CN115866868B - 一种基于电荷交换的非线性共振引出系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于同步加速器技术领域，涉及一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，包括：二极铁、四极铁、六极铁、高速加速腔体和薄膜；二极铁为若干个，若干个二极铁组成循环轨道，粒子束在循环轨道中运动；两个二极铁直接设置四极铁或者四极铁和六极铁，四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；六极铁用于引入非线性磁场激发共振；高速加速腔体设置在四极铁和六极铁之间，用于对粒子束进行加速；薄膜设置在某一二极铁内或循环轨道上，用于改变粒子束的分离高度，使发生电荷交换后的粒子从第一通道或第二通道引出。其避免了加工传统共振引出的核心部件静电偏转板，解决了引出元件占用空间大，高能束流慢引出难的问题。

Description

一种基于电荷交换的非线性共振引出系统

技术领域

本发明涉及一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，属于同步加速器技术领域。

背景技术

近年来，同步加速器为辐照效应研究提供高性能平台，在放射性肿瘤治疗、航空航天元器件辐照、生物育种辐照、核孔膜生产、防伪材料等领域应用广泛。

同步加速器的共振慢引出方法分为半整数、三阶整数与高阶整数。相对于半整数与高阶整数共振而言，三阶整数共振具有引出界轨分离角度合理，引出束损失率易于控制的优点，因此，国际上大多数同步加速器均采用三阶整数共振引出方法。

三阶整数共振引出是在引出平台将工作点移动至三阶共振线附近，开启六极铁后相空间由椭圆变成三角形，通过改变工作点与六极铁强度缩小稳定区的面积，使受激发粒子沿着界轨进入静电偏转板，与循环束产生预分离高度，再进入切割铁产生更大分离高度而与同步加速器分离。

三阶整数共振引出有以下难点问题：1)核心部件静电偏转板结构复杂，加工难度大。要获得高引出效率，要求静电偏转板的阳极丝要尽量薄，除阳极丝外，静电偏转板内部还有表面光洁度要求极高的高压电极，陶瓷穿墙件，传动机构等，内部结构十分复杂，加工难度大。同时，静电偏转板需要加载百千伏高压，安全风险高。2)静电偏转板和切割铁占用空间大，同步加速器周长显著增加。静电偏转板在有限的长度内能提供的踢角是一定的，在第一台切割铁入口处有效高度小，屏蔽层薄且场强低，占用空间大，通常需要第二台或更多台切割铁才能实现引出束完全分离，增加了同步加速器周长。3)高能束流慢引出难。静电偏转板长度一定时，其梯度场与引出束流的磁钢度及洛伦兹β成正比，引出束能量越高，梯度场越大。要获得相同或更大的预分离高度，只能增加静电偏转板的长度或数量，这会使与切割铁的相移差逐渐减小，远离π/2+n·2π(n为整数)，降低静电偏转板的踢角有效利用率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，其基于电荷交换的非线性共振慢引出方法避免加工传统共振引出的核心部件静电偏转板，解决了引出元件占用空间大，高能束流慢引出难的问题。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，包括：二极铁、四极铁、六极铁、高速加速腔体和薄膜；二极铁为若干个，若干个二极铁组成循环轨道，粒子束在循环轨道中运动；两个二极铁直接设置四极铁或者四极铁和六极铁，四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；六极铁用于引入非线性磁场激发共振；高速加速腔体设置在直线节，用于对粒子束进行加速；薄膜设置在某一二极铁内或循环轨道上，用于改变粒子束的分离高度，使电荷交换后的粒子从第一通道或第二通道引出。

进一步，共振引出系统还包括直流流强探测器，直流流强探测器设置在循环轨道上，用于监测粒子束的直流流强。

进一步，循环粒子束穿过薄膜后发生电荷交换，电荷交换后粒子束在二极铁中的偏转半径小于电荷交换前粒子束的偏转半径，使电荷交换后粒子束向偏转半径小的轨道上运动，通过调节薄膜材料与二极铁端面的距离，在二极铁出口处得到不同的分离高度粒子束。

进一步，第一通道与第二通道的引出粒子束相移差为3/2π+2π·n，n为整数。

进一步，若薄膜设置在循环轨道上时，在薄膜的循环方向上游和下游均设置若干凸轨磁铁，上游的凸轨磁铁和薄膜之间设有二极铁。

进一步，若循环粒子束穿过薄膜后电荷交换效应强，则发生电荷交换的粒子经过下游的凸轨磁铁时受到踢角作用，与循环粒子束产生大的分离高度，并通过第一通道引出；若循环粒子束穿过薄膜后电荷交换效应弱，在通过下游的凸轨磁铁后分离高度小，使其传输至下游的二极铁处，以产生足够的分离高度，并通过第二通道引出。

进一步，薄膜的宽度方向尺寸d_x由粒子束入射的螺距决定，薄膜的高度方向由垂直发射度与β函数决定。

进一步，薄膜是使循环束发生电荷交换但对能量影响较小，可以为碳膜，或低原子序数的轻质材料，厚度通常为10ug/cm²～100ug/cm²。薄膜依托于支撑框架上，支撑框架具有一定强度且质量轻，可为四边形，或圆形，或其他形状，与薄膜形状相配合。

进一步，第一通道与第二通道包括水平切割铁、垂直切割铁或真空管道，引出的粒子束从同步加速器水平方向或垂直方向引出并传输至终端。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明中引出系统设计简单，避免加工静电偏转板，本发明利用发生电荷交换后粒子在二极场中的曲率半径与循环束不同而产生轨道预分离，预分离高度可以由薄膜与二极铁端面的距离，或凸轨磁铁的强度自由调节，同时本发明对光学无特殊要求，避免了结构组件复杂、工艺难度大、安全风险高的静电偏转板加工，使得引出系统设计简单，运行安全可靠。

2、本发明引出元件占用空间少，同步加速器周长缩短显著，本发明不考虑静电偏转板长度，薄膜在二极铁内不占用额外的纵向空间，或者薄膜可放置于真空泵室中，占用空间很小。同时，引出通道入口处预分离高度大，可接厚板层、高场强的切割铁，在较小纵向距离内实现束流完全引出，或直接连接真空管道而省略切割铁。因此，本发明的方案可以大幅减小引出元件占用空间，显著缩短同步加速器周长和占地面积，降低装置造价。

3、本发明中高能量束流慢引出更易，采用本发明的方案可保持薄膜材料位置不变，在引出能量升高时仍能提供相同的预分离高度，也可以移动材料位置远离二极铁端面，使预分离高度更大。在需要时增加凸轨磁铁的踢角，代价相对较小，提高凸轨磁铁的磁场值就能获得相同或更大的预分离高度，充分发挥厚屏蔽板下切割铁的踢角能力，更易实现高能量束流的慢引出。

附图说明

图1是本发明一实施例中薄膜内置于二极铁的同步加速器布局图；

图2是本发明一实施例中受激发粒子“跳跃”至薄膜的相图；

图3是本发明一实施例中薄膜材料内置于二极铁的引出束流轨道图，其中，1为第一通道，2为第二通道；

图4是本发明另一实施例中薄膜材料放置于直线节的同步加速器布局图；

图5是本发明另一实施例中受激发粒子“跳跃”至薄膜的相图；

图6是本发明另一实施例中薄膜材料放置于直线节的引出束流轨道图，其中，1为第一通道，2为第二通道。

其中，D：二极铁；Q：四极铁；S：六极铁；RF：高频加速腔体；DCCT：直流流强探测器；BPe：凸轨磁铁。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决现有技术中存在的核心部件静电偏转板结构复杂，加工难度大；静电偏转板和切割铁占用空间大，同步加速器周长显著增加；高能束流慢引出难的问题。本发明提出了一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，其在同步加速器引出平台将工作点移动至共振线附近，利用非线性磁场激发共振，将相空间划分为稳定区和非稳定区。已共振的粒子“跳跃”至薄膜材料处发生电荷交换效应，而能量保持不变。发生电荷交换后的粒子在二极场中的曲率半径与循环束不同而产生轨道预分离，将进入引出通道而从同步加速器中完全引出。采用二极场中电荷交换效应的方法代替传统利用静电偏转板实现循环束与引出束预分离的方法，降低核心部件的加工难度，大幅减小引出元件占用空间，缩短同步加速器周长，可降低后续再次分离的切割铁强度，对实现高磁钢度的束流引出具有重要应用价值。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细说明。

实施例一

本实施例公开了一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，如图1所示，包括：二极铁、四极铁、六极铁、直流流强探测器DCCT、高速加速腔体和薄膜；二极铁为六个，六个二极铁组成循环轨道，粒子束在循环轨道中运动；第一个二极铁的上游设置第一个四极铁，第一个二极铁的下游依次设置第一个六极铁、直流流强探测器DCCT、第二个六极铁和第二个四极铁，四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；六极铁用于引入非线性磁场激发共振；直流流强探测器DCCT，用于监测粒子束的直流流强。第二个四极铁下游设置第二个二极铁，第二个二极铁和第三个二极铁之间依次设置第三个六极铁、高速加速腔体和第三个四极铁；高速加速腔体设置在四极铁和六极铁之间，用于对粒子束进行加速；粒子束从第三个二极铁和第四个二极铁之间注入，该粒子束注入点下游设置第四个四极铁；第四个二极铁和第五个二极铁之间依次设置第四个六极铁、第五个六极铁和第五个四极铁；第五个二极铁和第六个二极铁之间依次设置第六个六极铁和第六个四极铁；薄膜设置在第六个二极铁内，用于改变粒子束的分离高度，使发生电荷交换的粒子从第一通道或第二通道引出。该第一通道或第二通道设置在第六个二极铁和第一个二极铁之间，第一个四极铁的上游。同步加速器或FFAG或其他任意类型加速器可采用常温或超导方案，任意数量的二极铁环形光学均可采用本实施例中方案。

调整同步加速器中四极铁的强度使工作点靠近共振线附近，启动六极铁引入非线性磁场激发共振，相空间形成稳定区和非稳定区。如图2所示，受激发的粒子直接“跳跃”至薄膜材料发生电荷交换效应。

薄膜的长度方向尺寸由粒子束入射的螺距决定，薄膜的宽度方向由垂直发射度与β函数决定。β函数是同步加速器光学的基本参数之一，若发射度用ε表示，则y＝sqrt(β*ε))。薄膜是使循环束发生电荷交换但对能量影响较小，可以为碳膜，或低原子序数的轻质材料，厚度通常为10ug/cm²～100ug/cm²。薄膜依托于支撑框架上，支撑框架具有一定强度且质量轻，可为四边形，或圆形，或其他形状，与薄膜形状相配合。

如图3所示，循环束受到非线性磁场作用，使粒子自发打在薄膜上，不需要额外凸轨的辅助。若循环粒子束在二极铁中的偏转半径ρ1，循环粒子束穿过薄膜后发生电荷交换，电荷交换后粒子束在二极铁中的偏转半径ρ2小于电荷交换前粒子束在二极铁中的偏转半径，使发生电荷交换后粒子束向偏转半径小的轨道上运动，通过调节薄膜材料与二极铁端面的距离，在二极铁出口处得到不同的分离高度的粒子束。发生电荷交换后的粒子从二极铁端面出来后，可以进入第一通道或第二通道，从同步加速器中完全分离，第一通道与第二通道相移差为3/2π+2π·n，n为整数。第一通道与第二通道包括水平切割铁、垂直切割铁或真空管道，引出的粒子束从同步加速器水平方向或垂直方向引出并传输至终端。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了另一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，如图4所示，包括：二极铁、四极铁、六极铁、直流流强探测器DCCT、高速加速腔体、薄膜和凸轨磁铁；二极铁为六个，六个二极铁组成循环轨道，粒子束在循环轨道中运动；第一个二极铁的下游依次设置第一个六极铁、直流流强探测器DCCT、第二个六极铁和第二个四极铁，四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；六极铁用于引入非线性磁场激发共振；直流流强探测器DCCT，用于监测粒子束的直流流强。第二个四极铁下游设置第二个二极铁，第二个二极铁和第三个二极铁之间依次设置第三个六极铁、高速加速腔体和第三个四极铁；高速加速腔体设置在四极铁和六极铁之间，用于对粒子束进行加速；粒子束从第三个二极铁和第四个二极铁之间注入，该粒子束注入点下游设置第四个四极铁；第四个二极铁和第五个二极铁之间依次设置第四个六极铁、第五个六极铁和第五个四极铁；第五个二极铁和第六个二极铁之间依次设置第六个六极铁、第一个凸轨磁铁、第二个凸轨磁铁和第六个四极铁；薄膜放置于直线节用于改变粒子束的分离高度，使发生电荷交换效应的粒子从第一通道或第二通道引出。第六个二极铁和第一个二极铁之间依次设置第三个凸轨磁铁、第四个凸轨磁铁和第一个四极铁，该第一通道设置在第三个凸轨磁铁上，第二通路穿过第四个凸轨磁铁、第一个四极铁和第一个二极铁，从第一个二极铁的输出端引出。同步加速器或FFAG或其他任意类型加速器可采用常温或超导方案，任意数量的二极铁环形光学均可采用本实施例中方案。需要说明的是，薄膜也可以设置在除了二极铁以外的其他磁铁内。其中，凸轨磁铁可以为校正铁或Bump铁，但不以此为限。

如图5所示，粒子受激发的过程与第一种情况相同，在非线性磁场作用下，受激发粒子自发打在薄膜上，不需要凸轨磁铁辅助。如图6所示，若循环粒子束穿过薄膜后电荷交换效应强，则发生电荷交换后的粒子经过下游的凸轨磁铁时受到踢角作用，与循环粒子束产生大的分离高度，并通过第一通道引出；若循环粒子束穿过薄膜后电荷交换效应弱，在通过下游的凸轨磁铁后分离高度小，使其传输至下游的二极铁处，以产生足够的分离高度，并通过第二通道引出，最终从同步加速器完全引出。

第一通道与第二通道包括水平切割铁、垂直切割铁或真空管道，引出的粒子束从同步加速器水平方向或垂直方向引出并传输至终端。

本实施例的方法不仅适用于三阶整数共振慢引出，也适用于其他N阶整数共振慢引出，其中N为整数。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于电荷交换的非线性共振引出系统，其特征在于，包括：二极铁、四极铁、六极铁、高速加速腔体和薄膜；

所述二极铁为若干个，若干个所述二极铁组成循环轨道，粒子束在所述循环轨道中运动；

两个所述二极铁之间设置四极铁或者四极铁和六极铁，所述四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；所述六极铁用于引入非线性磁场激发共振；

所述高速加速腔体设置在直线节，用于对所述粒子束进行加速；

所述薄膜设置在某一所述二极铁内或所述循环轨道上，用于改变生电荷交换前后粒子束形成的分离高度，使发生电荷交换后的粒子从第一通道或第二通道引出；

若所述薄膜设置在所述循环轨道上时，在所述薄膜的循环方向上游和下游均设置若干凸轨磁铁，上游的所述凸轨磁铁和所述薄膜之间设有二极铁；

若循环粒子束穿过薄膜后电荷交换效应强，则发生电荷交换后的粒子经过下游的所述凸轨磁铁时受到踢角作用，与所述循环粒子束产生大的分离高度，并通过第一通道引出；若循环粒子束穿过薄膜后电荷交换效应弱，在通过下游的所述凸轨磁铁后分离高度小，使其传输至下游的二极铁处，以产生足够的分离高度，并通过第二通道引出。

2.如权利要求1所述的基于电荷交换的非线性共振引出系统，其特征在于，所述共振引出系统还包括直流流强探测器，所述直流流强探测器设置在所述循环轨道上，用于监测所述粒子束的直流流强。

3.如权利要求2所述的基于电荷交换的非线性共振引出系统，其特征在于，循环粒子束穿过所述薄膜后电荷交换效应强，发生电荷交换后粒子束在二极铁中的偏转半径小于发生电荷交换前粒子束在二极铁中的偏转半径，使发生电荷交换后粒子束向偏转半径小的轨道上运动，通过调节薄膜材料与二极铁端面的距离，在二极铁出口处得到不同的分离高度的粒子束。

4.如权利要求3所述的基于电荷交换的非线性共振引出系统，其特征在于，所述第一通道与第二通道引出粒子束的相移差为3/2π+2π·n，n为整数。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于电荷交换的非线性共振引出系统，其特征在于，所述薄膜的宽度方向尺寸d_x由粒子束入射的螺距决定，所述薄膜的高度方向尺寸d_z由垂直发射度与β函数决定。

6.如权利要求5所述的基于电荷交换的非线性共振引出系统，其特征在于，所述薄膜为碳膜或低原子序数的轻质材料，所述薄膜的厚度为10ug/cm²～100ug/cm²。

7.如权利要求1-4任一项所述的基于电荷交换的非线性共振引出系统，其特征在于，所述第一通道与第二通道包括水平切割铁、垂直切割铁或真空管道，引出的粒子束从同步加速器水平方向或垂直方向引出并传输至终端。