场稳定性调谐方法技术

本发明专利技术涉及一种阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的场稳定性调谐方法，其中，所述阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的各个加速间隙分别构成一个加速单元，该方法包括：步骤S1：为阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器构建传输线模型，所述传输线模型将漂移管、支撑杆和杆耦合器结构等效为传输线等效电路中的阻抗参量，能够根据各杆耦合器插入深度得出直线加速器腔体的工作模式频率以及各加速单元的电场分布；步骤S2：将杆耦合器插入直线加速器的腔体，不断测量腔体的倾斜敏感度并根据基于所构建的传输线模型从当前杆耦合器插入深度出发向倾斜敏感度最小的方向进行的迭代计算结果调节杆耦合器插入深度，直至得出倾斜敏感度达到要求时的各杆耦合器插入深度。的各杆耦合器插入深度。的各杆耦合器插入深度。

【技术实现步骤摘要】
场稳定性调谐方法


[0001]本专利技术涉及一种场稳定性调谐方法，尤其是一种用于阿尔瓦列兹 (Alvarez)型漂移管直线加速器(DTL)的场稳定性调谐方法。

技术介绍

[0002]阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器能够对低能质子束或重离子束进行加速，是质子重离子加速器领域常用的低能直线加速器之一。阿尔瓦兹型漂移管直线加速器通常接在射频四极(RFQ)加速器后对质子重离子束进一步加速，常用于同步加速器的注入器。
[0003]阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器通过在圆柱形谐振腔内沿射束前进方向配置两个以上中空圆柱形状的漂移管电极来构成，如图1所示。对圆柱形谐振腔内提供高频功率，以漂移管电极之间产生的高频电场对质子重离子沿射束前进方向进行加速。将漂移管电极的配置设计成当高频电场的朝向与射束前进方向相反时，带电粒子存在于漂移管电极之内。各个漂移管电极及两侧的半个漂移管之间的加速间隙分别构成一个加速单元。
[0004]阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的谐振腔工作模式为横磁(TM)模式，由于射频结构的特殊性，阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器具有场分布不稳定的特性，即腔体场分布对腔体内部尺寸变化敏感，容易激发其它接近频率的谐振模式。目前国际上主流提高场稳定性的方法是在漂移管直线加速器腔体中引入杆耦合器结构。由于阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器通常含有大量的杆耦合器并且杆耦合器之间的作用效果相互影响，因此需要依赖场稳定性调谐方法实现场稳定性调谐。如图2所示。在腔体的冷测调谐过程中通过调整杆耦合器在腔体中的插入深度(即改变杆耦合器与漂移管之间的距离)实现场稳定性调谐。
[0005]阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器谐振腔的工作模式为横磁模式中的 TM010模式，实际上阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器谐振腔中还可以存在其它横磁模式，其中与工作模式相邻的横磁模式为工作模式相邻横磁模式 (TM011)模式。在杆耦合器插入腔体后杆耦合器之间共振形成杆耦合器(PC) 模式，其中所有杆耦合器(PC)模式中频率最高的模式为最高杆耦合器模式 (PC01)模式。
[0006]当前，以倾斜敏感度作为阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的场稳定性的表征指标，倾斜敏感度的测量方式为：测量各加速单元的电压分布V1，在阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器入口端和出口端分别引入频率微扰δf和
‑
δf，再测量扰动后各加速单元的电压分布V2，然后以下式计算倾斜敏感度：
[0007]T＝(V2‑
V1)/(δfV1)。
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(1)
[0008]其中，倾斜敏感度越大表明场稳定性越差。
[0009]目前国际上现有的主流阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的场稳定性调谐方法是试错法。顾名思义，试错法需要人为地在调谐过程中对杆耦合器与场稳定性之间的关系进行总结，根据各个加速单元当前的场稳定性及杆耦合器对场稳定性的作用趋势进行插入深度的估计，在调谐过程中需要调谐人员反复试错，直到场稳定性达到指标要求。对于杆耦合器数量较多的阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器，试错法会使调谐人员的工作时间和工作量
线性增加。

技术实现思路

[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的场稳定性调谐方法，其中，所述阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的各个加速间隙分别构成一个加速单元，该方法包括：步骤S1：为所述阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器构建传输线模型，所述传输线模型将漂移管、支撑杆和杆耦合器结构等效为传输线等效电路中的阻抗参量，能够根据各杆耦合器插入深度得出直线加速器腔体的工作模式(TM010)频率(f0)以及各加速单元的电场分布(V)；步骤S2：将杆耦合器插入直线加速器的腔体，不断测量腔体的倾斜敏感度并根据基于所构建的传输线模型从当前杆耦合器插入深度出发向倾斜敏感度最小的方向进行的迭代计算结果调节杆耦合器插入深度，直至得出倾斜敏感度达到要求时的各杆耦合器插入深度。
[0011]优选的是，在构建传输线模型的上述步骤S1中，根据对于直线加速器腔体不插入杆耦合器的状态下的工作模式频率f0以及直线加速器各加速单元的电压分布的测量结果确定各加速单元的局部频率f0，根据对于直线加速器腔体不插入杆耦合器的状态下工作模式相邻横磁模式频率的测量结果确定支撑杆等效电感，根据直线加速器腔体等深插入杆耦合器的状态下对最高杆耦合器模式频率以及各加速单元的电压分布测量结果确定杆耦合器等效电感，根据以不同插入深度等深插入杆耦合器的状态下对于最高杆耦合器模式频率的测量结果确定杆耦合器插入深度与最高杆耦合器模式频率之间的关系曲线。
[0012]根据本专利技术的场稳定性调谐方法的目标是调整各杆耦合器插入深度，使腔体的倾斜敏感度符合要求。上述步骤中提供了一种先构建传输线模型，再基于所构件的传输线模型迭代计算，以迭代计算结果指示具体如何调节杆耦合器插入深度的方法。传输线模型中的阻抗参量主要包括漂移管等效电感、漂移管与腔壁之间的电容、漂移管之间的电容、支撑杆等效电感、杆耦合器等效电感、杆耦合器与漂移管之间电容，其中，上述步骤S1中确定的各加速单元的局部频率f
0n
反映了漂移管等效电感和漂移管与腔壁之间的电容；漂移管与腔壁之间的电容和漂移管之间的电容对于给定的加速器腔体和漂移管是取决于设备本身而已知的；支撑杆等效电感、杆耦合器等效电感在上述步骤S1中确定；杆耦合器与漂移管之间电容(对应于杆耦合器频率)则由杆耦合器插入深度决定。因此，通过上述步骤构建的传输线模型实际上定义了杆耦合器插入深度与直线加速器腔体的工作模式频率的映射关系，能够以杆耦合器插入深度为输入变量求解直线加速器腔体的工作模式频率以及各加速单元的电场分布。这样，就可以通过引入频率微扰计算出相对应的倾斜敏感度。在能够基于所构建的传输线模型从杆耦合器插入深度计算出倾斜敏感度的情况下，就能够不断测量和调节杆耦合器插入深度通过迭代计算方法得出符合要求的倾斜敏感度，从而能够以与最终求出的倾斜敏感度相对应的各杆耦合器插入深度作为根据本专利技术的场稳定性调谐方法的最终调谐结果。由于过程中采用了对单个控制变量(杆耦合器插入深度)的迭代计算，以倾斜敏感度作为控制条件，不断比较计算值和测量值，因而相比于本领域现在普遍采用的以试错方式调节倾斜敏感度的方法相比，不依赖于操作者的经验，且在多杆的情况下能够明显更迅速、更准确地趋向最终调谐结果。
[0013]根据本专利技术的场稳定性调谐方法的一种优选实施方式，用于为所述阿尔瓦列兹型
漂移管直线加速器构建传输线模型的上述步骤S1包括：
[0014]步骤S11：测量直线加速器在腔体不插入杆耦合器的状态下的工作模式 (TM010)频率(f0)，将测量值作为传输线模型中所有加速单元的局部频率 (f
0n
)；
[0015]步骤S12：根据加速单元长度L
i
构建无支撑杆和杆耦合器的传输线模型并基于该传输线模型为工作模式(TM010)频率(f0)附近的若干组各加速单元的局部频率(f
0n
)计算出若干组各加速单元的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种场稳定性调谐方法，用于阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器，其中，所述阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的各个加速间隙分别构成一个加速单元，该方法包括：步骤S1：为所述阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器构建传输线模型，所述传输线模型将漂移管、支撑杆和杆耦合器结构等效为传输线等效电路中的阻抗参量，能够根据各杆耦合器插入深度得出直线加速器腔体的工作模式频率(f0)以及各加速单元的电场分布(V)；步骤S2：将杆耦合器插入直线加速器的腔体，不断测量腔体的倾斜敏感度并根据基于所构建的传输线模型从当前杆耦合器插入深度出发向倾斜敏感度最小的方向进行的迭代计算结果调节杆耦合器插入深度，直至得出倾斜敏感度达到要求时的各杆耦合器插入深度。2.根据权利要求1所述的场稳定性调谐方法，其特征在于，在构建传输线模型的所述步骤S1中：根据对于直线加速器腔体不插入杆耦合器的状态下的工作模式频率(f0)以及直线加速器各加速单元的电压分布的测量结果确定各加速单元的局部频率(f
0n
)，根据对于直线加速器腔体不插入杆耦合器的状态下工作模式相邻横磁模式频率的测量结果确定支撑杆等效电感，根据直线加速器腔体等深插入杆耦合器的状态下对最高杆耦合器模式频率以及各加速单元的电压分布测量结果确定杆耦合器等效电感，根据以不同插入深度等深插入杆耦合器的状态下对于最高杆耦合器模式频率的测量结果确定杆耦合器插入深度与最高杆耦合器模式频率之间的关系曲线。3.根据权利要求2所述的场稳定性调谐方法，其特征在于，构建传输线模型的所述步骤S1包括：步骤S11：测量直线加速器在腔体不插入杆耦合器的状态下的工作模式频率(f0)，将测量值作为传输线模型中所有加速单元的局部频率(f
0n
)；步骤S12：根据加速单元长度L
i
构建无支撑杆和杆耦合器的传输线模型并基于该传输线模型为工作模式频率(f0)附近的若干组各加速单元的局部频率(f
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)计算出若干组各加速单元的电压分布计算值；步骤S13：测量直线加速器在腔体不插入杆耦合器状态下的各加速单元的实际电压分布，得到各加速单元的电压分布测量值，将与所测得的各加速单元的电压分布测量值最接近的各加速单元的电压分布计算值所对应的各加速单元的局部频率确定为新的各加速单元的局部频率(f
0n
)；步骤S14：将传输线模型中的各加速单元的局部频率替换为步骤S13中所确定的新的各加速单元的局部频率(f
0n
)；步骤S15：测量直线加速器腔体在不插入杆耦合器状态时的工作模式相邻横磁模式频率，以得到TM011频率的频率测量值；步骤S16：在传输线模型中加入支撑杆等效电感，在基于支撑杆、漂移管几何尺寸确定的支撑杆等效电感理论值上、下的预定范围内按照预定的支撑杆等效电感步长选取若干组支撑杆等效电感理论值，基于这些组支撑杆等效电感理论值计算工作模式相邻横磁模式频率，得到若干工作模式相邻横磁模式频率计算值，将与步骤S15中测得的工作模式相邻横磁模式频率测量值最接近的工作模式相邻横磁模式的频率计算值所对应的支撑杆等效电感
理论值作为传输线模型的支撑杆等效电感；步骤S17：在直线加速器腔体中等深插入各根杆耦合器，测量直线加速器的最高杆耦合器模式频率和各加速单元的电压分布，得到最高杆耦合器模式频率的测量值和各加速单元的电压分布测量值；步骤S18：在传输线模型中加入杆耦合器等效电感，将传输线模型中的各杆耦合器频率f
pn
设为最...

【专利技术属性】
技术研发人员：于旭东，雷钰，邢庆子，郑曙昕，马鹏飞，王帅，王学武，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：