CN114501768A - 加速器带电粒子束电流压缩装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及加速器带电粒子束电流压缩技术领域，特别涉及一种加速器带电粒子束电流压缩装置及方法，其中，装置包括：螺线管组件，用于在螺线管内部形成均匀磁场；引入组件，用于将多个带电粒子束团依次引入均匀磁场中，使得引入的带电粒子束团作螺旋运动；压缩组件，用于调节带电粒子束团螺旋运动的螺距，控制带电粒子束团在螺线管内的运动时间，其中，先引入的带电粒子束团的运动时间大于后引入的带电粒子束团的运动时间，并在引出前将带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，使得带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的目标倍数。由此，解决了相关技术实现带电粒子束电流压缩的装置体积庞大、成本高，压缩后束流平均电流只能达到mA量级等问题。

Description

加速器带电粒子束电流压缩装置及方法

技术领域

本申请涉及加速器带电粒子束电流压缩技术领域，特别涉及一种加速器带电粒子束电流压缩装置及方法。

背景技术

加速器产生的带电粒子束具有可控性和稳定性强的特点，在医疗、工业和科学研究领域受到广泛应用。但目前前沿科学的发展产生了对更高流强(～kA)的高能带电粒子束流的需求，利如核聚变研究中的z箍缩，就可能利用平均电流～kA量级的高能电子束轰击聚变靶来点火，但如果按照传统方式，直接将kA量级平均电流的光阴极电子加速到～10MeV，将需要数十兆瓦量级平均功率的速调管或磁控管用于给加速管供能，根据目前速调管的发展水平，仅能提供数十兆瓦量级的脉冲功率，对于Z箍缩的点火而言，需要上万根速调管同时工作才有可能满足功率需求，这成本是无法想象的。另外带电粒子的束团间隔也受到带电粒子发射源的限制，直接产生～10GHz重复频率的带电粒子束团也是很困难的。

因此先利用加速结构将低重频、低平均流强的带电粒子束加速到指定能量，再对电子束间隔进行压缩，即可用可接受的成本达到目的。CLIC的CTF3装置是一个典型的电子束团平均电流压缩装置，前序结构先加速3GHz重频的电子束至350MeV，再将束团依次注入组合环，压缩后的电子束团间隔由333ps被压缩至33ps，重复频率达到30GHz，电子束功率达到压缩前的十倍，再被引出至尾场加速结构用于加速对撞粒子。除了这种增大电子束团重复频率的方式，储存环也是常见的带电粒子平均电流压缩装置，不同点在于先后注入的电子束团会合成为同一个束团，而不是间隔缩小，直至bucket相空间被涂满，达到预期的平均电流后，带电粒子即可被引出至后续结构。

然而，相关技术的带电粒子束电流压缩方式中，CTF3和储存环都具有体积庞大、成本高昂的局限性，且能实现的最大平均流强受到环的参数限制，目储存环中电子束团的平均电流只能达到mA量级，远远不能达到Z箍缩等应用需求。

发明内容

本申请提供一种加速器带电粒子束电流压缩装置及方法，以解决相关技术中利用CTF3和储存环实现带电粒子束电流压缩，体积庞大、成本高昂，且储存环中电子束团的平均电流只能达到mA量级，无法满足Z箍缩等应用需求等问题。

本申请第一方面实施例提供一种加速器带电粒子束电流压缩装置，包括以下步骤：螺线管组件，用于在螺线管内部形成均匀磁场；引入组件，用于将多个带电粒子束团依次引入所述均匀磁场中，使得引入的带电粒子束团作螺旋运动；压缩组件，用于调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距，控制所述带电粒子束团在所述螺线管内的运动时间，其中，先引入的带电粒子束团的运动时间大于后引入的带电粒子束团的运动时间，并在引出前将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，使得所述带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的目标倍数。

进一步地，所述压缩组件包括：压缩磁性元件，用于产生磁场强度可调的偏转磁场，通过所述偏转磁场的偏转力作用调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距；解压缩磁性元件，用于产生预设磁场强度的反向偏转磁场，通过所述反向偏转磁场的偏转力作用将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距。

进一步地，所述引入组件包括：引入孔，用于引入所述多个带电粒子束团；引入磁性元件，用于使得引入的多个带电粒子束团以螺线管轴为中心轴作螺旋运动。对称地，引出组件包括引出孔和引出磁性元件，使压缩后的带电粒子束团依次引出装置。

进一步地，还包括：引出组件，所述引出组件与所述引入组件对称设置，所述引出组件包括引出孔和引出磁性元件，用于在压缩完成后将带电粒子束团依次引出装置。

进一步地，所述螺线管组件包括：铁磁材料屏蔽壳、金属筒、铁磁材料支柱和主体线圈，其中，铁磁材料支柱用于固定螺线管内部多个磁性元件，并与铁磁材料屏蔽壳构成磁回路。

进一步地，所述目标倍数包括：

其中，T_b为相邻带电粒子束团引入的时间间隔，T_c为所述带电粒子束团螺旋运动的周期。

本申请第二方面实施例提供一种加速器带电粒子束电流压缩方法，所述方法应用于上述实施例所述的加速器带电粒子束电流压缩装置，包括以下步骤：在螺线管内部形成均匀磁场；将多个带电粒子束团依次引入所述均匀磁场中，使得引入的带电粒子束团作螺旋运动；调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距，控制所述带电粒子束团在所述螺线管内的运动时间，其中，先引入的带电粒子束团的运动时间大于后引入的带电粒子束团的运动时间，并在引出前将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，使得所述带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的目标倍数。

进一步地，所述调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距，包括：产生磁场强度可调的偏转磁场；通过所述偏转磁场的偏转力作用调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距。

进一步地，所述在引出前将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，包括：产生预设磁场强度的反向偏转磁场；通过所述反向偏转磁场的偏转力作用将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距。

进一步地，所述目标倍数包括：

其中，T_b为相邻带电粒子束团引入的时间间隔，T_c为所述带电粒子束团螺旋运动的周期。

由此，本申请至少具有如下有益效果：

带电粒子束团被引入至螺线管内均匀场后可以稳定地螺旋运动，通过磁铁元件调节束团螺旋运动的螺距，可以控制束团引入至引出的时间间隔，若根据束团注入顺序，控制束团的在螺线管中的停留时间从长至短，即可调节束团间隔，实现带电离子束平均电流的压缩，从而能够实现kA量级平均电流的加速器带电粒子束电流压缩，且结构紧凑，满足Z箍缩等应用需求。由此，解决了相关技术中利用CTF3和储存环实现带电粒子束电流压缩，体积庞大、成本高昂，且储存环中电子束团的平均电流只能达到mA量级，无法满足Z箍缩等应用需求等技术问题。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的加速器带电粒子束电流压缩装置的方框示意图；

图2为根据本申请实施例提供的加速器带电粒子束电流压缩装置的结构示意图；

图3为根据本申请实施例提供的加速器带电粒子束电流压缩方法的流程图；

图4为根据本申请实施例提供的电流压缩前后束团结构示意图；

图5为根据本申请实施例提供的工作过程中线圈磁铁的电流变化曲线示意图；

图6为根据本申请实施例提供的实现电子束团电流压缩原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的加速器带电粒子束电流压缩装置及方法。针对上述背景技术中提到的利用CTF3和储存环实现带电粒子束电流压缩，体积庞大、成本高昂，且储存环中电子束团的平均电流只能达到mA量级，无法满足Z箍缩等应用需求的问题，本申请提供了一种加速器带电粒子束电流压缩装置，在该装置中，带电粒子束团被引入至螺线管内均匀场后可以稳定地螺旋运动，通过磁铁元件调节束团螺旋运动的螺距，可以控制束团引入至引出的时间间隔，若根据束团注入顺序，控制束团的在螺线管中的停留时间从长至短，即可调节束团间隔，实现带电离子束平均电流的压缩，从而能够实现kA量级平均电流的加速器带电粒子束电流压缩，且结构紧凑，满足Z箍缩等应用需求。由此，解决了相关技术中利用CTF3和储存环实现带电粒子束电流压缩，体积庞大、成本高昂，且储存环中电子束团的平均电流只能达到mA量级，无法满足Z箍缩等应用需求等技术问题。

具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种加速器带电粒子束电流压缩装置的方框示意图。

如图1所示，该加速器带电粒子束电流压缩装置100包括：螺线管组件110、引入组件120和压缩组件130。

其中，螺线管组件110用于在螺线管内部形成均匀磁场；引入组件120用于将多个带电粒子束团依次引入均匀磁场中，使得引入的带电粒子束团作螺旋运动；压缩组件130用于调节带电粒子束团螺旋运动的螺距，控制带电粒子束团在螺线管内的运动时间，其中，先引入的带电粒子束团的运动时间大于后引入的带电粒子束团的运动时间，并在引出前将带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，使得带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的目标倍数。

可以理解的是，本申请实施例可以通过控制带电粒子束团在匀场中螺旋运动的螺距来调节束团在结构内的逗留时间，从而在引出时实现束团重复频率及束流平均电流的倍增。

其中，目标倍数包括：

其中，T_b为相邻带电粒子束团引入的时间间隔，T_c为带电粒子束团螺旋运动的周期。

在本实施例中，如图2所示，压缩组件110包括：压缩磁性元件7和解压缩磁性元件8。

其中，压缩磁性元件7用于产生磁场强度可调的偏转磁场，通过偏转磁场的偏转力作用调节带电粒子束团螺旋运动的螺距；解压缩磁性元件8用于产生预设磁场强度的反向偏转磁场，通过反向偏转磁场的偏转力作用将带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距。

可以理解的是，压缩磁性元件7和解压缩磁性元件8均可以为线圈磁铁，在具体应用时，压缩磁性元件7可以为电子螺距压缩磁铁，解压缩磁性元件8可以为电子螺距解压缩磁铁，且螺线管内部为真空。预设磁场强度可以根据实际压缩需求具体设置，对此不作具体限定。

在本实施例中，如图2所示，引入组件120包括：引入孔9和引入磁性元件10。

其中，引入孔9用于引入多个带电粒子束团；引入磁性元10件用于使得引入的多个带电粒子束团以螺线管轴为中心轴作螺旋运动。

可以理解的是，引入磁性元10可以为引入磁铁，引入组件120即为电子引入结构，在具体应用时，电子束团可以由引入孔9入射螺线管结构。

在本实施例中，如图2所示，本申请实施例的装置100还包括：引出组件6。其中，引出组件6为电子引出结构，包括引出孔和引出磁性元件，使压缩后的带电粒子束团依次引出装置，且引出组件6与引入组件120对称设置。

在本实施例中，如图2所示，螺线管组件130包括：铁磁材料屏蔽壳1、金属筒2、磁性材料支柱3和主体线圈4，其中，铁磁材料支柱3用于固定螺线管内部多个磁性元件，并与铁磁材料屏蔽壳构成磁回路。

其中，金属筒的种类可以根据实际需求具体选择，比如金属筒可以为铝筒等，对此不作具体限定。

可以理解的是，螺线管组件130为主螺线管结构，磁性材料屏蔽壳1为螺线管屏蔽外壳，以下实施例中，以铁磁材料屏蔽壳、铝筒、铁磁材料支柱和主体线圈组成的主螺线管结构为例。

综上，本申请实施例的装置，相比较相关技术中储存环结构加工成本大幅降低，可以将带电粒子束的平均的电流压缩至kA量级，从而具有装置结构紧凑的特点，且由于不同于储存环的限制条件，有潜力实现kA量级平均电流的高重频、高能带电粒子束流。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的加速器带电粒子束电流压缩方法。

图3是本申请实施例的加速器带电粒子束电流压缩方法的流程图。

该加速器带电粒子束电流压缩方法应用于上述实施例的加速器带电粒子束电流压缩装置，如图3所示，该加速器带电粒子束电流压缩方法包括以下步骤：

在步骤S101中，在螺线管内部形成均匀磁场。

在步骤S102中，将多个带电粒子束团依次引入均匀磁场中，使得引入的带电粒子束团作螺旋运动。

具体而言，将低重频(束团间隔T_b)的高能带电粒子束团引入螺线管线圈中的均匀磁场，使束团在其中以周期T_C作螺旋运动。主螺线管结构可以由铁磁材料屏蔽壳、铝筒、铁磁材料支柱及主体线圈组成，目的是在螺线管内部形成均匀的磁场，铁磁材料支柱既可以用于固定主螺线管内部磁铁元件，也也起到构成磁回路作用。磁场强度和螺线管体积可根据带电粒子类型及能量选择和设计。引入结构由引入孔和引入磁铁构成，该结构保证带电粒子注入后以螺线管轴为中心轴螺旋运动。

在步骤S103中，调节带电粒子束团螺旋运动的螺距，控制带电粒子束团在螺线管内的运动时间，其中，先引入的带电粒子束团的运动时间大于后引入的带电粒子束团的运动时间，并在引出前将带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，使得带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的目标倍数。

具体而言，带电粒子在螺旋运动过程中经过压缩磁铁，受到偏转力作用，螺旋运动Vz减小，螺距减小。压缩磁铁为线圈磁铁，其强度可由电流调节，给定合适的时变电流，可对依次注入的带电粒子束团Vz作不同的调制。在带电粒子束团从压缩磁铁运动至解压缩磁铁的过程中，如图4所示，第1个入射的束团运动N周，第2个入射的束团运动N-1周，以此类推，到达引出磁铁时，束团间隔为T′_b＝T_b-T_c。带电粒子束团以受调节后的均匀螺距运动至解压缩磁铁，再次受到偏转力作用，恢复入射时的Vz值，运动至引出结构。带电粒子束团由引出结构引出至后续装置，此时带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的

倍。

综上，本申请实施例提出的加速器带电粒子束团电流压缩方法，可以实现高平均流强、高重频的高能带电粒子束压缩，具体地：首先将低重频、高能带电粒子束团依次引入螺线管线圈中的均匀磁场中作螺旋运动，束团将继续经过压缩磁铁场，给定压缩磁铁线圈合适的时变电流，可以调节束团螺旋运动的螺距，以控制束团到达解压缩磁铁的运动时间，先入射的束团运动周期长，后入射的束团运动周期短，到达解压缩磁铁时前后电子的间隔缩短，重复频率增大，平均电流增大，解压磁铁再通过偏转作用恢复带电粒子运动螺距，使所有束团一致由引出结构引出至后续装置。

下面将结合具体示例对加速器带电粒子束电流压缩方法进行阐述，该实施例实现了10个电荷量1nC、6.511MeV电子束团的10倍电流压缩，包括以下步骤：

(1)将10个间隔6ns、电荷量1nC、能量为6.511MeV的电子束团通过引入螺线管结构(如图2所示)。根据设计，螺线管匀场场强约0.1T，电子束团螺旋运动轨迹半径～25cm，运动周期为5.4ns。其他相关参数：螺线管内径40cm，引入引出结构距离300cm，压缩解压磁铁间距186cm。

(2)压缩磁铁通以时变电流(如图5所示)，电子束团依次经过压缩磁铁时受到偏转力作用，螺旋运动螺距受到调节(图6所示)，第1个入射电子运动17周至解压磁铁，第2个电子运动16周，以此类推。

(3)解压磁铁通以时变电流，电子束团依次经过解压磁铁时再次受到偏转力作用调节，运动螺距恢复初始值。

(4)带电粒子由引出结构引出。此时带电粒子束团间隔0.6ns，重复频率及平均电流达到入射时的10倍，实现了10倍的平均电流压缩。

需要说明的是，前述对加速器带电粒子束电流压缩装置实施例的解释说明也适用于该实施例的加速器带电粒子束电流压缩方法，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的加速器带电粒子束电流压缩方法，带电粒子束团被引入至螺线管内均匀场后可以稳定地螺旋运动，通过磁铁元件调节束团螺旋运动的螺距，可以控制束团引入至引出的时间间隔，若根据束团注入顺序，控制束团的在螺线管中的停留时间从长至短，即可调节束团间隔，实现带电离子束平均电流的压缩，从而能够实现kA量级平均电流的加速器带电粒子束电流压缩，且结构紧凑，满足Z箍缩等应用需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种加速器带电粒子束电流压缩装置，其特征在于，包括：

螺线管组件，用于在螺线管内部形成均匀磁场；

引入组件，用于将多个带电粒子束团依次引入所述均匀磁场中，使得引入的带电粒子束团作螺旋运动；以及

压缩组件，用于调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距，控制所述带电粒子束团在所述螺线管内的运动时间，其中，先引入的带电粒子束团的运动时间大于后引入的带电粒子束团的运动时间，并在引出前将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，使得所述带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的目标倍数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压缩组件包括：

压缩磁性元件，用于产生磁场强度可调的偏转磁场，通过所述偏转磁场的偏转力作用调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距；

解压缩磁性元件，用于产生预设磁场强度的反向偏转磁场，通过所述反向偏转磁场的偏转力作用将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述引入组件包括：

引入孔，用于引入所述多个带电粒子束团；

引入磁性元件，用于使得引入的多个带电粒子束团以螺线管轴为中心轴作螺旋运动。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

引出组件，所述引出组件与所述引入组件对称设置，所述引出组件包括引出孔和引出磁性元件，用于在压缩完成后将带电粒子束团依次引出装置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺线管组件包括：铁磁材料屏蔽壳、金属筒、铁磁材料支柱和主体线圈，其中，铁磁材料支柱用于固定螺线管内部多个磁性元件，并与铁磁材料屏蔽壳共同构成磁回路。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的装置，其特征在于，所述目标压缩倍数包括：

其中，T_b为相邻带电粒子束团引入的时间间隔，T_c为所述带电粒子束团螺旋运动的周期。

7.一种加速器带电粒子束电流压缩方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-6任意一项所述的加速器带电粒子束电流压缩装置，包括以下步骤：

在螺线管内部形成均匀磁场；

将多个带电粒子束团依次引入所述均匀磁场中，使得引入的带电粒子束团作螺旋运动；以及

调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距，控制所述带电粒子束团在所述螺线管内的运动时间，其中，先引入的带电粒子束团的运动时间大于后引入的带电粒子束团的运动时间，并在引出前将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，使得所述带电粒子束团的重复频率及平均电流达到入射时的目标倍数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距，包括：

产生磁场强度可调的偏转磁场；

通过所述偏转磁场的偏转力作用调节所述带电粒子束团螺旋运动的螺距。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在引出前将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距，包括：

产生预设磁场强度的反向偏转磁场；

通过所述反向偏转磁场的偏转力作用将所述带电粒子束团的螺距恢复至引入时的螺距。

10.根据权利要求7-9任意一项所述的方法，其特征在于，所述目标倍数包括：

其中，T_b为相邻带电粒子束团引入的时间间隔，T_c为所述带电粒子束团螺旋运动的周期。

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