CN114496336A - 点-点成像以及点-平行成像束线传输装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点‑点成像以及点‑平行成像束线传输装置及其实现方法。本发明在传输路径中设置磁铁元件，利用弱聚焦磁铁在水平方向X和竖直方向Y同时聚焦且在X方向分析能量的特点，基于弱聚焦作用实现双消色差传输，消除色差效应对粒子束传输的影响，在双消色差系统出口得到接近靶点尺寸的粒子束，保留激光驱动粒子束的高亮度特性，实现大能散、大散角粒子束的点‑点成像；在传输中选择能量并整形能谱；另外使能量越高的粒子走越长的路径，压缩脉冲长度，保留粒子束的短脉冲特性，满足温稠密物质研究、快点火等应用对粒子束空间、时间特性的要求；通过三元四极透镜实现点‑平行成像，将粒子束变为大面积准直束，满足癌症治疗等应用的要求。

Description

点-点成像以及点-平行成像束线传输装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及粒子束传输与激光加速器应用技术，具体涉及一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置及其实现方法。

背景技术

超强激光出现后，以极高的能量密度将人类可实现的极端物理条件下的研究推进了一大步，激光等离子体作用，以新的加速机制将加速梯度提高到100GV/m的量级，能够在微米尺度把离子加速到～MeV，在厘米尺度把电子加速到～GeV，有望成为应用在诸多领域的新一代紧凑、低成本加速装置。

超强激光与等离子体作用产生的质子束，具有初始束斑小(～10μm)、脉冲长度ps量级、电流高、能谱宽等特点，其独特的束流品质有很大潜力用于温稠密物质研究、快点火、成像、癌症治疗等。

由于强激光的存在，激光打靶产生的微米量级粒子束难以直接应用。另外打靶产生的热电子和强电磁脉冲干扰测量。激光与等离子体作用的不稳定性导致加速产生的粒子束存在能量、电量等波动。不同于传统加速器中的单能束，激光驱动粒子束通常有指数上升的能谱，癌症治疗等应用需要的扩展的布拉格峰要求随能量上升的能谱，因此需要能谱整形，降低低能部分粒子的数目。这些问题要求利用束线将粒子束传输到应用端，保持粒子束的空间、时间特性，在束线上非拦截诊断、控制粒子束的能量、能散、电量等，使激光加速器发挥出真正的应用价值。

四极磁铁与偏转磁铁组成的消色差系统是常用的消色差设计，但只能在横向的一个方向消色差，实现点-点成像传输，在另一个方向不能消色差；即使是消色差设计中，色差仍然有影响。这导致激光驱动粒子束的品质在传输中难以保持，影响激光加速器的应用。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，围绕激光驱动粒子束的传输与应用，针对非消色差传输中色差效应导致粒子束不能实现点-点传输的问题以及单方向消色差束线的局限，本发明提出了一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置及其实现方法。

在激光靶室内，激光脉冲与靶相互作用，产生微米量级的粒子束，激光脉冲与靶的作用点称为靶点；激光靶室为真空环境，粒子束产生后沿真空管道传输。

本发明的一个目的在于提出一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置。

本发明的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置包括：第一和第二弱聚焦磁铁以及三元四极透镜；其中，第一和第二弱聚焦磁铁具有相同的形状和尺寸，对粒子的偏转方向相反；第一弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，第一弱聚焦磁铁的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁，在实验室坐标系X′Y′Z′中第一漂浮段沿Z′轴方向；第一弱聚焦磁铁的出口正对着第二弱聚焦磁铁的入口，第一弱聚焦磁铁的出口与第二弱聚焦磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；第二弱聚焦磁铁的出口对着双消色差系统出口，第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃，沿Z′轴方向，并且第三漂浮段的长度与第一漂浮段的长度相等，即L₃＝L₁；第一和第二弱聚焦磁铁与第一至第三漂浮段构成双消色差系统；第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口的延长线上放置三元四极透镜，三元四极透镜包括三个四极磁铁；双消色差系统出口与三元四极透镜之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄，沿Z′轴方向，三元四极透镜沿Z′轴摆放；

激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，经过第一漂浮段进入至第一弱聚焦磁铁，第一弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在第一弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开；粒子坐标系跟随粒子的运动改变，粒子坐标系的原点始终在参考粒子处，参考粒子是假想的始终沿预设轨道运动的粒子，Z轴始终沿参考粒子的前进方向，在第一和第二弱聚焦磁铁中，X轴始终沿径向；粒子束漂浮穿过第二漂浮段，进入至第二弱聚焦磁铁；散角是粒子坐标系中相对于Z轴的角度，在每一个漂浮段中，粒子的散角保持不变，在第一和第二弱聚焦磁铁中，Z轴沿切向，参考粒子的散角始终为零，但偏转角度不为零，而其他粒子的散角在偏转中不断改变，但不等于偏转角度；在第一和第二弱聚焦磁铁中，散角的改变量决定于X和Y方向的聚焦力，聚焦力随着偏转角度的增加而增加；在第二弱聚焦磁铁的入口，不同能量的粒子沿X方向分开；离开第二弱聚焦磁铁的出口的粒子束传输过第三和第四漂浮段，经过三元四极透镜，实现点-平行成像，到达辐照终端；

双消色差要求：在第二漂浮段中，在X方向相同能量的粒子具有相同的散角，即轨迹互相平行，同时在Y方向所有粒子准直，即与Z轴平行，散角为0；在偏转角度相同的第一和第二弱聚焦磁铁中，所有能量的偏转角度相同，导致在第二漂浮段中低能和高能粒子的散角不满足在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直的条件；因此，第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口，分别设置边缘角，即第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向具有夹角，夹角为a(0<a<1rad)；第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的边缘角，改变粒子在第一和第二弱聚焦磁铁中的偏转角度，即减小低能粒子的偏转角度，增加高能粒子的偏转角度，改变偏转角度的同时也改变了X和Y方向的聚焦力，聚焦力的改变直接改变离开第一和第二弱聚焦磁铁时粒子的散角，减少低能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，以及增加高能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，在双消色差系统出口处，使得低能粒子的像点即焦点的纵向位置出现得晚些以及高能粒子的像点出现得早些；

并且在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前分别设置两个导向磁铁；相同能量且不同初始散角的粒子在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口处在X方向的位置不同，边缘角的影响不同，导致偏转角度不同，在像点处不能同时成像；在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前的导向磁铁，补偿边缘角在X方向对散角的影响；导向磁铁的磁场为均匀磁场，导向磁铁对粒子产生偏转，在导向磁铁中，散角的改变量决定于偏转角度，并且与偏转角度相等；在X方向对粒子的散角的改变量与边缘角对散角的改变量大小相同且方向相反；边缘角和导向磁铁的配合，保证了同一能量且不同初始散角的粒子的总偏转角度相同，同时改变了不同能量的粒子的偏转角度，即低能粒子减少且高能粒子增加，使低能和高能粒子的散角满足双消色差要求，即满足在第二漂浮段中在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直；有效减小了色差和运动方程中的非线性项在消色差传输中的影响，从而使低能、中心能量和高能粒子的像点的纵向位置相同，实现了所有能量的粒子从靶点到双消色差系统出口的点-点成像传输，保留激光驱动粒子束的高亮度特性。

从靶点出来的粒子束均在管道中传输，管道中保持真空，从第一和第二弱聚焦磁铁以及三元四极透镜的磁极面间隙中穿过；并且粒子束的路径上不设置任何障碍；第二漂浮段，从三元四极透镜的四极磁铁之间的空隙中穿过。

第一和第二弱聚焦磁铁采用C型磁铁，便于狭缝选能的操作。

在双消色差系统出口处粒子束的横向相空间回到靶点处的状态，横向尺寸保持在靶点处的微米量级，双消色差系统出口输出的粒子束是微米尺寸的粒子束，适合要求高亮度的应用；在双消色差系统出口之后，通过三元四极透镜实现点-平行成像，将粒子束变为厘米量级，满足辐照应用的要求。

利用束流传输动力学，得到第一和第二弱聚焦磁铁的中心能量粒子的偏转半径r和偏转角度θ与第一和第二漂浮段的长度L₁和L₂以及磁场降落指数n之间的严格的关系限制：

在X方向：

在Y方向：

当中心能量粒子的偏转半径r和第一漂浮段的长度L₁确定后，由1.1式和1.2式，在0＜θ＜2π的范围内，得到满足要求的偏转角度θ和磁场降落指数n，再通过1.3式得到第二漂浮段的长度L₂。中心能量粒子的偏转半径r与中心能量的平方根成正比，第一漂浮段的长度L₁在0.1～0.5m之间选择。由1.3式得到第二漂浮段的长度L₂，L₃＝L₁，双消色差系统的参数确定，实现在第一和第二弱聚焦磁铁之间的第二漂浮段中，在X方向相同能量的粒子有相同的散角，即轨迹互相平行；同时在Y方向所有粒子准直。

粒子束在第一和第二弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后，相同能量的粒子聚集且不同能量粒子沿X方向分开，在第一或第二弱聚焦磁铁沿X方向设置狭缝，从而选择粒子的能量范围。

在双消色差系统中，粒子在第一和第二弱聚焦磁铁中偏转时，偏转半径随能量增加，路径长度增加，通过选择合适的中心能量粒子的偏转半径r和第一漂浮段的长度L₁，其他参数由1.1式、1.2式和1.3式确定，使弱聚焦磁铁和漂浮段产生的正和负能量啁啾抵消，压缩粒子束纵向脉冲长度，保持激光驱动粒子束的短脉冲特性。

第四漂浮段的长度L₄和三元四极透镜(由第一、第二和第三四极磁铁Q1、Q2和Q3组成)的参数根据应用要求选择，第四漂浮段的长度L₄以及第一、第二和第三四极磁铁的间距范围在5cm与30cm之间。在靶点到双消色差系统出口的点-点成像传输的基础上，通过三元四极透镜实现点-平行成像，将粒子束变成大面积准直束用于辐照。

导向磁铁在XZ平面的截面形状，由z＝0和1.4式决定的曲线确定，并顺时针旋转角度，旋转角度等于边缘角。式中C为常数，决定于磁场强度，a为第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向的夹角。

电流方向决定磁场方向，当第一和第二弱聚焦磁铁的电流方向为正时传输质子束、离子束或正电子束；电流方向为负时，传输电子束。

本发明的另一个目的在于提出一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置的实现方法。

本发明的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置的实现方法，包括以下步骤：

1)装置设置：

a)第一和第二弱聚焦磁铁具有相同的形状和尺寸，对粒子的偏转方向相反；

b)第一弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，第一弱聚焦磁铁的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁，在实验室坐标系X′Y′Z′中第一漂浮段沿Z′轴方向；

c)第一弱聚焦磁铁的出口正对着第二弱聚焦磁铁的入口，第一弱聚焦磁铁的出口与第二弱聚焦磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；

d)第二弱聚焦磁铁的出口对着双消色差系统出口，第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃，沿Z′轴方向，并且第三漂浮段的长度与第一漂浮段的长度相等，即L₃＝L₁；

e)第一和第二弱聚焦磁铁与第一至第三漂浮段构成双消色差系统；第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口的延长线上放置三元四极透镜，三元四极透镜包括三个四极磁铁；

f)双消色差系统出口与三元四极透镜之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄，沿Z′轴方向，三元四极透镜沿Z′轴摆放；

2)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，经过第一漂浮段进入至第一弱聚焦磁铁，第一弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在第一弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开；粒子坐标系跟随粒子的运动改变，粒子坐标系的原点始终在参考粒子处，参考粒子是假想的始终沿预设轨道运动的粒子，Z轴始终沿参考粒子的前进方向，在第一和第二弱聚焦磁铁中，X轴始终沿径向；粒子束漂浮穿过第二漂浮段，进入至第二弱聚焦磁铁；散角是粒子坐标系中相对于Z轴的角度，在每一个漂浮段中，粒子的散角保持不变，在第一和第二弱聚焦磁铁中，Z轴沿切向，参考粒子的散角始终为零，但偏转角度不为零，而其他粒子的散角在偏转中不断改变，但不等于偏转角度；在第一和第二弱聚焦磁铁中，散角的改变量决定于X和Y方向的聚焦力，聚焦力随着偏转角度的增加而增加；在第二弱聚焦磁铁的入口，不同能量的粒子沿X方向分开；

3)双消色差要求：在第二漂浮段中，在X方向相同能量的粒子具有相同的散角，即轨迹互相平行，同时在Y方向所有粒子准直，即与Z轴平行，散角为0；在偏转角度相同的第一和第二弱聚焦磁铁中，所有能量的偏转角度相同，导致在第二漂浮段中低能和高能粒子的散角不满足在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直的条件；因此，第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口，分别设置边缘角，即第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向具有夹角，夹角为a(0<a<1rad)；第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的边缘角，改变粒子在第一和第二弱聚焦磁铁中的偏转角度，即减小低能粒子的偏转角度，增加高能粒子的偏转角度，改变偏转角度的同时也改变了X和Y方向的聚焦力，聚焦力的改变直接改变离开第一和第二弱聚焦磁铁时粒子的散角，减少低能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，以及增加高能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，在双消色差系统出口处，使得低能粒子的像点即焦点的纵向位置出现得晚些以及高能粒子的像点出现得早些；

4)并且在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前分别设置两个导向磁铁；相同能量且不同初始散角的粒子在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口处在X方向的位置不同，边缘角的影响不同，导致偏转角度不同，在像点处不能同时成像；在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前的导向磁铁，补偿边缘角在X方向对散角的影响；导向磁铁的磁场为均匀磁场，导向磁铁对粒子产生偏转，在导向磁铁中，散角的改变量决定于偏转角度，并且与偏转角度相等；在X方向对粒子的散角的改变量与边缘角对散角的改变量大小相同且方向相反；边缘角和导向磁铁的配合，保证了同一能量且不同初始散角的粒子的总偏转角度相同，同时改变了不同能量的粒子的偏转角度，即低能粒子减少且高能粒子增加，使低能和高能粒子的散角满足双消色差要求，即满足在第二漂浮段中在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直；有效减小了色差和运动方程中的非线性项在消色差传输中的影响，从而使低能、中心能量和高能粒子的像点的纵向位置相同，实现了所有能量的粒子从靶点到双消色差系统出口的点-点成像传输，保留激光驱动粒子束的高亮度特；

5)离开第二弱聚焦磁铁的出口的粒子束传输过第三和第四漂浮段，经过三元四极透镜，实现点-平行成像，到达辐照终端。

本发明的优点：

由于粒子束具有能散和散角，传输中不可避免地在横向和纵向膨胀，因而需要聚焦，另外需要分析和选择能量范围；本发明在传输路径中设置磁铁元件，利用弱聚焦磁铁在水平方向X和竖直方向Y同时聚焦、在X方向分析能量的特点，设计基于弱聚焦作用的双消色差(X方向和Y方向都消色差)传输的束线方案，消除色差效应对粒子束传输的影响，在双消色差系统出口得到接近靶点尺寸的粒子束，保留激光驱动粒子束的高亮度特性，实现大能散、大散角粒子束的点-点成像；在传输中选择能量且整形能谱；另外使能量越高的粒子走越长的路径，压缩脉冲长度，保留粒子束的短脉冲特性，满足温稠密物质研究、快点火等应用对粒子束空间、时间特性的要求；通过三元四极透镜实现点-平行成像，将粒子束变为大面积准直束，满足癌症治疗等应用的要求。

附图说明

图1为本发明的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置的一个实施例的边缘角和导向磁铁的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置包括：第一弱聚焦磁铁M1、第二弱聚焦磁铁M2以及三元四极透镜；其中，第一和第二弱聚焦磁铁具有相同的形状和尺寸，偏转方向相反；第一弱聚焦磁铁的入口正对着靶点T，第一弱聚焦磁铁的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁，在实验室坐标系X′Y′Z′中第一漂浮段沿Z′轴方向；第一弱聚焦磁铁的出口正对着第二弱聚焦磁铁的入口，第一弱聚焦磁铁的出口与第二弱聚焦磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；第二弱聚焦磁铁的出口对着双消色差系统出口E，第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃，沿Z′轴方向，并且第三漂浮段的长度与第一漂浮段的长度相等，即L₃＝L₁；第一和第二弱聚焦磁铁与第一至第三漂浮段构成双消色差系统；第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口的延长线上放置三元四极透镜，三元四极透镜包括第一、第二和第三四极磁铁Q1、Q2和Q3，各个四极磁铁之间为真空不存在磁场，双消色差系统出口与三元四极透镜之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄，沿Z′轴方向，三元四极透镜沿Z′轴摆放。从靶点T出来的粒子束B均在管道G中传输，管道中保持真空，从第一和第二弱聚焦磁铁以及三元四极透镜的第一、第二和第三四极磁铁Q1、Q2和Q3的磁极面间隙中穿过，到达辐照终端P；并且粒子束的路径上不设置任何障碍；第二漂浮段，从三元四极透镜的四极磁铁之间的空隙中穿过。

第一和第二弱聚焦磁铁没有边缘角时，磁极端面与径向平行，参考粒子垂直进入或离开磁铁。在1.1式和1.2式中，由于不同能量粒子的偏转半径有差异，导致满足双消色差要求的偏转角度θ随能量增加。没有边缘角时，所有粒子的偏转角度相同。低能粒子的实际偏转角度超过了双消色差要求的角度，在水平和竖直方向受到了过大的聚焦力，导致在双消色差系统出口E处，低能粒子的像点(焦点)纵向位置比中心能量粒子的像点更早出现，而高能粒子的像点出现的更晚。最终导致在中心能量粒子的像点处，其他能量的粒子不能实现点-点成像，粒子束的高亮度特性不能保持，同时直接影响后续点-平行成像。另外运动方程中的非线性项对传输也有不利影响。

为了减小色差的影响，利用不同能量的粒子在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口沿X方向分开的特点，在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口设计边缘角，即磁极端面与径向具有夹角，夹角为a，如图1和图2所示，以减小低能粒子的偏转角度，增加高能粒子的偏转角度。

相同能量、不同初始散角的粒子在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口处在X方向的位置不同，边缘角的影响不同，导致偏转角度不同，在像点处不能同时成像。因而在第一弱聚焦磁铁的出口的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的入口的边缘角之前需要设计特殊的导向磁铁，补偿边缘角在X方向对散角的影响。导向磁铁的磁场为均匀磁场，在X方向对粒子散角的改变量随位置增加，形状如图2所示，图2中O为XZ坐标系的原点。边缘角和导向磁铁的配合，保证了同一能量、不同初始散角的粒子的偏转角度相同，同时改变了不同能量粒子的偏转角度(低能粒子减少、高能粒子增加)，有效减小了色差和运动方程中的非线性项在消色差传输中的影响，实现了从靶点T到双消色差系统出口E的点-点成像传输，保留激光驱动粒子束的高亮度特性。导向磁铁在XZ平面的截面形状，由z＝0和1.4式决定的曲线确定，并顺时针旋转角度，旋转角度等于边缘角，如图2中阴影区域所示，两个导向磁铁的顶角相对，并且位于XZ坐标系的原点O，导向磁铁的一边紧挨着边缘角。式中C为常数，决定于磁场强度，a为第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向的夹角，导向磁铁的在XZ平面的截面形状满足下式：

在本实施例中，传输15MeV质子束，设计第一和第二弱聚焦磁铁的偏转半径为0.5m，磁场强度为1T，L₁＝L₃＝0.15m，L₂＝1.4m，L₄＝0.15m，第一和第二弱聚焦磁铁的边缘角为0.39rad，三元四极透镜的第一、第二和第三四极磁铁Q1、Q2和Q3的长度都是0.15m，第一与第二四极磁铁的间距是0.15m，第二与第三四极磁铁的间距是0.6m，第三四极磁铁与辐照平台的距离可以在0.1～1m之间选择。第一、第二和第三四极磁铁Q1、Q2和Q3的磁场梯度分别为0.223、-0.127和0.032T/cm。在第一弱聚焦磁铁的入口处设置圆孔狭缝选择±50mrad散角内的质子束，在第二弱聚焦磁铁中设置狭缝S，选择能量范围，例如20％能散；对于癌症治疗等应用，在狭缝处整形能谱，减少低能质子的数目。

本实施例的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置的实现方法，包括以下步骤：

1)装置设置如图1所示；

2)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，经过第一漂浮段进入至第一弱聚焦磁铁，第一弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在第一弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开；粒子坐标系跟随粒子的运动改变，粒子坐标系的原点始终在参考粒子处，参考粒子是假想的始终沿预设轨道运动的粒子，Z轴始终沿参考粒子的前进方向，在第一和第二弱聚焦磁铁中，X轴始终沿径向；粒子束漂浮穿过第二漂浮段，进入至第二弱聚焦磁铁；散角是粒子坐标系中相对于Z轴的角度，在每一个漂浮段中，粒子的散角保持不变，在第一和第二弱聚焦磁铁中，Z轴沿切向，参考粒子的散角始终为零，但偏转角度不为零，而其他粒子的散角在偏转中不断改变，但不等于偏转角度；在第一和第二弱聚焦磁铁中，散角的改变量决定于X和Y方向的聚焦力，聚焦力随着偏转角度的增加而增加；在第二弱聚焦磁铁的入口，不同能量的粒子沿X方向分开；

3)双消色差要求：在第二漂浮段中，在X方向相同能量的粒子具有相同的散角，即轨迹互相平行，同时在Y方向所有粒子准直，即与Z轴平行，散角为0；在偏转角度相同的第一和第二弱聚焦磁铁中，所有能量的偏转角度相同，导致在第二漂浮段中低能和高能粒子的散角不满足在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直的条件；因此，第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口，分别设置边缘角，即第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向具有夹角，夹角为a(0<a<1rad)；第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的边缘角，改变粒子在第一和第二弱聚焦磁铁中的偏转角度，即减小低能粒子的偏转角度，增加高能粒子的偏转角度，改变偏转角度的同时也改变了X和Y方向方向的聚焦力，聚焦力的改变直接改变离开第一和第二弱聚焦磁铁时粒子的散角，减少低能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，以及增加高能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，在双消色差系统出口处，使得低能粒子的像点即焦点的纵向位置出现得晚些以及高能粒子的像点出现得早些；

4)并且在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前分别设置两个导向磁铁；相同能量且不同初始散角的粒子在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口处在X方向的位置不同，边缘角的影响不同，导致偏转角度不同，在像点处不能同时成像；在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前的导向磁铁，补偿边缘角在X方向对散角的影响；导向磁铁的磁场为均匀磁场，导向磁铁对粒子产生偏转，在导向磁铁中，散角的改变量决定于偏转角度，并且与偏转角度相等；在X方向对粒子的散角的改变量与边缘角对散角的改变量大小相同且方向相反；边缘角和导向磁铁的配合，保证了同一能量且不同初始散角的粒子的总偏转角度相同，同时改变了不同能量的粒子的偏转角度，即低能粒子减少且高能粒子增加，使低能和高能粒子的散角满足双消色差要求，即满足在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直；有效减小了色差和运动方程中的非线性项在消色差传输中的影响，从而使低能、中心能量和高能粒子的像点的纵向位置相同，实现了所有能量的粒子从靶点到双消色差系统出口的点-点成像传输，粒子束的尺寸保持在靶点处的微米量级。同时纵向脉冲长度得到压缩，在双消色差系统出口E处可以将高亮度、短脉冲质子束用于温稠密物质研究、快点火等应用；

5)离开第二弱聚焦磁铁的出口的粒子束传输过第三和第四漂浮段，经过三元四极透镜，到达辐照终端P，实现点-平行成像，保留激光驱动粒子束的高亮度特，得到直径3厘米、剂量均匀的粒子束。

漂浮段中可以加入束流诊断手段，测量质子束参数。

第一和第二弱聚焦磁铁的电流方向决定第一和第二弱聚焦磁铁的磁场方向，电流方向改变则磁场方向改变，当第一和第二弱聚焦磁铁的电流方向为正时传输质子束、离子束或正电子束；电流方向为负时，传输电子束。

从本实施例可以看出，本发明能够在紧凑空间实现大能散、大散角粒子束的精确选能、保留高亮度特性、保留短脉冲特性、束流均匀化，突破激光驱动粒子束高品质应用的难题，推动激光加速器的小型化应用。利用超导磁铁产生高梯度磁场的技术，本发明能够在紧凑空间传输更高能量粒子束。

本实施例是为了展示束线的一般设计。实际应用中通常只需要粒子束的高亮度、短脉冲特性，或者大面积均匀束，能够根据特定应用需求优化束线参数。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，所述点-点成像以及点-平行成像束线传输装置包括：第一和第二弱聚焦磁铁以及三元四极透镜；其中，第一和第二弱聚焦磁铁具有相同的形状和尺寸，对粒子的偏转方向相反；第一弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，第一弱聚焦磁铁的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁，在实验室坐标系X′Y′Z′中第一漂浮段沿Z′轴方向；第一弱聚焦磁铁的出口正对着第二弱聚焦磁铁的入口，第一弱聚焦磁铁的出口与第二弱聚焦磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；第二弱聚焦磁铁的出口对着双消色差系统出口，第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃，沿Z′轴方向，并且第三漂浮段的长度与第一漂浮段的长度相等，即L₃＝L₁；第一和第二弱聚焦磁铁与第一至第三漂浮段构成双消色差系统；第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口的延长线上放置三元四极透镜，三元四极透镜包括三个四极磁铁；双消色差系统出口与三元四极透镜之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄，沿Z′轴方向，三元四极透镜沿Z′轴摆放；

激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，经过第一漂浮段进入至第一弱聚焦磁铁，第一弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在第一弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开；粒子坐标系跟随粒子的运动改变，粒子坐标系的原点始终在参考粒子处，参考粒子是假想的始终沿预设轨道运动的粒子，Z轴始终沿参考粒子的前进方向，在第一和第二弱聚焦磁铁中，X轴始终沿径向；粒子束漂浮穿过第二漂浮段，进入至第二弱聚焦磁铁；散角是粒子坐标系中相对于Z轴的角度，在每一个漂浮段中，粒子的散角保持不变，在第一和第二弱聚焦磁铁中，Z轴沿切向，参考粒子的散角始终为零，但偏转角度不为零，而其他粒子的散角在偏转中不断改变，但不等于偏转角度；在第一和第二弱聚焦磁铁中，散角的改变量决定于X和Y方向的聚焦力，聚焦力随着偏转角度的增加而增加；在第二弱聚焦磁铁的入口，不同能量的粒子沿X方向分开；离开第二弱聚焦磁铁的出口的粒子束传输过第三和第四漂浮段，经过三元四极透镜，实现点-平行成像，到达辐照终端；

双消色差要求：在第二漂浮段中，在X方向相同能量的粒子具有相同的散角，即轨迹互相平行，同时在Y方向所有粒子准直，即与Z轴平行，散角为0；在偏转角度相同的第一和第二弱聚焦磁铁中，所有能量的偏转角度相同，导致在第二漂浮段中低能和高能粒子的散角不满足在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直的条件；因此，第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口，分别设置边缘角，即第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向具有夹角，夹角为a；第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的边缘角，改变粒子在第一和第二弱聚焦磁铁中的偏转角度，即减小低能粒子的偏转角度，增加高能粒子的偏转角度，改变偏转角度的同时也改变了X和Y方向的聚焦力，聚焦力的改变直接改变离开第一和第二弱聚焦磁铁时粒子的散角，减少低能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，以及增加高能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，在双消色差系统出口处，使得低能粒子的像点即焦点的纵向位置出现得晚些以及高能粒子的像点出现得早些；

并且在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前分别设置两个导向磁铁；相同能量且不同初始散角的粒子在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口处在X方向的位置不同，边缘角的影响不同，导致偏转角度不同，在像点处不能同时成像；在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前的导向磁铁，补偿边缘角在X方向对散角的影响；导向磁铁的磁场为均匀磁场，导向磁铁对粒子产生偏转，在导向磁铁中，散角的改变量决定于偏转角度，并且与偏转角度相等；在X方向对粒子的散角的改变量与边缘角对散角的改变量大小相同且方向相反；边缘角和导向磁铁的配合，保证了同一能量且不同初始散角的粒子的总偏转角度相同，同时改变了不同能量的粒子的偏转角度，即低能粒子减少且高能粒子增加，使低能和高能粒子的散角满足双消色差要求，即满足在第二漂浮段中在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直；有效减小了色差和运动方程中的非线性项在消色差传输中的影响，从而使低能、中心能量和高能粒子的像点的纵向位置相同，实现了所有能量的粒子从靶点到双消色差系统出口的点-点成像传输，保留激光驱动粒子束的高亮度特性。

2.如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，所述第一和第二弱聚焦磁铁的中心能量粒子的偏转半径r和偏转角度θ与第一和第二漂浮段的长度L₁和L₂以及磁场降落指数n满足：

在X方向：

在Y方向：

中心能量粒子的偏转半径r和第一漂浮段的长度L₁确定后，由1.1式和1.2式，在0＜θ＜2π的范围内，得到满足要求的偏转角度θ和磁场降落指数n，再通过1.3式得到第二漂浮段的长度L₂。

3.如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，所述导向磁铁在XZ平面的截面形状满足：

其中，C为常数，a为第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向的夹角。

4.如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，所述第一和第二弱聚焦磁铁的电流方向为正时，传输质子束、离子束或正电子束；电流方向为负时，传输电子束。

5.如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，所述第四漂浮段的长度L₄在5cm至30cm之间。

6.如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，所述第一、第二和第三四极磁铁之间的间距范围在5cm至30cm之间。

7.如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，还包括狭缝，在第一或第二弱聚焦磁铁沿X方向设置狭缝，从而选择粒子的能量范围。

8.如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置，其特征在于，所述第一和第二弱聚焦磁铁采用C型磁铁。

9.一种如权利要求1所述的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)装置设置：

a)第一和第二弱聚焦磁铁具有相同的形状和尺寸，对粒子的偏转方向相反；

b)第一弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，第一弱聚焦磁铁的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁，在实验室坐标系X′Y′Z′中第一漂浮段沿Z′轴方向；

c)第一弱聚焦磁铁的出口正对着第二弱聚焦磁铁的入口，第一弱聚焦磁铁的出口与第二弱聚焦磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；

d)第二弱聚焦磁铁的出口对着双消色差系统出口，第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃，沿Z′轴方向，并且第三漂浮段的长度与第一漂浮段的长度相等，即L₃＝L₁；

e)第一和第二弱聚焦磁铁与第一至第三漂浮段构成双消色差系统；第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口的延长线上放置三元四极透镜，三元四极透镜包括三个四极磁铁；

f)双消色差系统出口与三元四极透镜之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄，沿Z′轴方向，三元四极透镜沿Z′轴摆放；

2)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，经过第一漂浮段进入至第一弱聚焦磁铁，第一弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在第一弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开；粒子坐标系跟随粒子的运动改变，粒子坐标系的原点始终在参考粒子处，参考粒子是假想的始终沿预设轨道运动的粒子，Z轴始终沿参考粒子的前进方向，在第一和第二弱聚焦磁铁中，X轴始终沿径向；粒子束漂浮穿过第二漂浮段，进入至第二弱聚焦磁铁；散角是粒子坐标系中相对于Z轴的角度，在每一个漂浮段中，粒子的散角保持不变，在第一和第二弱聚焦磁铁中，Z轴沿切向，参考粒子的散角始终为零，但偏转角度不为零，而其他粒子的散角在偏转中不断改变，但不等于偏转角度；在第一和第二弱聚焦磁铁中，散角的改变量决定于X和Y方向的聚焦力，聚焦力随着偏转角度的增加而增加；在第二弱聚焦磁铁的入口，不同能量的粒子沿X方向分开；

3)双消色差要求：在第二漂浮段中，在X方向相同能量的粒子具有相同的散角，即轨迹互相平行，同时在Y方向所有粒子准直，即与Z轴平行，散角为0；在偏转角度相同的第一和第二弱聚焦磁铁中，所有能量的偏转角度相同，导致在第二漂浮段中低能和高能粒子的散角不满足在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直的条件；因此，第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口，分别设置边缘角，即第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的磁极端面与X方向具有夹角，夹角为a；第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口的边缘角，改变粒子在第一和第二弱聚焦磁铁中的偏转角度，即减小低能粒子的偏转角度，增加高能粒子的偏转角度，改变偏转角度的同时也改变了X和Y方向的聚焦力，聚焦力的改变直接改变离开第一和第二弱聚焦磁铁时粒子的散角，减少低能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，以及增加高能粒子在X和Y方向上受到的聚焦力，在双消色差系统出口处，使得低能粒子的像点即焦点的纵向位置出现得晚些以及高能粒子的像点出现得早些；

4)并且在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前分别设置两个导向磁铁；相同能量且不同初始散角的粒子在第一弱聚焦磁铁的出口和第二弱聚焦磁铁的入口处在X方向的位置不同，边缘角的影响不同，导致偏转角度不同，在像点处不能同时成像；在第一弱聚焦磁铁的边缘角之后以及第二弱聚焦磁铁的边缘角之前的导向磁铁，补偿边缘角在X方向对散角的影响；导向磁铁的磁场为均匀磁场，导向磁铁对粒子产生偏转，在导向磁铁中，散角的改变量决定于偏转角度，并且与偏转角度相等；在X方向对粒子的散角的改变量与边缘角对散角的改变量大小相同且方向相反；边缘角和导向磁铁的配合，保证了同一能量且不同初始散角的粒子的总偏转角度相同，同时改变了不同能量的粒子的偏转角度，即低能粒子减少且高能粒子增加，使低能和高能粒子的散角满足双消色差要求，即满足在第二漂浮段中在X方向相同能量的粒子具有相同的散角和在Y方向所有粒子准直；有效减小了色差和运动方程中的非线性项在消色差传输中的影响，从而使低能、中心能量和高能粒子的像点的纵向位置相同，实现了所有能量的粒子从靶点到双消色差系统出口的点-点成像传输，保留激光驱动粒子束的高亮度特；

5)离开第二弱聚焦磁铁的出口的粒子束传输过第三和第四漂浮段，经过三元四极透镜，实现点-平行成像，到达辐照终端。

10.如权利要求9所述的实现方法，其特征在于，第一和第二弱聚焦磁铁的电流方向为正时，实现点-平行成像，传输质子束、离子束或正电子束；电流方向为负时，传输电子束。

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