为500μs，峰值流强为2mA，占空比为83％，束线总长约58m。该方法包括：
S1通过聚焦元件组把强流高功率粒子束汇聚为小束斑。聚焦元件组包括若干台四极磁铁，对强流高功率粒子束横截面方向进行约束。
S2将强流高功率粒子束的收集平面分为若干格点，格点的尺寸大于强流高功率粒子束的束斑全尺寸。
S3通过快速扫描磁铁，将汇聚后的强流高功率粒子束平均分配到各个格点上。
快速扫描磁铁为冲击型磁铁，产生快速变化的扫描磁场，快速扫描磁铁内采用陶瓷真空管道，其局部最大扫描频率在10kHz量级。冲击型磁铁采用供电电流波形为三角波和方波等的快速脉冲数字电源，其铁芯采用铁氧体材料。
S4对每个格点对应的束流进行准直，经过刮束环准直后的束流进入与其对应的靶孔。
强流高功率粒子束在进入靶孔前，对其能量、流强、位置和剖面进行测量，以保证束流满足正常打靶条件。通过BPM飞行时间方法测量束流能量；通过ACCT测量束流强度；通过BPM测量束流位置；通过双向多丝与靶前成像装置测量束流剖面。
S5当前位置靶孔接受束流照射一定时间后，转入下一位置靶孔，直到扫描完成所有靶孔。
扫描路径确定方法为：根据所有靶孔分布情况以及收集平面形状，确定扫描路径，并基于扫描路径设置水平方向快速扫描磁铁和垂直方向快速扫描磁铁的电流-时间曲线。
靶孔分布如图2所示，规划一个完整周期内束流行走路径，如图3所示，束流在一个靶孔停留500μs后，用100μs的时间转移至下一个邻近靶孔，直至所有靶孔走完，全周期用时12ms，束斑中心在靶上扫描过程中水平方向(X方向)与垂直方向(Y方向)靶上束斑中心位置随时间的变化图如图4所示。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种强流高功率粒子束快速点扫描系统，包括：
聚焦模块，用于通过聚焦元件组把强流高功率粒子束汇聚为小束斑；
格点设置模块，用于将强流高功率粒子束的收集平面分为若干格点，格点的尺寸大于强流高功率粒子束的束斑全尺寸；
分配模块，用于通过快速扫描磁铁，将汇聚后的强流高功率粒子束平均分配到各个格点上；
准直模块，用于对每个格点对应的束流进行准直，经过准直后的束流进入与其对应的靶孔；
扫描模块，用于当前位置靶孔接受束流照射预设时间后，转入下一位置靶孔，直到扫描完成所有靶孔。
实施例三
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行根据上述任一项的强流高功率粒子束快速点扫描方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，包括：
通过聚焦元件组把强流高功率粒子束汇聚为小束斑；
将强流高功率粒子束的收集平面分为若干格点，所述格点的尺寸大于所述强流高功率粒子束的束斑全尺寸；
通过快速扫描磁铁，将汇聚后的所述强流高功率粒子束平均分配到各个所述格点上；
对每个格点对应的束流进行准直，经过准直后的束流进入与其对应的靶孔；
当前位置靶孔接受束流照射预设时间后，转入下一位置靶孔，直到扫描完成所有靶孔。
2.如权利要求1所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，
所述强流高功率粒子束的粒子束平均流强在mA量级以上，束流占空比在80％以上，平均功率在百kW量级以上。
3.如权利要求2所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，所述聚焦元件组包括若干台四极磁铁，对所述强流高功率粒子束横截面方向进行约束。
4.如权利要求1所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，所述快速扫描磁铁为冲击型磁铁，产生快速变化的扫描磁场，所述快速扫描磁铁内采用陶瓷真空管道，其局部最大扫描频率在10kHz量级。
5.如权利要求4所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，所述冲击型磁铁采用供电电流波形为三角波、方波或正弦波的快速脉冲数字电源，其铁芯采用铁氧体材料。
6.如权利要求1所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，所述强流高功率粒子束在进入靶孔前，对其能量、流强、位置和剖面进行测量，以保证束流满足正常打靶条件。
7.如权利要求6所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，通过BPM飞行时间方法测量束流能量；通过ACCT测量束流强度；通过BPM测量束流位置；通过双向多丝与靶前成像装置测量束流剖面。
8.如权利要求1所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法，其特征在于，扫描路径确定方法为：根据所有靶孔分布情况以及收集平面形状，确定扫描路径，并基于所述扫描路径设置水平方向快速扫描磁铁和垂直方向快速扫描磁铁的电流-时间曲线。
9.一种强流高功率粒子束快速点扫描系统，其特征在于，包括：
聚焦模块，用于通过聚焦元件组把强流高功率粒子束汇聚为小束斑；
格点设置模块，用于将强流高功率粒子束的收集平面分为若干格点，所述格点的尺寸大于所述强流高功率粒子束的束斑全尺寸；
分配模块，用于通过快速扫描磁铁，将汇聚后的所述强流高功率粒子束平均分配到各个所述格点上；
准直模块，用于对每个格点对应的束流进行准直，经过准直后的束流进入与其对应的靶孔；
扫描模块，用于当前位置靶孔接受束流照射预设时间后，转入下一位置靶孔，直到扫描完成所有靶孔。
10.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至8任一项所述的强流高功率粒子束快速点扫描方法。
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