CN115003005A - 一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置及其实现方法。本发明采用弱聚焦磁铁、狭缝和导向磁铁；本发明通过狭缝在X方向的位置选择能量范围，通过狭缝在Y方向的开口范围选择各个能量粒子束的通过比例，从而实现整形能谱；在弱聚焦磁铁出口设置特殊设计的导向磁铁，根据散角修正量

与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁出口的形状，有针对地修正各个能量粒子束X方向的散角，从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率，满足辐照应用的要求。

Description

一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及粒子束传输与激光加速器应用技术，具体涉及一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置及其实现方法。

背景技术

随着高功率激光技术的进步，激光等离子体加速因其优异的加速结构获得迅速发展，将加速梯度提高到100GV/m的量级，现已获得近百MeV质子以及数GeV电子输出，有望成为新一代紧凑、低成本粒子加速器。

激光驱动质子束具有μm量级尺寸(点源)、安培量级的峰值电流、大能散(～100％)、大散角等特点，应用前景广阔。辐照应用要求质子束在辐照终端产生的剂量分布均匀(包括横向和纵向，横向包括水平方向和竖直方向，纵向为质子束前进方向)，因而需要在传输中完成从点源到较大面积、剂量分布均匀的质子束的变换。为了提高质子束的利用效率，要求传输的能散范围尽可能大，而色差效应对大能散质子束的传输和均匀化提出了较大挑战。

粒子束传输后的横向均匀化，包括相同能量、不同初始散角粒子束的均匀化，以及不同能量粒子束的均匀化。不同能量粒子束的均匀化要求传输后粒子束的尺寸接近，这要求实现位置消色差，或者降低色差影响。

粒子束传输后的纵向均匀化，要求在样品中入射的不同深度沉积的剂量接近。通常通过产生扩展的布拉格峰剂量平台技术实现，这要求粒子束的能谱随能量上升。而激光驱动粒子束通常有指数下降的能谱，因此需要能谱整形，降低低能粒子的数目。这要求对粒子束进行精确的能量分析，设置狭缝控制各个能量粒子束的通过比例。

因此宽能谱粒子束传输与均匀化要求束线具有能谱整形和均匀化的能力。常梯度磁场的弱聚焦作用可以在水平和竖直方向同时聚焦，在水平方向分析能量；聚焦和能量分析一体化的光学特点能够实现消色差，或者显著降低色差的影响，具有较大应用价值。

发明内容

围绕辐照对激光驱动粒子束传输与均匀化的要求，为了克服色差效应对宽能谱粒子束应用的不利影响，本发明提出了一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置。

对粒子运动的描述，常用到粒子坐标系XYZ或实验室坐标系X’Y’Z’。在粒子坐标系XYZ中，坐标系的原点始终在参考粒子处；参考粒子是假想的沿预定路径运动的粒子，参考粒子的前进方向为纵向(Z轴)，横向包括水平方向(X轴)和竖直方向(Y轴)；在漂浮段中，粒子坐标系的指向不变，原点跟随参考粒子改变；在偏转磁铁中，Z轴始终沿切向，随着参考粒子的前进而不断改变；X轴始终沿径向，Y轴指向保持不变；在实验室坐标系X’Y’Z’中，坐标系选定后坐标轴的指向和原点始终保持不变；在本发明中，Y轴与Y’轴的方向相同。

粒子的散角在粒子坐标系中定义为横向速度与纵向速度的比值，例如X方向的散角等于X方向的速度v_x与纵向速度v_z的比值，在每一个漂浮段中，粒子的散角保持不变，在弱聚焦磁铁中，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。

本发明的宽能谱粒子束传输与均匀化装置包括：弱聚焦磁铁、狭缝和导向磁铁；其中，弱聚焦磁铁包括两个形状完全相同的极面，弱聚焦磁铁的极面在实验室坐标系Z’X’平面的投影形状为部分圆环，包括分别位于Y轴正方向的上极面和位于Y轴负方向的下极面；弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，弱聚焦磁铁的入口与靶点之间有距离形成第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；弱聚焦磁铁的出口正对着辐照终端，弱聚焦磁铁的出口与辐照终端之间有距离形成第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后，在X方向上相同能量、不同初始散角的粒子在像点处聚焦，不同能量粒子的像点在X方向位置不同，在弱聚焦磁铁的两个极面之间所需能量的粒子的像点处设置狭缝；在弱聚焦磁铁的出口处设置导向磁铁，导向磁铁包括互相平行放置的两个极面，导向磁铁的每个极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个极面之间有距离，分别位于Y方向的正方向和负方向，导向磁铁的入口与弱聚焦磁铁的出口平行，导向磁铁出口的形状在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内由(3)式决定，表现为宽度随着X轴上的坐标的绝对值增加；

激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，粒子束在X和Y方向具有初始散角，在X方向正半轴的粒子在X方向的速度v_x均大于0，即X方向位置为正的粒子X方向的散角为正，在X方向负半轴的粒子在X方向的速度v_x均小于0，即X方向位置为负的粒子X方向的散角为负，X方向处于散焦状态；同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为正，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为负，Y方向处于散焦状态；X和Y方向的运动独立，互不影响；进入第一漂浮段，在第一漂浮段中粒子束的横向尺寸不断增加，粒子束的散角保持不变；经过第一漂浮段进入弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转并改变散角，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同但偏转角度相同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开，能散越大的粒子距离束线中心线越远；粒子束在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后到达像点，相同能量且不同初始散角的粒子在X方向汇聚，不同能量的粒子沿X方向分开；通过狭缝在X方向位置选择能量范围，通过狭缝在Y方向的开口范围选择各个能量的粒子的通过比例，从而实现整形能谱；弱聚焦磁铁在X和Y方向提供聚焦力，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，同时散角不断改变；经过弱聚焦磁铁聚焦后进入第二漂浮段，在X方向位置为正的粒子的散角为负，X方向位置为负的粒子X方向的散角为正，在X方向处于聚焦状态，同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为负，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为正，Y方向处于聚焦状态，在第二漂浮段中粒子束的横向尺寸不断减小，各个能量粒子束的分布中心与束线中心线的距离不断缩小；均匀性要求在辐照终端各个能量粒子束在X方向的分布中心位于束线中心线上；但弱聚焦磁铁在偏转相同角度时X方向的聚焦力对散角的改变量不能达到均匀性的要求；

利用束流传输动力学，得到粒子束传输到辐照终端在X方向实现位置消色差时第二漂浮段的长度L₂需要满足的关系：

当粒子的偏转半径r、弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ和磁场降落指数n确定后，由(1)式得到第二漂浮段的长度L₂；

在(1)式中，能量越高的粒子的偏转半径r越大，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ相同时，实现位置消色差要求第二漂浮段的长度L₂随着能量增加；第二漂浮段的长度L₂按照中心能量粒子的偏转半径r_c确定，使得高于和低于中心能量的粒子束在辐照终端朝X轴正方向偏移，能散越大，粒子束的分布中心与束线中心线的偏离越大，导致粒子束整体分布出现畸形，不均匀的剂量分布导致粒子束无法用于辐照；因而在弱聚焦磁铁的出口设置导向磁铁，修正X方向的散角，使各个能量粒子束在辐照终端的分布中心回到束线中心线；能散越大的粒子，散角修正量

越大；

粒子束通过导向磁铁修正X方向的散角，经过第二漂浮段到达辐照终端；

通过束流传输矩阵，计算得到在弱聚焦磁铁出口，散角修正量

为：

x_e为粒子在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标，坐标原点位于束线中心线；不同能量粒子在弱聚焦磁铁出口沿X方向分开，且能散越大，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值越大，因而导向磁铁施加的散角修正量

随着在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值增大；

在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁的出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内的坐标以(z_e,x_e)表示，z_e代表在x_e处导向磁铁在Z方向的宽度，求得粒子的偏转半径

根据散角修正量

与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁的出口的形状满足：

(3)式中B_s为导向磁铁的磁场强度，是人为确定的已知量，q为粒子的电荷，包括质子、离子和电子，p₀为中心能量粒子的动量；由于在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁处于z≥0的位置，因而在(3)式中取

的绝对值；

从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率。

电流方向决定磁场方向，当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。

从靶点出来的粒子束均在管道中传输，管道中保持真空，从弱聚焦磁铁以及导向磁铁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。

消色差是使传输矩阵中位置或散角与色差(能散)有关的项为0，从而使传输后的位置或散角不受色差的影响。如果没有位置消色差设计，由于色差的影响，相同初始位置和散角、不同能量的粒子传输到辐照终端时位置不同。加入位置消色差设计后，使传输矩阵中位置与色差有关的项为0，不对传输后的位置产生影响，即实现相同初始位置和散角、不同能量的粒子传输到辐照终端时的位置仍然相同。

本发明的另一个目的在于提出一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置的实现方法。

本发明的宽能谱粒子束传输与均匀化装置的实现方法，包括以下步骤：

1)宽能谱粒子束传输与均匀化装置设置：

a)提供弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁包括两个形状完全相同的极面，弱聚焦磁铁的极面在实验室坐标系Z’X’平面的投影形状为部分圆环，包括分别位于Y轴正方向的上极面和位于Y轴负方向的下极面；

b)弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，弱聚焦磁铁的入口与靶点之间有距离形成第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；

c)弱聚焦磁铁的出口正对着辐照终端，弱聚焦磁铁的出口与辐照终端之间有距离形成第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；

d)在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后，在X方向上相同能量、不同初始散角的粒子在像点处聚焦，不同能量粒子的像点在X方向位置不同，在弱聚焦磁铁的两个极面之间所需能量的粒子的像点处设置狭缝；

e)在弱聚焦磁铁的出口处设置导向磁铁，导向磁铁包括互相平行放置的两个极面，导向磁铁的每个极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个极面之间有距离，分别位于Y方向的正方向和负方向，导向磁铁的入口与弱聚焦磁铁的出口平行，导向磁铁的出口的宽度随着X轴上的坐标的绝对值增加；

2)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，粒子束在X和Y方向具有初始散角，在X方向正半轴的粒子在X方向的速度v_x均大于0，即X方向位置为正的粒子X方向的散角为正，在X方向负半轴的粒子在X方向的速度v_x均小于0，即X方向位置为负的粒子X方向的散角为负，X方向处于散焦状态；同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为正，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为负，Y方向处于散焦状态；X和Y方向的运动独立，互不影响；进入第一漂浮段，在第一漂浮段中粒子束的横向尺寸不断增加，粒子束的散角保持不变；经过第一漂浮段进入弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转并改变散角，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同但偏转角度相同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开，能散越大的粒子距离束线中心线越远；

3)粒子束在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后到达像点，相同能量且不同初始散角的粒子在X方向汇聚，不同能量的粒子沿X方向分开；通过狭缝在X方向位置选择能量范围，通过狭缝在Y方向的开口范围选择各个能量的粒子的通过比例，从而实现整形能谱；

4)弱聚焦磁铁在X和Y方向提供聚焦力，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，同时散角不断改变；经过弱聚焦磁铁聚焦后进入第二漂浮段，在X方向位置为正的粒子的散角为负，X方向位置为负的粒子X方向的散角为正，在X方向处于聚焦状态，同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为负，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为正，Y方向处于聚焦状态，在第二漂浮段中粒子束的横向尺寸不断减小，各个能量粒子束的分布中心与束线中心线的距离不断缩小；均匀性要求在辐照终端各个能量粒子束在X方向的分布中心位于束线中心线上；但弱聚焦磁铁在偏转相同角度时X方向的聚焦力对散角的改变量不能达到均匀性的要求；

5)粒子束通过导向磁铁修正X方向的散角，经过第二漂浮段到达辐照终端：

利用束流传输动力学，得到粒子束传输到辐照终端在X方向实现位置消色差时第二

漂浮段的长度L₂需要满足的关系：

当中心能量粒子的偏转半径r、弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ和磁场降落指数n确定后，由(1)式得到第二漂浮段的长度L₂；

在(1)式中，能量越高的粒子的偏转半径r越大，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ相同时，实现位置消色差要求第二漂浮段的长度L₂随着能量增加；第二漂浮段的长度L₂按照中心能量粒子的偏转半径r_c确定，使得高于和低于中心能量的粒子束在辐照终端朝X轴正方向偏移，能散越大，粒子束的分布中心与束线中心线的偏离越大，导致粒子束整体分布出现畸形，不均匀的剂量分布导致粒子束无法用于辐照；因而在弱聚焦磁铁的出口设置导向磁铁，修正X方向的散角，使各个能量粒子束在辐照终端的分布中心回到束线中心线；能散越大的粒子，散角修正量

越大；

6)通过束流传输矩阵，计算得到在弱聚焦磁铁出口，散角修正量

为：

x_e为粒子在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标，坐标原点位于束线中心线；不同能量粒子在弱聚焦磁铁出口沿X方向分开，且能散越大，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值越大，因而导向磁铁施加的散角修正量

随着在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值增大；

在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁的出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内的坐标以(z_e,x_e)表示，z_e代表在x_e处导向磁铁在Z方向的宽度，求得粒子的偏转半径

根据散角修正量

与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁的出口的形状满足：

(3)式中B_s为导向磁铁的磁场强度，是人为确定的已知量，q为粒子的电荷，p₀为中心能量粒子的动量；由于在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁处于z≥0的位置，因而在(3)式中取

的绝对值；

从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率。

本发明的优点：

激光加速器输出的粒子束具有较大能散(色差)，由于色差效应的影响，粒子经过位置消色差传输后在X方向整体偏离束线中心线，能散越大，偏移量越大，导致分布畸形和剂量分布不均匀，影响辐照应用。本发明在弱聚焦磁铁出口设置特殊设计的导向磁铁，有针对地修正各个能量粒子束X方向的散角，使应用端粒子束整体回到束线中心线上，保障剂量分布均匀性，满足辐照应用的要求。

附图说明

图1为本发明的宽能谱粒子束传输与均匀化装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明的宽能谱粒子束传输与均匀化装置的一个实施例的导向磁铁在ZX平面的示意图。

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。

在粒子坐标系XYZ中，坐标系的原点始终在参考粒子处；参考粒子是假想的沿预定路径运动的粒子，参考粒子的前进方向为纵向(Z轴)，横向包括水平方向(X轴)和竖直方向(Y轴)；在漂浮段中，粒子坐标系的指向不变，原点跟随参考粒子改变；在偏转磁铁中，Z轴始终沿切向，随着参考粒子的前进而不断改变；X轴始终沿径向，Y轴指向保持不变；在实验室坐标系X’Y’Z’中，坐标系选定后坐标轴的指向和原点始终保持不变；在本发明中，Y轴与Y’轴的方向相同。

如图1所示，本实施例的宽能谱粒子束传输与均匀化装置包括：弱聚焦磁铁M以及特殊设计的导向磁铁D；其中，弱聚焦磁铁的入口正对着靶点T，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，L₁越大，粒子束进入弱聚焦磁铁后的包络越大，X和Y方向的聚焦力对散角的改变越大，粒子束在辐照终端的尺寸越小；弱聚焦磁铁的出口与辐照终端P之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度φ偏转后，在X方向上相同能量、不同初始散角的粒子在像点处聚焦，不同能量粒子的像点在X方向位置不同，在弱聚焦磁铁的两个极面之间所需能量的粒子的像点处设置狭缝；设定的偏转角度φ决定于第一漂浮段的长度L₁、偏转半径r以及磁场降落指数n，由传输矩阵计算得到；在弱聚焦磁铁的出口处设置导向磁铁，导向磁铁包括互相平行放置的两个极面，导向磁铁的每个极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个极面之间有距离，分别位于Y方向的正方向和负方向，导向磁铁的入口与弱聚焦磁铁的出口平行在弱聚焦磁铁的出口设置导向磁铁。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，从弱聚焦磁铁以及导向磁铁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。

为了减小色差的影响，利用不同能量的粒子在弱聚焦磁铁的出口沿X方向分开的特点，在弱聚焦磁铁的出口设计特殊的导向磁铁，如图1所示，导向磁铁的形状如图2所示；经过导向磁铁有针对地修正各个能量粒子束X方向的散角，使应用端粒子束整体回到束线中心线上，保障剂量分布均匀性。

导向磁铁的磁场为均匀磁场，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁的出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内的坐标以(z_e,x_e)表示，z_e代表在X方向位置x_e处导向磁铁在Z方向的宽度，根据散角修正量

与偏转半径，得到导向磁铁的出口的形状，如图2所示：

在本实施例中，传输12MeV质子束，设计弱聚焦磁铁的偏转半径为0.5m，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ为4.703rad，磁场降落指数n为0.17，导向磁铁的磁场强度B_s为1T，L₁＝0.25m，L₂＝0.853m。在弱聚焦磁铁的入口处设置圆孔形的散角选择缝选择±50mrad散角内的质子束；质子束在弱聚焦磁铁中偏转2.98rad后到达X方向的像点，在弱聚焦磁铁中像点处设置狭缝S，选择能量范围，例如90％能散；对于辐照应用，在狭缝处整形能谱，减少低能质子的数目。

第一漂浮段或第二漂浮段中可以加入束流诊断装置，测量质子束参数。

弱聚焦磁铁和导向磁铁的电流方向决定弱聚焦磁铁和导向磁铁的磁场方向，电流方向改变则磁场方向改变，当弱聚焦磁铁和导向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。

本实施例的宽能谱粒子束传输与均匀化装置的实现方法，包括以下步骤：

1)宽能谱粒子束传输与均匀化装置设置，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，粒子束在X和Y方向具有初始散角，在X方向正半轴的粒子在X方向的速度v_x均大于0，即X方向位置为正的粒子X方向的散角为正，在X方向负半轴的粒子在X方向的速度v_x均小于0，即X方向位置为负的粒子X方向的散角为负，X方向处于散焦状态；同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为正Y方向，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为负，Y方向处于散焦状态；X和Y方向的运动独立，互不影响；进入第一漂浮段，在第一漂浮段中粒子束的横向尺寸不断增加；经过第一漂浮段进入弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转并改变散角，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同但偏转角度相同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在弱聚焦磁铁的出口，不同

能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开，能散越大的粒子距离束线中心线越远；

3)粒子束在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后到达像点，相同能量且不同初始散角的粒子在X方向汇聚，不同能量的粒子沿X方向分开；通过狭缝在X方向位置选择能量范围，通过狭缝在Y方向的开口范围选择各个能量的粒子的通过比例，从而实现整形能谱；

4)粒子束通过导向磁铁修正X方向的散角，经过第二漂浮段到达辐照终端：

利用束流传输动力学，得到粒子束传输到辐照终端在X方向实现位置消色差时第二漂浮段的长度L₂需要满足的关系：

当中心能量粒子的偏转半径r、弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ和磁场降落指数n确定后，由(1)式得到第二漂浮段的长度L₂；

在(1)式中，能量越高的粒子的偏转半径r越大，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ相同时，实现位置消色差要求第二漂浮段的长度L₂随着能量增加；第二漂浮段的长度L₂按照中心能量粒子的偏转半径r_c确定，使得高于和低于中心能量的粒子束在辐照终端朝X轴正方向偏移，能散越大，粒子束的分布中心与束线中心线的偏离越大，导致粒子束整体分布出现畸形，不均匀的剂量分布导致粒子束无法用于辐照；在弱聚焦磁铁中粒子束在Y方向受到聚焦，但不同能量粒子束没有沿Y方向分开，在Y方向不同能量粒子束的分布中心始终是Y轴的坐标原点，而在X方向不同能量粒子束分开了，在弱聚焦磁铁出口能散越大的粒子束的分布中心离束线中心越远，能够有针对地修正各个能量粒子束在X方向的散角；因而在弱聚焦磁铁的出口设置导向磁铁，修正X方向的散角，使各个能量粒子束在辐照终端的分布中心回到束线中心线；能散越大的粒子，散角修正量

越大；

5)通过束流传输矩阵，计算得到在弱聚焦磁铁出口，散角修正量

为：

x_e为粒子在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标，坐标原点位于束线中心线；不同能量粒子在弱聚焦磁铁出口沿X方向分开，且能散越大，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值越大，因而导向磁铁施加的散角修正量

随着在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值增大；

在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁的出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内的坐标以(z_e,x_e)表示，z_e代表在x_e处导向磁铁在Z方向的宽度，求得粒子的偏转半径

根据散角修正量

与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁的出口的形状满足：

(3)式中B_s为导向磁铁的磁场强度，是人为确定的已知量，q为粒子的电荷，包括质子、离子和电子，p₀为中心能量粒子的动量；由于在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁设计为处于z≥0的位置，因而在(3)式中取

的绝对值；

从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率。

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、能谱整形和束流均匀化，显著提高激光驱动粒子束的辐照应用效率。

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 (6)

1.一种宽能谱粒子束传输与均匀化装置，在粒子坐标系XYZ中，坐标系的原点始终在参考粒子处；参考粒子是假想的沿预定路径运动的粒子，参考粒子的前进方向为Z轴，横向包括水平的X轴和竖直的Y轴；在漂浮段中，粒子坐标系的指向不变，原点跟随参考粒子改变；在偏转磁铁中，Z轴始终沿切向，随着参考粒子的前进而不断改变；X轴始终沿径向，Y轴指向保持不变；在实验室坐标系X’Y’Z’中，坐标系选定后坐标轴的指向和原点始终保持不变，在所述宽能谱粒子束传输与均匀化装置中Y轴与Y’轴的方向相同，其特征在于，所述宽能谱粒子束传输与均匀化装置包括：弱聚焦磁铁、狭缝和导向磁铁；其中，弱聚焦磁铁包括两个形状完全相同的极面，弱聚焦磁铁的极面在实验室坐标系Z’X’平面的投影形状为部分圆环，包括分别位于Y轴正方向的上极面和位于Y轴负方向的下极面；弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，弱聚焦磁铁的入口与靶点之间有距离形成第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；弱聚焦磁铁的出口正对着辐照终端，弱聚焦磁铁的出口与辐照终端之间有距离形成第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后，在X方向上相同能量、不同初始散角的粒子在像点处聚焦，不同能量粒子的像点在X方向位置不同，在弱聚焦磁铁的两个极面之间所需能量的粒子的像点处设置狭缝；在弱聚焦磁铁的出口处设置导向磁铁，导向磁铁包括互相平行放置的两个极面，导向磁铁的每个极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个极面之间有距离，分别位于Y方向的正方向和负方向，导向磁铁的入口与弱聚焦磁铁的出口平行，导向磁铁出口的形状在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内由(3)式决定，表现为宽度随着X轴上的坐标的绝对值增加；

激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，粒子束在X和Y方向具有初始散角，在X方向正半轴的粒子在X方向的速度v_x均大于0，即X方向位置为正的粒子X方向的散角为正，在X方向负半轴的粒子在X方向的速度v_x均小于0，即X方向位置为负的粒子X方向的散角为负，X方向处于散焦状态；同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为正，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为负，Y方向处于散焦状态；X和Y方向的运动独立，互不影响；进入第一漂浮段，在第一漂浮段中粒子束的横向尺寸不断增加，粒子束的散角保持不变；经过第一漂浮段进入弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转并改变散角，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同但偏转角度相同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在弱聚焦磁铁的出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开，能散越大的粒子距离束线中心线越远；粒子束在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后到达像点，相同能量且不同初始散角的粒子在X方向汇聚，不同能量的粒子沿X方向分开；通过狭缝在X方向位置选择能量范围，通过狭缝在Y方向的开口范围选择各个能量的粒子的通过比例，从而实现整形能谱；弱聚焦磁铁在X和Y方向提供聚焦力，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，同时散角不断改变；经过弱聚焦磁铁聚焦后进入第二漂浮段，在X方向位置为正的粒子的散角为负，X方向位置为负的粒子X方向的散角为正，在X方向处于聚焦状态，同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为负，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为正，Y方向处于聚焦状态，在第二漂浮段中粒子束的横向尺寸不断减小，各个能量粒子束的分布中心与束线中心线的距离不断缩小；均匀性要求在辐照终端各个能量粒子束在X方向的分布中心位于束线中心线上；但弱聚焦磁铁在偏转相同角度时X方向的聚焦力对散角的改变量不能达到均匀性的要求；

利用束流传输动力学，得到粒子束传输到辐照终端在X方向实现位置消色差时第二漂浮段的长度L₂需要满足的关系：

当粒子的偏转半径r、弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ和磁场降落指数n确定后，由(1)式得到第二漂浮段的长度L₂；

在(1)式中，能量越高的粒子的偏转半径r越大，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ相同时，实现位置消色差要求第二漂浮段的长度L₂随着能量增加；第二漂浮段的长度L₂按照中心能量粒子的偏转半径r_c确定，使得高于和低于中心能量的粒子束在辐照终端朝X轴正方向偏移，能散越大，粒子束的分布中心与束线中心线的偏离越大，导致粒子束整体分布出现畸形，不均匀的剂量分布导致粒子束无法用于辐照；因而在弱聚焦磁铁的出口设置导向磁铁，修正X方向的散角，使各个能量粒子束在辐照终端的分布中心回到束线中心线；能散越大的粒子，散角修正量

越大；

粒子束通过导向磁铁修正X方向的散角，经过第二漂浮段到达辐照终端；

通过束流传输矩阵，计算得到在弱聚焦磁铁出口，散角修正量

为：

x_e为粒子在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标，坐标原点位于束线中心线；不同能量粒子在弱聚焦磁铁出口沿X方向分开，且能散越大，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值越大，因而导向磁铁施加的散角修正量

随着在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值增大；

在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁的出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内的坐标以(z_e,x_e)表示，z_e代表在x_e处导向磁铁在Z方向的宽度，求得粒子的偏转半径

根据散角修正量

与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁的出口的形状满足：

(3)式中B_s为导向磁铁的磁场强度，r_c为中心能量粒子的偏转半径，q为粒子的电荷，p₀为中心能量粒子的动量；由于在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁设计为处于z≥0的位置，因而在(3)式中取

的绝对值；

从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率。

2.如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述电流方向决定磁场方向，当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。

3.如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置，其特征在于，所述从靶点出来的粒子束均在管道中传输，管道中保持真空，从弱聚焦磁铁以及导向磁铁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。

4.如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置，其特征在于，还包括束流诊断装置，所述束流诊断装置设置在第一漂浮段或第二漂浮段中，用来测量质子束参数。

5.一种如权利要求1所述的宽能谱粒子束传输与均匀化装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)宽能谱粒子束传输与均匀化装置设置：

a)提供弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁包括两个形状完全相同的极面，弱聚焦磁铁的极面在实验室坐标系Z’X’平面的投影形状为部分圆环，包括分别位于Y轴正方向的上极面和位于Y轴负方向的下极面；

b)弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，弱聚焦磁铁的入口与靶点之间有距离形成第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁；

c)弱聚焦磁铁的出口正对着辐照终端，弱聚焦磁铁的出口与辐照终端之间有距离形成第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；

d)在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后，在X方向上相同能量、不同初始散角的粒子在像点处聚焦，不同能量粒子的像点在X方向位置不同，在弱聚焦磁铁的两个极面之间所需能量的粒子的像点处设置狭缝；

e)在弱聚焦磁铁出口处设置导向磁铁，导向磁铁包括互相平行放置的两个极面，导向磁铁的每个极面平行于ZX平面，导向磁铁的两个极面之间有距离，分别位于Y方向的正方向和负方向，导向磁铁的入口与弱聚焦磁铁的出口平行，导向磁铁出口的宽度随着X轴上的坐标的绝对值增加；

2)激光脉冲与靶相互作用在靶点产生微米量级的粒子束，粒子束在X和Y方向具有初始散角，在X方向正半轴的粒子在X方向的速度v_x均大于0，即X方向位置为正的粒子X方向的散角为正，在X方向负半轴的粒子在X方向的速度v_x均小于0，即X方向位置为负的粒子X方向的散角为负，X方向处于散焦状态；同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为正，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为负，Y方向处于散焦状态；X和Y方向的运动独立，互不影响；进入第一漂浮段，在第一漂浮段中粒子束的横向尺寸不断增加，粒子束的散角保持不变；经过第一漂浮段进入弱聚焦磁铁，弱聚焦磁铁对粒子束产生偏转并改变散角，粒子具有偏转角度，不同能量的粒子的偏转半径不同但偏转角度相同，能量大的粒子的偏转半径大，从而在弱聚焦磁铁出口，不同能量的粒子沿粒子坐标系XYZ的X方向分开，能散越大的粒子距离束线中心线越远；

3)粒子束在弱聚焦磁铁中经过设定的偏转角度偏转后到达像点，相同能量且不同初始散角的粒子在X方向汇聚，不同能量的粒子沿X方向分开；通过狭缝在X方向位置选择能量范围，通过狭缝在Y方向的开口范围选择各个能量的粒子的通过比例，从而实现整形能谱；

4)弱聚焦磁铁在X和Y方向提供聚焦力，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，同时散角不断改变；经过弱聚焦磁铁聚焦后进入第二漂浮段，在X方向位置为正的粒子的散角为负，X方向位置为负的粒子X方向的散角为正，在X方向处于聚焦状态，同样Y方向位置为正的粒子Y方向的散角为负，Y方向位置为负的粒子Y方向的散角为正，Y方向处于聚焦状态，在第二漂浮段中粒子束的横向尺寸不断减小，各个能量粒子束的分布中心与束线中心线的距离不断缩小；均匀性要求在辐照终端各个能量粒子束在X方向的分布中心位于束线中心线上；但弱聚焦磁铁在偏转相同角度时X方向的聚焦力对散角的改变量不能达到均匀性的要求；

5)粒子束通过导向磁铁修正X方向的散角，经过第二漂浮段到达辐照终端：

利用束流传输动力学，得到粒子束传输到辐照终端在X方向实现位置消色差时第二漂浮段的长度L₂需要满足的关系：

当中心能量粒子的偏转半径r、弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ和磁场降落指数n确定后，由(1)式得到第二漂浮段的长度L₂；

在(1)式中，能量越高的粒子的偏转半径r越大，弱聚焦磁铁产生的总偏转角度θ相同时，实现位置消色差要求第二漂浮段的长度L₂随着能量增加；第二漂浮段的长度L₂按照中心能量粒子的偏转半径r_c确定，使得高于和低于中心能量的粒子束在辐照终端朝X轴正方向偏移，能散越大，粒子束的分布中心与束线中心线的偏离越大，导致粒子束整体分布出现畸形，不均匀的剂量分布导致粒子束无法用于辐照；因而在弱聚焦磁铁出口设置导向磁铁，修正X方向的散角，使各个能量粒子束在辐照终端的分布中心回到束线中心线；能散越大的粒子，散角修正量

越大；

6)通过束流传输矩阵，计算得到在弱聚焦磁铁出口，散角修正量

为：

x_e为粒子在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标，坐标原点位于束线中心线；不同能量粒子在弱聚焦磁铁出口沿X方向分开，且能散越大，在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值越大，因而导向磁铁施加的散角修正量

随着在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系ZX中的X轴上的坐标x_e的绝对值增大；

在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁靠近弱聚焦磁铁的边界即入口的形状为z＝0的直线，右边界即导向磁铁出口在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内的坐标以(z_e,x_e)表示，z_e代表在x_e处导向磁铁在Z方向的宽度，求得粒子的偏转半径

根据散角修正量

与粒子的偏转半径r，得到导向磁铁出口的形状满足：

(3)式中B_s为导向磁铁的磁场强度，r_c为中心能量粒子的偏转半径，q为粒子的电荷，p₀为中心能量粒子的动量；由于在弱聚焦磁铁出口处的粒子坐标系中ZX平面内，导向磁铁处于z≥0的位置，因而在(3)式中取

的绝对值；

从而通过导向磁铁使各个能量粒子在辐照终端的分布中心回到束线中心线，使得整个粒子束的剂量分布均匀，克服色差效应对大能散粒子束辐照应用的限制，提高粒子束的辐照应用效率。

6.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，电流方向决定磁场方向，当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。

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