CN114828379B - 用于高功率加速器引出区的束流整形机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构，所述束流整形机构布设在加速器引出区的引出偏转板前，在引出偏转板前加入剥离膜，该剥离膜用于提前把将会轰击在静电偏转板束晕粒子剥离掉。本发明对于多级加速器组合使用多级引出的场合，采用前几级采用剥离膜+偏转板的组合引出方式，和现有技术采用单一引出方式（或者采用偏转板、或者采用剥离膜）相比，前几级的引出方式，由于采用剥离膜剥离掉了束团边缘松散的束晕粒子，使得进入偏转板的粒子的品质得到提高，并且由于只是剥离掉边缘松散的粒子，使得束团中间部位紧密的粒子仍然通过偏转板进入到下一级、下一级仍然可以采用剥离膜剥离松散的束晕粒子，如此反复，有效提高了束流品质。

Description

用于高功率加速器引出区的束流整形机构

技术领域

本发明属于高功率回旋加速器技术领域，尤其设计一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构。

背景技术

高能量(GeV量级)、高平均流强(mA量级)质子束流在核物理、大众健康、先进能源、国防安全等领域均有重要应用。在前沿基础研究领域，高功率加速器是物理学强度前沿的中微子物理、质子衰变观测和缪子物理等研究的主要工具之一。在大众健康、先进能源等国民经济重大领域中，高功率质子打靶产生的快中子是进行核废料处理处置、稀有同位素生产的理想选择。在国防工业和国土安全领域，高能质子在远程检测带屏蔽特殊核材料、防止核扩散和核威胁、高Z材料动态过程照相等诸多方面有极其重要而广泛的应用。

现阶段制约高能量(GeV量级)、高平均流强(mA量级)圆形加速器的瓶颈问题有：

1、高能、高功率加速器的强空间电荷效应，导致束晕增长，束流品质差，目前平均流强难以突破3mA。粒子运动中一边受到磁场力，一边受到粒子之间的排斥力，所述强空间电荷效应就是指粒子之间的排斥力，排斥力是两个电荷之间的非线性力，会导致束团尺寸扩大。束团边缘的松散粒子称为束晕，空间电荷越强则束晕越明显，束晕越严重则束团品质越差，即束团尺寸大且束团边缘的粒子密度小。束团尺寸变大会导致粒子在加速过程中丢失粒子和在引出过程中丢失粒子：1)在加速过程中，因为束团品质差，会使得边缘的粒子打到真空壁上而损失掉，造成辐射剂量过大；2)在引出过程中，因为束团品质差，就会使得束晕中的粒子打在偏转板上造成偏转板打火和损坏。因此，高能、高功率圆形加速器中束晕造成的束流损失问题，是造成平均流强受限的瓶颈问题。

2、高能、高功率加速器的束流引出困难。被加速离子种类的选择一般是负氢离子H^-(剥离后成为质子)、H₂ ⁺离子(剥离后生成2个质子)、质子。由于负氢离子H^-能量在GeV量级时，极其容易发生电磁剥离(0.3特斯拉的磁场就会发生电磁剥离现象)，从而造成大量束流损失，故只能选择加速H₂ ⁺离子或质子。

加速H₂ ⁺离子的高能、高功率加速器，均采用多级加速器组合的方式，多级加速器组合的组合方式如图3所示为三级引出，从上一级到下一级的引出方式分为两种：1)剥离引出；2)静电偏转板引出。最后一级的引出一般采用剥离引出的方式，因为剥离引出方式结构简单、引出效率高。难点在于前几级的引出，以第一级、第二级引出为例，如果第一级、第二级引出方式采用静电偏转板引出，则沉积在偏转板上的束流功率不能大于200瓦，这是因为偏转板布设在每一级加速器引出区倒数第一圈和第二圈之间，两圈之间的距离一般为1厘米左右。如果采用静电偏转板引出，由于圈间距小，会造成束晕中的粒子轰击到偏转板上，造成辐射剂量大、偏转板打火和寿命短等问题。如果第一级、第二级引出方式采用剥离引出方式，则H₂ ⁺离子被剥离以后变成2个质子，束团的质子数量加大一倍，此时更加容易产生强空间电荷效应，导致束晕增长，第一级引出到第二级加速器的束团品质差或者第二级引出到第三级加速器的束团品质差，当第三级加速器束流引出时，由于束团中的电子在前几级已经被剥离，即使束晕增长也不能采用剥离引出的方式，而只能采用偏转板引出，如此，导致第三级的引出粒子的束流品质差。

综上，当采用多级引出方式时，前几级引出的难点在于：单一采用常规的两种引出方法的任何一种：1)剥离引出；2)静电偏转板均难以使流强达到3mA以上：若采用静电偏转板引出，则由于高功率束流的强空间电荷效应使得束晕大、导致偏转板上打火；若采用剥离引出，则由于剥离后束团的质子数目加大一倍，导致强空间电荷效应变强；由于剥离引出只能使用一次，导致在第三级只能使用偏转板引出。

发明内容

本发明为解决现有技术的问题，提出一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构，目的在于解决多级引出的前几级引出时，单一地采用常规的两种引出方法均不适合的问题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案。

一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构，其特征在于，该束流整形机构为用于多级加速器组合中末级前加速器引出的束流整形机构，该末级前加速器引出的束流整形机构在末级前加速器引出区偏转板前，加入剥离膜，该剥离膜用于提前把将会轰击在引出偏转板束晕粒子剥离掉。

所述剥离膜的位置满足以下公式：

1)

2)

公式(1)中，R1为以加速器中心为坐标原点的倒数第1圈束流的半径，R2为以加速器中心为坐标原点的倒数第2圈束流的半径；剥离膜中心坐标为(Xstrip，Ystrip)；偏转板入口坐标为(Xinflector，Yinflector)；

公式(2)中，p为束晕中的H2+离子被剥离后的质子在小圈束流轨道上任意一点，该点在极坐标系中的坐标为(Xp，Yp)；束流轨道的径向方均根半宽度为σ，Nσ为以外的粒子为束晕粒子，d为为束晕中的H2+离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值。

所述d为为束晕中的H2+离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值，该最小值的取值原则：先预设剥离膜与静电偏转板入口的角向距离为10°，再检查上述式(1)与式(2)是否满足，若不满足，适当增大剥离膜与静电偏转板入口的角向距离，直至式(1)与式(2)被满足。

所述d为为束晕中的H2+离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值，该最小值一般要求大于10cm。

剥离膜可以剥离倒数第二圈外侧、倒数第一圈内侧的束晕粒子，也可以只剥离倒数第一圈内侧的束晕粒子，

如果剥离倒数第二圈外侧、倒数第一圈内侧的束晕粒子：

剥离膜宽度为：R1-R2-2*Nσ；

如果剥离倒数第一圈内侧的束晕粒子：

剥离膜外边缘径向位置：R1-Nσ；

剥离膜内边缘径向位置：大于R2+Nσ；

剥离膜宽度：小于R1-R2-2*Nσ。

每个束晕中的H2+离子被剥离后产生2个质子，质子束流轨道的曲率大，在质子束流轨道的尽头，还设有垃圾桶或束流应用终端，用于收集束晕中H2+离子被剥离后产生的质子束流。

本发明的优点效果

本发明对于多级加速器组合使用多级引出的场合，采用最后一级用剥离膜引出而前几级采用剥离膜+偏转板的组合引出方式，和现有技术采用单一引出方式(或者采用偏转板、或者采用剥离膜)相比，前几级的引出方式，由于采用剥离膜剥离掉了束团边缘松散的束晕粒子，使得进入偏转板的粒子的品质得到提高，并且由于只是剥离掉边缘松散的粒子，使得束团中间部位紧密的粒子(也就是品质好的H2+束核粒子)仍然通过偏转板进入到下一级，由于通过偏转板进入下一级的是H2+离子，使得下一级仍然可以采用剥离膜剥离松散的束晕粒子，如此反复，有效提高了束流品质。

附图说明

图1为本发明用于高功率加速器引出区的束流整形机构示意图；

图2为H2+离子被剥离后质子束流轨道曲率变大示意图；

图3为高能、高功率加速器多级引出示意图。

图中，1：剥离膜；2：静电偏转板；3：束流垃圾桶或束流终端；4：倒数第1圈束流被剥离后的质子轨迹；5：倒数第2圈束流被剥离后的质子轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步解释：

本发明设计原理

束流整形机构设计原理：本发明为解决多级加速器组合时束流引出的困难，采用了将剥离膜+静电偏转板组合使用的方式，和现有技术的区别在于剥离膜布设的位置：现有技术对H₂ ⁺离子的剥离位置是：将剥离膜放在束流轨道上(即剥离膜拦截了束流)，通过剥离膜，将H₂ ⁺离子束团被剥离成为质子束。本发明和现有技术的区别在于：第一、剥离膜的位置只是部分挡住束流通道，只剥离边缘的松散粒子而不剥离全部粒子。第二、剥离膜布设在束流轨道的次外圈和最外圈轨道之间，如图1所示，对于次外圈，剥离膜只剥离次外圈外侧(右侧)边缘的松散束晕粒子、而不是剥离次外圈的全部粒子；对于最外圈，剥离膜只剥离最外圈内侧(左侧)边缘的松散粒子，而非剥离最外圈全部离子。第三、被剥离的只是束团中百分之零点几的粒子，剩余的没有被剥离的百分之九十九以上H₂ ⁺离子通过偏转板引出，没有被剥离的H₂ ⁺离子仍然带有电子，在进入下一级的引出时，仍然可以使用剥离膜剥离掉松散的粒子。第三、剥离掉松散粒子的束流称为被整形，被整形后的束流的束晕得到了改善，如此多级反复剥离松散的粒子，提高了束团的品质。

基于以上原理，本发明设计了一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构。

一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构如图1所示，其特点是，该束流整形机构为用于多级加速器组合中末级前加速器引出的束流整形机构，该末级前加速器引出的束流整形机构在末级前加速器引出区偏转板2前，加入剥离膜1，该剥离膜1用于提前把将会轰击在引出偏转板束晕粒子剥离掉。

所述剥离膜的位置满足以下公式：

1)

2)

公式(1)中，R1为以加速器中心为坐标原点的倒数第1圈束流的半径，R2为以加速器中心为坐标原点的倒数第2圈束流的半径；剥离膜中心坐标为(Xstrip，Ystrip)；偏转板入口坐标为(Xinflector，Yinflector)；

公式(2)中，p为束晕中的H2+离子被剥离后的质子在小圈束流轨道上任意一点，该点在极坐标系中的坐标为(Xp，Yp)；束流轨道的径向方均根半宽度为σ，Nσ为以外的粒子为束晕粒子，d为为束晕中的H2+离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值。

所述d为为束晕中的H2+离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值，该最小值的取值原则：先预设剥离膜与静电偏转板入口的角向距离为10°，再检查上述式(1)与式(2)是否满足，若不满足，适当增大剥离膜与静电偏转板入口的角向距离，直至式(1)与式(2)被满足。

所述d为为束晕中的H2+离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值，该最小值一般要求大于10cm。

剥离膜可以剥离倒数第二圈外侧、倒数第一圈内侧的束晕粒子，也可以只剥离倒数第一圈内侧的束晕粒子，

如果剥离倒数第二圈外侧、倒数第一圈内侧的束晕粒子：

剥离膜宽度为：R1-R2-2*Nσ；

如果剥离倒数第一圈内侧的束晕粒子：

剥离膜外边缘径向位置：R1-Nσ；

剥离膜内边缘径向位置：大于R2+Nσ；

剥离膜宽度：小于R1-R2-2*Nσ。

每个束晕中的H2+离子被剥离后产生2个质子，质子束流轨道的曲率大，在质子束流轨道的尽头，还设有垃圾桶或束流应用终端3，用于收集束晕中H2+离子被剥离后产生的质子束流。

补充说明：如图1标记4为倒数第1圈束流被剥离后的质子轨迹、标记5为倒数第2圈束流被剥离后的质子轨迹，一个H2+离子剥离后将产生两个质子，质子的荷质比H2+离子大一倍，束晕粒子剥离后的轨迹如图2所示。剥离后的质子偏离引出的轨迹，避免打到偏转板上。

荷质比：剥离前：Q/M＝1/2，剥离后：Q/M＝1

同样的磁场下，荷质比高的粒子轨迹的曲率半径小，荷质比小的粒子轨迹的曲率半径大。

需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构，其特征在于，该束流整形机构为用于多级加速器组合中末级前加速器引出的束流整形机构，该末级前加速器引出的束流整形机构在末级前加速器引出区偏转板前，加入剥离膜，该剥离膜用于提前把将会轰击在引出偏转板束晕粒子剥离掉；

所述剥离膜的位置满足以下公式：

1）R1<

<R2； （1）

2）

>d （2）

公式（1）中，R1为以加速器中心为坐标原点的倒数第1圈束流的半径， R2为以加速器中心为坐标原点的倒数第2圈束流的半径；剥离膜中心坐标为（Xstrip，Ystrip）；偏转板入口坐标为（Xinflector，Yinflector）；

公式（2）中，p为束晕中的H₂ ⁺离子被剥离后的质子在小圈束流轨道上任意一点，该点在极坐标系中的坐标为（Xp，Yp）；束流轨道的径向方均根半宽度为σ， Nσ为以外的粒子为束晕粒子，d为束晕中的H₂ ⁺离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值；

如果剥离膜剥离倒数第二圈外侧、倒数第一圈内侧的束晕粒子，或者只剥离倒数第一圈内侧的束晕粒子，

如果剥离倒数第二圈外侧、倒数第一圈内侧的束晕粒子：

剥离膜宽度为：R1-R2-2*Nσ；

如果剥离倒数第一圈内侧的束晕粒子：

剥离膜外边缘径向位置：R1-Nσ；

剥离膜内边缘径向位置：大于R2+Nσ；

剥离膜宽度：小于R1-R2-2*Nσ。

2.根据权利要求1所述一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构，其特征在于：所述d为束晕中的H₂ ⁺离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值，该最小值的取值原则：先预设剥离膜与静电偏转板入口的角向距离为10°，再检查上述式（1）与式（2）是否满足，若不满足，适当增大剥离膜与静电偏转板入口的角向距离，直至式（1）与式（2）被满足。

3.根据权利要求1所述一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构，其特征在于：所述d为束晕中的H₂ ⁺离子被剥离后质子束流轨道上距离偏转板入口的距离最小值，该最小值一般要求大于10cm。

4.根据权利要求1所述一种用于高功率加速器引出区的束流整形机构，其特征在于：每个束晕中的H₂ ⁺离子被剥离后产生2个质子，质子束流轨道的曲率大，在质子束流轨道的尽头，还设有垃圾桶或束流应用终端，用于收集束晕中H₂ ⁺离子被剥离后产生的质子束流。

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