高能、高功率圆形加速器及抑制或利用整数共振的方法技术

本发明专利技术公开了一种高能、高功率圆形加速器及抑制或利用整数共振的方法，该加速器包括多磁回路扇形磁铁、整数共振抑制器、引出区的磁场结构、束流整形机构；该抑制共振方法：估算GeV量级的高能量圆形加速器穿越整数共振时的径向振荡幅;设定添加的n次谐波磁场，通过分别调整第一和第二线圈产生的n次谐波磁场的幅度和相位，将径向振荡幅度减小或抵消;该利用整数共振方法：束流对中方式注入；当束流正向穿越整数共振线时，使用整数共振抑制器控制偏转板处的径向振荡的幅度、相位，扩大引出圈间距。首次提出了通过调整抑制器线圈电流对穿越整数共振的振幅进行控制，将束流对中注入、利用和控制整数共振的幅度和相位有机组合，取得了组合以后的效果。取得了组合以后的效果。取得了组合以后的效果。

【技术实现步骤摘要】
高能、高功率圆形加速器及抑制或利用整数共振的方法


[0001]本专利技术属于高功率回旋加速器
，尤其设计一种高能、高功率圆形加速器及抑制或利用整数共振的方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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：
[0004]1、在等时性加速器中，径向工作点和束流的能量成正比关系，能量越高则工作点越高。在高能、高功率加速器加速过程中，工作点将会跨越整数共振线，在磁场误差的驱动下导致大幅度径向振荡、束流发散，从而限制了束流能量的提升。小型回旋加速器能量低，径向工作点小(径向工作点一般都是1点几)，不会穿越整数共振。而高能、高功率加速器的束流能量到达GeV量级，工作点达到2～3以上，所以高能、高功率加速器一定会穿越整数共振。
[0005]2、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，排斥力导致束团边缘的粒子为松散的粒子、束团尺寸增大。所述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；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引出偏转板上造成引出偏转板打火和损坏。因此，高能、高功率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。
[0006]3、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7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)引出偏转板均难以使流强达到3mA以上：若采用引出偏转板引出，则由于高功率束流的强空间电荷效应使得束晕大、导致引出偏转板上打火；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引出偏转板引出。
[0007]现有技术对整数共振的抑制手段为：通过垫补磁极镶条、添加磁场补偿线圈的方式降低谐波磁场幅度。若采用该方案，高能(GeV量级)、高功率(MW量级)圆形加速器需要将谐波磁场垫补到0.1Gs量级。该方案对磁性材料性能、磁铁机械加工精度、磁铁安装精度、磁场测量精度等方面提出了极高的要求，难以工程实现。
[0008]现有技术解决强空间电荷效应问题的手段之一是提高束流在加速和引出过程中的轴向聚焦力。空间电荷效应是束团粒子之间的的排斥力，增强轴向聚焦力可以克服空间电荷效应造成的排斥力，有利于提高加速器束流流强。为提高轴向聚焦力，采用沿着加速器圆周方向均匀布设两个正向偏转磁铁加上一个反向偏转磁铁的方法。正、反向偏转磁铁均为单一磁回路，具有相互独立的盖板与回轭。正、反向偏转磁铁的磁场的绝对值大小随着半径的增长，磁场的强度逐渐增加，并且磁场强度的梯度逐渐增强，从而能量更大的束流可以得到更大的磁场梯度，实现在不同能量下均有稳定的轴向聚焦。通过该反向偏转磁铁，保证了该回旋加速器轴向聚焦的增强。该方法虽然可行，但该方法所需磁铁数量多，磁铁体积大，造价高。
[0009]现有技术为解决强电荷效应导致束晕增长、束流品质差、束流引出偏转板圈间距小的问题，采用非对中振荡的方式注入粒子，该振荡一直振荡到加速器束流引出偏转板处，通过振荡时产生的振幅扩大圈间距。非对中注入方式存在的问题之一：虽然可以扩大圈间距，但不能穿越整数共振，该非对中注入方式在整数共振区域采用减小局部磁场、将径向工作点减小并靠近半整数共振点的方法，例如径向工作点从邻近整数共振线vr＝2的地方退回到径向工作点为1.5的半整数共振的地方，该方法导致束流处于高频加速腔的纵向散焦相位，造成束流纵向拉伸。非对中注入方式存在的问题之二、虽然可以扩大圈间距，但会造成束晕增长，而且会由于束流相空间匹配程度差、非线性共振等原因造成束流包络一定程度的增长等不利影响。

技术实现思路

[0010]本专利技术为解决现有技术的问题，提出一种高能、高功率圆形加速器及抑制或利用整数共振的方法，第一目的在于解决现有技术对整数共振的抑制手段，采用通过垫补磁极镶条和添加磁场补偿线圈的方式降低谐波磁场幅度，该方法对磁性材料性能、磁铁机械加工精度、磁铁安装精度、磁场测量精度等方面提出了极高的要求、难以工程实现的问题；第二目的在于解决现有技术为克服强电荷效应、增强轴向聚焦力，采用正、反向偏转磁铁均为单一磁回路，耗费磁铁数量多，磁铁体积大，造价高的问题；第三目的在于解决现有技术只能通过减小局部磁场减小径向工作点，导致束流处于高频加速腔的纵向散焦相位，造成束流纵向拉伸的问题；第四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。第五目的在于解决现有技术采用非对中方式注入粒子，而导致束晕增长，而且会由于束流相空间匹配程度差、非线性共振等原因造成束流包络一定程度的增长等不利影响的问题。
[0011]本专利技术为解决其技术问题提出以下技术方案。
[0012]一种高能、高功率圆形加速器，其特点是，包括用于提高轴向聚焦力的多磁回路扇形磁铁、用于抑制整数共振的整数共振抑制器、用于高功率加速器引出区的磁场结构、以及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；
[0013]所述多磁回路扇形磁铁为所述引出区磁场结构提供轴向聚焦力；所述整数共振抑制器为所述引出区磁场结构提供可控的径向振荡的振幅和相位；所述引出区的磁场结构使径向工作点vr快速接近半整数、配合所述整数共振抑制器对于引出圈间距的优化、使得引出圈间距可以扩大至接近三倍；
[0014]所述用于提高轴向聚焦力的多磁回路扇形磁铁沿着加速器中心平面上下两层均匀布设在加速器环形真空室内，该多磁回路扇形磁铁，包括磁极大半径处的回轭、一端连接回轭、另一端向加速器中心延申的磁极盖板、以及磁极盖板下表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于，包括用于提高轴向聚焦力的多磁回路扇形磁铁、用于抑制整数共振的整数共振抑制器、用于高功率加速器引出区的磁场结构、以及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；所述多磁回路扇形磁铁为所述引出区磁场结构提供轴向聚焦力；所述整数共振抑制器为所述引出区磁场结构提供可控的径向振荡振幅和相位；所述引出区的磁场结构使径向工作点vr快速接近半整数、配合所述整数共振抑制器对于引出圈间距的优化、使得引出圈间距可以扩大至接近三倍；所述用于提高轴向聚焦力的多磁回路扇形磁铁沿着加速器中心平面上下两层均匀布设在加速器环形真空室内，该多磁回路扇形磁铁，包括磁极大半径处的回轭、一端连接回轭、另一端向加速器中心延申的磁极盖板、以及磁极盖板下表面或上表面的多个凸起的扇形磁极；该多个凸起的扇形磁极包括一个主磁极和一个以上的非主磁极，该一个主磁极上缠绕励磁线圈，该一个以上非磁极上不缠绕励磁线圈，主磁极的体积大于非主磁极的体积；所述主磁极分别和回轭、非主磁极构成磁场回路；所述励磁线圈包括超导励磁线圈和非超导励磁线圈；所述用于抑制整数共振的共振抑制器由多组抑制线圈组组成、该多组抑制器线圈组沿加速器圆周方向均匀布设在无磁铁、且无高频腔的漂移节区域内；所述用于抑制整数共振的共振抑制器，按照产生可调相位的n次谐波磁场的需要，沿加速器周向布设4n个共振抑制线圈组,该4n个抑制器线圈组环绕并均匀分布于加速器环形真空室的大半径处；每个抑制器线圈组设有第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈相位上会有一定的差距，磁场相位上的差距由线圈电流决定；所述引出区的磁场结构布设在多磁回路扇形磁铁的主磁极上，该多磁回路扇形磁铁沿着加速器中心平面上下两层均匀布设在加速器环形真空室内；该布设在多磁回路扇形磁铁主磁极上的引出区的磁场结构为复合型二段式磁极结构，该复合型二段式磁极结构用于束流将要达到引出能量时使得磁气隙开始快速下降；所述复合型二段式磁极结构将磁极结构将沿着加速器径向分为二段，ab段和bc段，靠近加速器中心的ab段为等时性磁极段、靠近加速器大半径的bc段为非等实性段，在非等时段磁极上安装精调线圈，线圈产生的磁场用于精细调整平均磁场B
av
，以及精细调整磁场梯度，达到精细调节径向工作点的目的；所述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，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。2.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：所述多个凸起的扇形磁极包括2个：主磁极和主磁极一侧非主磁极，主磁极被缠绕励磁线圈且主磁极为正向偏转磁场，非主磁极不缠绕励磁线圈且非主磁极为反向偏转磁场；所述主磁极分别和回轭、非主磁极构成磁场回路。3.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：所述多个凸起的扇形磁极包括3个：主磁极、以及主磁极两侧的非主磁极；主磁极被缠绕励磁线圈且主磁极为正向偏转磁场，主磁极两侧的非主磁极非缠绕励磁线圈且为反向偏转磁场；所述主磁极分别和回轭、非主磁极构成磁场回路。4.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：所述回轭用于磁场的粗垫补，具体为：在磁场通量一定的前提下，通过增加或消减回轭的体积来改变主磁极和
主磁极一侧的非主磁极、主磁极两侧的非主磁极的磁场：若消减回轭的体积，则增强了主磁极一侧的非主磁极、主磁极两侧的非主磁极的磁场，若增加回轭的体积，则减弱了主磁极一侧的非主磁极、主磁极两侧的非主磁极的磁场。5.根据权利要求4所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：当消减回轭的体积、增强了主磁极一侧的非主磁极、主磁极两侧的非主磁极的磁场时，需要通过调整主磁极上的励磁线圈电流使得磁场通量与之前相等，即主磁极磁场恢复为以前的磁场；当增加回轭体积，减弱了主磁极一侧的非主磁极、主磁极两侧的非主磁极的磁场时，需要通过调整主磁极上的励磁线圈的电流使得磁场通量与之前相等，即主磁极磁场恢复到以前的磁场。6.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：生成所述n次谐波磁场需要4n个共振抑制线圈组；该4n个共振抑制线圈组沿着加速器圆周方向等间距均匀分布；并依次编号1～4n。7.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：当产生可调相位的n次谐波磁场时，n次谐波磁场由n个共振抑制线圈组组成1
st
组，编号的通项公式为4i+1，形成固定相位的n次谐波磁场；为了保证平均磁场不变，还需要另外n个电流相反的共振抑制线圈组成2
nd
组，编号的通项公式为4i+3，1st组与2
nd
组共振抑制线圈形成了形成固定相位的n次谐波磁场且平均磁场不变；为了产生可调相位的3次谐波磁场，还需要与另外两组与1
st
组、2
nd
组正交的共振抑制线圈3
rd
组、共振抑制线圈4
th
组，共振抑制线圈3
rd
组的编号的通项公式为4i+2，共振抑制线圈4
th
组的通项公式为4i+4，i取值范围为0到n
‑
1,共四组共振抑制线圈单元。8.根据权利要求7所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：1
st
组的电流分配为2
nd
组的电流分配为3
rd
组的电流分配为4
th
组电流分配为9.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：所述第一线圈的位置是整数共振前的位置，第二线圈的位置是整数共振后的位置，所述第一线圈所覆盖的径向范围约为整数共振前5～10圈的轨道宽度；所述第二线圈所覆盖的径向范围约为整数共振后5～10圈的轨道宽度。10.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：所述二段式磁极的ab段用于实现等时性，平均磁场必须满足B
av
B
av
＝γ
·
B0γ为洛伦兹因子，与束流能量呈正比关系，B0为中心磁场强度，故需要ab段磁场气隙逐渐缓慢减小，从h1逐渐减小到h2，用于提高平均磁场。11.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：所述二段式磁极的bc段，在束流将要达到引出能量时，一般在引出前5～10圈，束流进入bc段，bc段不同于ab段，bc段不再满足等时性关系式B
av
＝γ
·
B0，为了增大磁场梯度使径向工作点快速靠近半整数共振，bc段的磁气隙开始快速下降，从h2快速减小到h3，此时B
av
>γ
·
B0。12.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：磁气隙下降的程度取决于所需的磁场梯度，径向工作点：
磁气隙从h2快速减小到h3，使增大，直到vr增加到接近半整数即可。13.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：所述所述的精调线圈径向长度略小于bc段径向长度，宽度略小于磁极宽度。14.根据权利要求13所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：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)；引出偏转板入口坐标为(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引出偏转板入口的距离最小值。15.根据权利要求14所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：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引出偏转板入口的距离最小值，该最小值的取值原则：先预设剥离膜与引出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，适当增大剥离膜与引出偏转板入口的角向距离，直至式(1)与式(2)被满足。16.根据权利要求14所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：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引出偏转板入口的距离最小值，该最小值一般要求大于10cm。17.根据权利要求1所述一种高能、高功率圆形加速器，其特征在于：剥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...

【专利技术属性】
技术研发人员：边天剑，安世忠，冀鲁豫，付伟，周洪吉，魏素敏，管锋平，关镭镭，王飞，王哲，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：