CN117500139A - 一种基于变场梯度的束流引出系统 - Google Patents

一种基于变场梯度的束流引出系统 Download PDF

Info

Publication number
CN117500139A
CN117500139A CN202311520799.2A CN202311520799A CN117500139A CN 117500139 A CN117500139 A CN 117500139A CN 202311520799 A CN202311520799 A CN 202311520799A CN 117500139 A CN117500139 A CN 117500139A
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnet
extraction
secondary coil
straight line
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311520799.2A
Other languages
English (en)
Inventor
杨建成
阮爽
申国栋
张京京
赵丽霞
李长春
潘永祥
郑亚军
王耿
柴伟平
夏佳文
詹文龙
马桂梅
刘杰
蔡付成
丁潇
王儒亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Modern Physics of CAS
Original Assignee
Institute of Modern Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Modern Physics of CAS filed Critical Institute of Modern Physics of CAS
Priority to CN202311520799.2A priority Critical patent/CN117500139A/zh
Publication of CN117500139A publication Critical patent/CN117500139A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/04—Synchrotrons
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/001—Arrangements for beam delivery or irradiation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/001—Arrangements for beam delivery or irradiation
    • H05H2007/002—Arrangements for beam delivery or irradiation for modifying beam trajectory, e.g. gantries
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H05H2007/043—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof for beam focusing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H05H2007/046—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof for beam deflection
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H05H2007/048—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof for modifying beam trajectory, e.g. gantry systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于变场梯度的束流引出系统，包括：若干束流偏转单元和若干直线段，若干束流偏转单元间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转，每个束流偏转单元内均设置有主线圈，用以形成循环束通道；若干直线段，依次形成于若干束流偏转单元之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、引出；其中，束流引出的直线段上设置有引出切割磁铁，沿束流方向与束流引出的直线段上游相邻的直线段上设置有引出静电偏转板或踢轨磁铁，位于引出静电偏转板或踢轨磁铁下游的束流偏转单元内还设置有次级线圈，用以形成引出束通道。该系统所需的二极磁铁的尺寸与重量更小，从而降低系统造价。

Description

一种基于变场梯度的束流引出系统
技术领域
本发明涉及一种基于变场梯度的束流引出系统，属于加速器技术领域。
背景技术
同步加速器慢引出束流在航天、材料、医学、农业、生物等领域应用广泛。例如，开展航天电子元器件特别是电子器件整机的单粒子效应辐照研究；研究粒子在生物体和半导体材料中的辐照效应规律；可用于核孔膜的生产和粒子癌症治疗领域，对促进我国社会经济相关领域的发展具有重大意义。
目前，同步加速器的常用慢引出系统是利用非线性磁场激发共振粒子沿着界轨运动，引出束进入静电偏转板，通过加载百千伏高压对引出束进行偏转，在切割磁铁入口，引出束和循环束产生一定的分离高度。由于受到尖端放电打火和加工工艺水平的限制，通常静电偏转板有效长度≤1.5m，梯度场≤100kV/cm，在有限的长度内静电偏转板能提供的踢角是一定的，因此产生的分离高度十分有限，通常分离高度内需要放置：接受度包络+闭轨量+引出束真空管道+引出切割磁铁线规+切割磁铁漏场屏蔽层+切割磁铁线规与屏蔽层压板等。要引出高能量的束流，切割磁铁需要更大的线规与更厚的屏蔽层导致分离高度增加，只能增加静电偏转板的长度与数量，这提高了静电偏转板的加工难度和纵向占用空间。同时，静电偏转板将运行在更高的电压，安全风险极大。由于受到预分离高度的限制，第一台切割磁铁因漏场等原因导致产生的磁场较低，偏转能力受到限制，需要第二台、第三台甚至更多台切割磁铁才能实现引出束完全从同步加速器中分离，这导致切割铁数量多，纵向占用空间大，引出系统设计难度大。因此，由于引出元件静电偏转板与切割磁铁需要占用较大的纵向空间，限制了同步加速器周长的缩短，导致装置占地面积大，造价高，不利于同步加速器装置的小型化推广应用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于变场梯度的束流引出系统。该系统在二极磁铁内设置循环束通道与引出束通道，主线圈用于在两个通道中产生主磁场，次级线圈仅用于在引出通道产生次级磁场以抵消部分主磁场，因此引出束通道将产生与循环束通道不同的梯度场，当束流通过二极磁铁的引出束通道时，由于磁场下降将受到向外的偏转力。由于二极磁铁自身长度长，偏转角度大，因此在引出束通道中产生较小的梯度场能在切割磁铁入口处产生足够大的分离高度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于变场梯度的束流引出系统，包括：
若干束流偏转单元和若干直线段，若干所述束流偏转单元间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转，每个所述束流偏转单元内均设置有主线圈，用以形成循环束通道；
若干直线段，依次形成于若干所述束流偏转单元之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、引出；
其中，束流引出的所述直线段上设置有引出切割磁铁，沿束流方向与束流引出的所述直线段上游相邻的所述直线段上设置有引出静电偏转板或踢轨磁铁，位于所述引出静电偏转板或踢轨磁铁下游的所述束流偏转单元内还设置有次级线圈，用以形成引出束通道，或者；
沿束流方向与束流引出的所述直线段上游相邻的所述直线段上设置有引出静电偏转板或踢轨磁铁，位于所述引出静电偏转板或踢轨磁铁下游的所述束流偏转单元内还设置有次级线圈，用以形成引出束通道。
所述的束流引出系统，优选地，所述主线圈套设在所述次级线圈的外部，二者的轴向长度一致，或者；
所述主线圈套设在所述次级线圈的外部，所述次级线圈的轴向长度小于所述主线圈的轴向长度，且所述次级线圈位于靠近所述引出切割磁铁的一端，或者；
所述次级线圈与所述主线圈相互独立布置、互不重叠，二者的轴向长度一致，或者；
所述次级线圈与所述主线圈相互独立布置、互不重叠，所述次级线圈的轴向长度小于所述主线圈的轴向长度，且所述次级线圈位于靠近所述引出切割磁铁的一端。
所述的束流引出系统，优选地，束流经过所述次级线圈后，在所述引出切割磁铁入口处产生的分离高度Δx，计算公式如下：
Δx＝1/2·L·(ΔB/B0·θ)
式中，L为二极磁铁的长度；θ为二极磁铁的偏转角度；B0主线圈所产生的主磁场；ΔB为磁场变化量。
所述的束流引出系统，优选地，通过调节所述次级线圈的电流从而实现ΔB的自由调节，以满足所述引出切割磁铁入口处的分离高度需求。
所述的束流引出系统，优选地，ΔB＝B1-B0，其中，B1为所述引出束通道内的磁场。
所述的束流引出系统，优选地，ΔB/B0所占的比例范围为0.5％～30％，根据分离高度Δx而定。
所述的束流引出系统，优选地，所述束流偏转单元和所述直线段的数量均为八，分别为第一至第八束流偏转单元和第一至第八直线段；
其中，所述第一直线段中设置有所述引出静电偏转板或踢轨磁铁，所述第二直线段中设置有所述引出切割磁铁，所述第一束流偏转单元内设置有所述次级线圈，或者；
所述第一直线段中设置有所述引出静电偏转板或踢轨磁铁，所述第一束流偏转单元内设置有所述次级线圈。
所述的束流引出系统，优选地，所述第八直线段上设置有高频加速腔体，用于对束流进行加速。
所述的束流引出系统，优选地，所述第四直线段和第八直线段上均设置有一块六极磁铁。
所述的束流引出系统，优选地，所述第二直线段、所述第四直线段、所述第六直线段以及所述第八直线段上均设置有两块四极磁铁。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明所涉及的束流引出系统，在二极磁铁内设置循环束通道与引出束通道，利用二极磁铁次级线圈在引出通道产生的磁场抵消部分主线圈产生的磁场，束流进入引出通道后因磁场下降而受到向外的偏转力，从而在切割磁铁入口处产生足够的分离高度。
2、本发明在切割磁铁入口处产生足够的分离高度，可以通过调整次级线圈电流而大范围调节，以满足切割磁铁的设计需求。若引出束流能量低，即引出磁刚度小，甚至可以不需要后续引出切割磁铁，实现引出束从同步加速器中完全分离，实现更加紧凑的同步加速器布局。
3、二极磁铁是光学设计的基本元件，自身会占用纵向空间。二极磁铁内设置引出通道，相当于用二极磁铁代替引出切割磁铁的功能，可以有效减小引出切割磁铁所需空间。另外一方面，由于二极磁铁的长度与偏转角度大，较小的梯度场可以在引出切割磁铁入口处产生较大的分离高度，可以充分发挥切割磁铁高磁场作用，从而实现与同步加速器快速分离。这样不仅可以减少切割磁铁的数量，显著降低纵向占用空间，大幅缩短同步加速器的周长。同时，由于引出切割磁铁空间充足，可以优化线规以得到更合理的电参数，降低电源设计难度，降低引出系统造价。
4、与常规的引出系统方案相比，本发明的束流引出系统所需的二极磁铁往外的孔径尺寸更小，有利于减小二极磁铁的尺寸与重量，从而降低磁铁系统造价。本发明的束流引出系统，可以大幅减小切割磁铁的长度与数量，实现同步加速器的超短周长布局，降低装置占地面积，设计更紧凑，造价更低。同时，充足的分离高度可以满足引出切割磁铁漏场屏蔽需求，电参数设计更合理，适用于常用的脉冲模式或直流模式，降低了引出系统设计难度与造价。
附图说明
图1为本发明提供的基于二极磁铁变场梯度的束流引出系统布局图；
图2为本发明提供的二极磁铁次级线圈嵌入主线圈的引出束流轨道图；
图3为本发明提供的二极磁铁次级线圈嵌入主线圈的入口处轨道图；
图4为本发明提供的二极磁铁次级线圈部分嵌入主线圈的引出束流轨道图；
图5为本发明提供的二极磁铁次级线圈与主线圈分离的引出束流轨道图；
图6为本发明提供的二极磁铁次级线圈与主线圈分离的入口处轨道图；
图中各标记如下：
1-1～1-8为二极磁铁；2-1～2-8为四极磁铁；3-1～3-2为六极磁铁；4-DCCT(直流流强探测器)；5-高频加速腔体；6-引出静电偏转板；7-引出切割磁铁；8为循环束中心轨道；9-循环束通道；10-引出束中心轨道；11-引出束通道；12：主线圈；13：次级线圈；14：引出切割磁铁入口处分离高度；15：第一束流偏转单元入口处预分离高度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
同步加速器慢引出系统是产生共振离子跳跃至高压型静电偏转板，在高电场偏转作用下，引出束与循环束在切割磁铁入口处产生一定分离高度，在多块切割磁铁的磁场共同偏转作用从同步加速器中完全引出。然而，由于静电偏转板的梯度场通常<100kV/cm，多块引出切割磁铁的磁场依次逐渐增大，要引出高能量离子，只能不断增加静电偏转板和引出切割磁铁的长度，这将导致同步加速器的周长大幅增加。
针对上述问题，本发明提出一种基于二极磁铁变场梯度的束流引出系统。二极磁铁中存在循环束通道与引出束通道，通过调节次级线圈的电流使引出束通道的磁场小于循环束通道的磁场，此时引出束会受到向外的偏转作用，在引出切割磁铁入口处产生足够的分离高度，可以充分发挥引出切割磁铁的偏转作用，实现引出束从同步环中完全分离。
如图1所示，本发明所涉及的基于变场梯度的束流引出系统，包括：第一至第八束流偏转单元(束流偏转单元的数量仅以此为例，并不限于此)，间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转，每个束流偏转单元内均设置有主线圈12，用以形成循环束通道；第一至第八直线段，依次形成于第一至第八束流偏转单元之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、引出。
在本发明一个优选的实例中，第一束流偏转单元中还设置有次级线圈13，主线圈12套设在次级线圈13的外部，第一直线段中设置有引出静电偏转板6，引出静电偏转板6利用产生的电场作用于引出束流，将引出束流从循环束中切割分离，引出静电偏转板6也可以是踢轨磁铁(kicker磁铁)；第二直线段中设置有引出切割磁铁7，用于将经过引出静电偏转板6切割分离的离子引出加速器；第五直线段中设置有DCCT(直流流强探测器)，用于直流流强探测，第八直线段中设置有高频加速腔体5，用于对束流进行加速。
次级线圈13与主线圈12的布置存在如下4种情况：第一，如图2所示，主线圈12套设在所述次级线圈13的外部，二者的轴向长度一致；第二，如图4所示，主线圈12套设在所述次级线圈13的外部，次级线圈13的轴向长度小于主线圈12的轴向长度，且次级线圈13位于靠近引出切割磁铁7的一端；第三，如图5所示，次级线圈13与主线圈12相互独立布置、互不重叠，二者的轴向长度一致；第四，次级线圈13与主线圈12相互独立布置、互不重叠，次级线圈13的轴向长度小于主线圈12的轴向长度，且次级线圈13位于靠近引出切割磁铁7的一端。下面对四种情况展开详细说明。
第一种情况：次级线圈13嵌入主线圈12中，如图2所示。束流偏转单元的主线圈12用于在循环束通道9与引出束通道11中产生主磁场B0，引出束通道11中的次级线圈13用于产生与主磁场B0方向相反的次级磁场，使引出束通道11内的磁场降低至B1，磁场变化量ΔB＝B0-B1。由于循环束与引出束的磁刚度相同，即B0ρ0＝B1ρ1，而B0>B1，则ρ0<ρ1。因此，循环束将继续在设计的循环轨道上运动，引出束的运动轨道半径大于循环束的轨道半径，将向外运动，从而在引出切割磁铁7的入口处产生分离高度Δx。
分离高度Δx由磁场变化量ΔB＝B1-B0的大小决定，通过调节次级线圈13的电流从而实现ΔB的自由调节，以满足引出切割磁铁7入口处的分离高度需求。通常情况下，ΔB/B0所占的比例范围为0.5％～30％，需要根据分离高度Δx而定。Δx近似等于Δx＝1/2·L·(ΔB/B0·θ)。L为二极磁铁的长度，θ为二极磁铁的偏转角度，由于L和θ通常较大，因此要产生足够的分离高度Δx是容易的。
由于分离高度Δx可灵活调节，可以满足第一块引出切割磁铁7的高磁场所需的屏蔽空间需求，结构设计简单，同时可以充分发挥引出切割磁铁7的偏转能力，进而减小切割磁铁的数量，降低引出切割磁铁7占用的纵向空间。若引出能量较低时，可以不需要引出切割磁铁7的偏转作用，引出束在二极磁铁引出通道的磁场直接作用下，实现与加速器完全分离。
对于慢引出系统，束流进入束流偏转单元的引出通道内所需的预分离高度通常由引出静电偏转板6提供。对于快引出系统，束流进入束流偏转单元的引出通道内所需的预分离高度通常由踢轨磁铁(kicker磁铁)提供。当然，由其他方式使束流进入束流偏转单元的引出通道内也适用于该方案。
第二情况和第四种情况，如图4所示，次级线圈13的长度小于主线圈12长度，即：次级线圈13部分嵌入主线圈12中，仅占主线圈12的一部分，如图4所示。存在这种情况是因为引出静电偏转板6所能提供的踢角是一定的，当引出能量较大时，在束流偏转单元的入口处预分离高度15不能放置次级线圈13和真空管道，需要在束流偏转单元内向后延伸至某一位置才能满足放置次级线圈13和真空管道的要求。
第三种情况，如图5所示，次级线圈13与主线圈12分离，次级线圈13限定出引出束通道11，主线圈12限定出循环束通道9。此时，主线圈12用于在循环束通道9中产生主磁场B0，次级线圈13用于在引出束通道11中产生与主磁场方向相同，但强度较小的次级磁场B1，即B1<B0，束流引出过程与第一种情况类似。但是其与第一种情况的不同之处是预分离高度还要包括大尺寸的主线圈12，会稍微增加引出静电偏转板6或kicker(踢轨磁铁)的强度，其余优势与第一种情况相同。
在一些具体实例中，进一步地，第一至第八束流偏转单元1-1～1-8为二极磁铁，用于改变束流的运动方向，使束流在加速器内的运动轨迹构成一个闭合的圆形。第二直线段、第四直线段、第六直线段以及第八直线段上均设置有两块四极磁铁2-1～2-8。第四直线段和第八直线段上均设置有一块六极磁铁3-1～3-2。
六极磁铁3-1～3-2是三阶共振慢引出的核心部件，在慢引出过程中加速器水平工作点被调整至1/3共振线附近，在共振六极磁铁3-1和3-2的作用下，相空间被分割为稳定区和非稳定区，初始阶段束流储存在稳定区当中，在RF-KO(射频激励慢引出装置，RadioFrequency Knockout)的作用下束流振幅逐渐加大进入非稳定区，由于共振六极磁铁3-1和3-2的非线性作用，进入非稳定区中的离子沿界轨方向振幅迅速增大，之后进入引出静电偏转板6中被引出。非线性六极磁铁激发三阶共振慢引出方法不仅提高了引出束流品质，而且较大的螺距使得引出效率较高。
加速器中磁铁元件摆放的位置以及强度的大小决定了该同步环的光学结构。离子在同步环中的运行规律和光类似，存在直线传播、聚焦、散焦等特征，四极磁铁2-1～2-8对束流的作用与凸透镜和凹透镜的作用类似，因此束流在同步加速器中的运动规律也被称为束流光学。加速器中决定光学的主要磁铁元件是二极磁铁1-1～1-8和四极磁铁2-1～2-8，其中二极磁铁1-1～1-8的作用是改变束流的运动方向，使束流在加速器内的运动轨迹构成一个闭合的圆，四极磁铁2-1～2-8的作用是对束流进行聚焦和散焦，和光学透镜不同的地方在于四极磁铁2-1～2-8对束流水平方向聚焦的同时对垂直方向散焦，而对垂直方向聚焦的同时对水平方向散焦，光学设计的一个重要内容是合理的设置四极磁铁2-1～2-8摆放的位置和强度，使水平方向和垂直方向均可以稳定的周期性聚散焦而没有不可控的发散。设计束流光学有一套完备的理论体系，可以从理论上得到束流稳定传输的聚散焦条件，指导光学设计，实际设计过程中通常使用MADX、Winagile等软件进行光学参数的计算和优化匹配。
采用本发明的束流引出系统，在二极磁铁1-1内设置循环束通道9与引出束通道11，主线圈12用于在两个通道中产生主磁场，次级线圈13仅用于在引出通道产生次级磁场以抵消部分主磁场，因此引出束通道11将产生与循环束通道9不同的梯度场，当束流通过二极磁铁1-1的引出通道时，由于磁场下降将受到向外的偏转力。由于二极磁铁1-1自身长度长，偏转角度大，较小的梯度场可以在引出切割磁铁7入口处产生较大的分离高度。较小的梯度场意味着所需次级线圈13的尺寸与电流小，引出静电偏转板6需要提供的预分离高度小(包括小尺寸的次级线圈13+循环束与引出束真空管道)，可以有效降低引出静电偏转板6的长度与电压，运行安全可靠。同时第一台引出切割磁铁7入口处的分离高度可以大范围调节，能充分发挥引出切割磁铁7的偏转能力，在较短的纵向空间内实现引出束从加速器中完全分离，大幅缩短加速器周长，减小占地面积，降低束流引出系统造价。
二极磁铁1-1～1-8是光学设计的基本元件，利用二极磁铁1-1～1-8进行束流偏转引出，代替了引出切割磁铁7的功能，可以有效减小其所需空间。同时，引出切割磁铁7入口处充足的分离高度，可以通过调节二极磁铁1-1～1-8内次级线圈13的电流而实现，利用高磁场的引出切割磁铁7，实现引出束与加速器快速完全分离。当引出能量较低时，可以不需要引出切割磁铁7而实现束流引出。
因此，本发明的束流引出系统，可以大幅减小引出切割磁铁7的长度与数量，实现加速器的超短周长布局，降低装置占地面积，设计更紧凑，造价更低。同时，充足的分离高度可以满足引出切割磁铁7的漏场屏蔽需求，电参数设计更合理，降低了引出系统设计难度与造价。
本发明中的加速器可以是同步加速器，也可以是FFAG或其他任意类型的加速器，加速器可采用常温或超导方案，从水平方向或垂直方向引出，通过一台二极磁铁或多台二极磁铁实现分离均可以采用本发明的共振引出系统。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于变场梯度的束流引出系统，其特征在于，包括：
若干束流偏转单元和若干直线段，若干所述束流偏转单元间隔布置在一个环形上并通过真空管顺次首尾连接，用于对束流进行偏转，每个所述束流偏转单元内均设置有主线圈，用以形成循环束通道；
若干直线段，依次形成于若干所述束流偏转单元之间，用于对束流进行聚焦、注入、加速、引出；
其中，束流引出的所述直线段上设置有引出切割磁铁，沿束流方向与束流引出的所述直线段上游相邻的所述直线段上设置有引出静电偏转板或踢轨磁铁，位于所述引出静电偏转板或踢轨磁铁下游的所述束流偏转单元内还设置有次级线圈，用以形成引出束通道，或者；
沿束流方向与束流引出的所述直线段上游相邻的所述直线段上设置有引出静电偏转板或踢轨磁铁，位于所述引出静电偏转板或踢轨磁铁下游的所述束流偏转单元内还设置有次级线圈，用以形成引出束通道。
2.根据权利要求1所述的束流引出系统，其特征在于，所述主线圈套设在所述次级线圈的外部，二者的轴向长度一致，或者；
所述主线圈套设在所述次级线圈的外部，所述次级线圈的轴向长度小于所述主线圈的轴向长度，且所述次级线圈位于靠近所述引出切割磁铁的一端，或者；
所述次级线圈与所述主线圈相互独立布置、互不重叠，二者的轴向长度一致，或者；
所述次级线圈与所述主线圈相互独立布置、互不重叠，所述次级线圈的轴向长度小于所述主线圈的轴向长度，且所述次级线圈位于靠近所述引出切割磁铁的一端。
3.根据权利要求1所述的束流引出系统，其特征在于，束流经过所述次级线圈后，在所述引出切割磁铁入口处产生的分离高度Δx，计算公式如下：
Δx＝1/2·L·(ΔB/B0·θ)
式中，L为二极磁铁的长度；θ为二极磁铁的偏转角度；B0主线圈所产生的主磁场；ΔB为磁场变化量。
4.根据权利要求3所述的束流引出系统，其特征在于，通过调节所述次级线圈的电流从而实现ΔB的自由调节，以满足所述引出切割磁铁入口处的分离高度需求。
5.根据权利要求4所述的束流引出系统，其特征在于，ΔB＝B1-B0，其中，B1为所述引出束通道内的磁场。
6.根据权利要求5所述的束流引出系统，其特征在于，ΔB/B0所占的比例范围为0.5％～30％，根据分离高度Δx而定。
7.根据权利要求1所述的束流引出系统，其特征在于，所述束流偏转单元和所述直线段的数量均为八，分别为第一至第八束流偏转单元和第一至第八直线段；
其中，所述第一直线段中设置有所述引出静电偏转板或踢轨磁铁，所述第二直线段中设置有所述引出切割磁铁，所述第一束流偏转单元内设置有所述次级线圈，或者；
所述第一直线段中设置有所述引出静电偏转板或踢轨磁铁，所述第一束流偏转单元内设置有所述次级线圈。
8.根据权利要求7所述的束流引出系统，其特征在于，所述第八直线段上设置有高频加速腔体，用于对束流进行加速。
9.根据权利要求7所述的束流引出系统，其特征在于，所述第四直线段和第八直线段上均设置有一块六极磁铁。
10.根据权利要求7所述的束流引出系统，其特征在于，所述第二直线段、所述第四直线段、所述第六直线段以及所述第八直线段上均设置有两块四极磁铁。
CN202311520799.2A 2023-11-15 2023-11-15 一种基于变场梯度的束流引出系统 Pending CN117500139A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311520799.2A CN117500139A (zh) 2023-11-15 2023-11-15 一种基于变场梯度的束流引出系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311520799.2A CN117500139A (zh) 2023-11-15 2023-11-15 一种基于变场梯度的束流引出系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117500139A true CN117500139A (zh) 2024-02-02

Family

ID=89681102

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311520799.2A Pending CN117500139A (zh) 2023-11-15 2023-11-15 一种基于变场梯度的束流引出系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117500139A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7432516B2 (en) Rapid cycling medical synchrotron and beam delivery system
CN106163073B (zh) 一种中能超导质子回旋加速器的束流引出方法
EP0276123B1 (en) Magnetic field generating assembly
CN108566721B (zh) 直线加速器和同步加速器
CN112292734B (zh) 用于聚焦带电粒子束的台架和装置
CN208590144U (zh) 直线加速器和同步加速器
KR20230111236A (ko) 공진기, 선형 가속기 구성 및 토로이드형 공진기를갖는 이온 주입 시스템
CN113747651B (zh) 交叉指型漂移管直线加速器及直线加速器系统
CN112822830B (zh) 质子和轻离子同步加速器、含该加速器的治疗系统及应用
Eriksson The multi-bend achromat storage rings
WO2017145259A1 (ja) 重粒子線治療装置
KR20240048502A (ko) 초전도 전자석 부품 및 이것을 구비하는 등시성 사이클로트론
CN113382529A (zh) 一种超导离子环形同步加速器
CN117500139A (zh) 一种基于变场梯度的束流引出系统
CN107211523B (zh) 射频腔
Kester et al. The MSU/NSCL re-accelerator ReA3
Reva et al. High voltage cooler NICA status and ideas
JP7490263B2 (ja) 粒子加速器および粒子線治療装置
CN116724670A (zh) 超导线圈装置、超导加速器以及粒子射线治疗装置
WO2018096648A1 (ja) 加速器および粒子線照射装置
CN117677020A (zh) 一种基于能量调节的共振引出系统
Shikhovtsev et al. A 10 mA, steady-state, charge exchange negative ion beam source
CN115866868B (zh) 一种基于电荷交换的非线性共振引出系统
JP2023130113A (ja) 質量分離装置、輸送装置、および線形加速器
JP2004241347A (ja) 円形加速器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination