一种螺线管束团禁闭模型及带电粒子束团电流压缩方法技术

本申请提出了一种螺线管束团禁闭模型及带电粒子束团电流压缩方法，涉及加速器带电粒子束电流压缩技术领域，其中，该模型包括：主螺线管组件，用于在螺线管内部形成均匀磁场；引入组件，用于将多个带电粒子束团依次引入均匀磁场，使得带电粒子束团螺旋运动；禁闭区组件，其作用类似于磁镜结构，将陆续入射的带电粒子束缚在禁闭区间内往复螺旋运动，直至禁闭区间内的束流平均流强达到预设值；引出组件，用于将平均流强达到预设值的带电粒子束流从禁闭模型中引出。本发明专利技术通过使得带电粒子束团在禁闭区往复运动，从而倍增禁闭模型中的束团数及平均电流，解决了带电粒子束电流压缩装置体积庞大、成本高，压缩后束流平均电流只能达到mA量级的问题。量级的问题。量级的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种螺线管束团禁闭模型及带电粒子束团电流压缩方法


[0001]本申请涉及加速器带电粒子束电流压缩
，尤其涉及一种螺线管束团禁闭模型及带电粒子束团电流压缩方法。

技术介绍

[0002]加速器产生的带电粒子束具有可控性和稳定性强的特点，在医疗、工业和科学研究领域受到广泛应用。但目前前沿科学的发展产生了对更高流强(～kA)的高能带电粒子束流的需求，利如核聚变研究中的z箍缩，就可能利用平均电流～kA量级的高能电子束轰击聚变靶来点火，但如果按照传统方式，直接将kA量级平均电流的光阴极电子加速到～10MeV,将需要数十兆瓦量级平均功率的速调管或磁控管用于给加速管供能，根据目前速调管的发展水平，仅能提供数十兆瓦量级的脉冲功率，对于Z箍缩的点火而言，需要上万根速调管同时工作才有可能满足功率需求，这成本是无法想象的。另外带电粒子的束团间隔也受到带电粒子发射源的限制，直接产生～10GHz重复频率的带电粒子束团也是很困难的。
[0003]因此先利用加速结构将低重频、低平均流强的带电粒子束加速到指定能量，再对电子束间隔进行压缩，即可用可接受的成本达到目的。CLIC的CTF3装置是一个典型的电子束团平均电流压缩装置，前序结构先加速3GHz重频的电子束至350MeV，再将束团依次注入组合环，压缩后的电子束团间隔由333ps被压缩至33ps，重复频率达到30GHz，电子束功率达到压缩前的十倍，再被引出至尾场加速结构用于加速对撞粒子。除了这种增大电子束团重复频率的方式，储存环也是常见的带电粒子平均电流压缩装置，不同点在于先后注入的电子束团会合成为同一个束团，而不是间隔缩小，直至bucket相空间被涂满，达到预期的平均电流后，带电粒子即可被引出至后续结构。
[0004]然而，相关技术的带电粒子束压缩方式中，CTF3和储存环都具有体积庞大、成本高昂的局限性，且能实现的最大平均流强受到环的参数限制，目前储存环中电子束团的平均电流只能达到mA量级，远远不能达到Z箍缩等应用的需求。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种螺线管束团禁闭模型及带电粒子束团电流压缩方法，以解决相关技术中利用CTF3和储存环实现带电粒子束压缩，体积庞大、成本高昂的局限性，且储存环中电子束团的平均电流只能达到mA量级，无法达到Z箍缩等应用的需求等问题。
[0006]本申请第一方面提出了一种螺线管束团禁闭模型，包括：主螺线管组件，用于在螺线管内部形成均匀磁场；引入组件，用于将多个带电粒子束团依次引入所述均匀磁场，使得所述带电粒子束团作螺旋运动；禁闭区组件，用于使依次入射的所述带电粒子束团在反射磁铁对间往复螺旋运动，直至所述带电粒子束流平均流强达到预设值；引出组件，用于将平均流强达到预设值的带电粒子束流从禁闭模型中引出。
[0007]进一步的，所述主螺线管组件包括:铁磁材料屏蔽壳、铝筒、铁磁材料支柱及主体线圈，其中所述铁磁材料支柱用于固定主螺线管内部多个磁铁元件，并与所述铁磁材料屏
蔽壳共同构成磁回路。
[0008]进一步的，所述引入组件包括：
[0009]引入孔，用于引入所述多个带电粒子束团；
[0010]引入磁铁，用于使得引入的带电粒子束团以螺线管轴为中心轴螺旋运动。
[0011]进一步的，所述禁闭区组件包括：
[0012]引入侧反射磁铁,在所述带电粒子束团经过所述引入侧反射磁铁时，关断电流，在所述带电粒子束团通过所述引入侧反射磁铁后，接通电流，确保入射电子能够进入禁闭区间的同时，为禁闭中的束团提供偏转力，使得依次引入的所述带电粒子束团在禁闭区内往复螺旋运动；
[0013]聚焦磁铁，用于提供梯度场，提高所述带电束团往复螺旋运动的稳定性；
[0014]引出侧反射磁铁，用于为禁闭中的束团提供反向偏转力，确保束团能够在引入侧反射磁条和引出侧反射磁铁间往复螺旋运动；在所述禁闭区间内的带电粒子束流平均流强达到预设值时，切断电流，使得所述带电粒子束流螺旋运动至引出组件。
[0015]进一步的，所述引出组件包括：引出孔和引出磁铁，用于引出平均流强达到预设值的带电粒子束流。
[0016]本申请第二方面提出了一种应用于第一方面螺线管束团禁闭模型的加速器带电粒子束团电流压缩方法，所述方法包括：
[0017]在螺线管内部形成均匀磁场；
[0018]将多个带电粒子束团依次引入所述均匀磁场，使得所述带电粒子束团螺旋运动；
[0019]使依次入射的所述带电粒子束团在反射磁铁对间往复螺旋运动，直至禁闭区间内的所述带电粒子束流平均流强达到预设值；
[0020]将平均流强达到预设值的带电粒子束流从禁闭模型中引出。
[0021]进一步的，所述带电粒子束团在反射磁铁对间往复螺旋运动，直至所述带电粒子束团平均流强达到预设值，包括：
[0022]所述带电粒子束团进入禁闭区域后，以轴向入射速度v
z0
螺旋运动至引出侧反射磁铁；
[0023]所述带电粒子束团受到引出侧反射磁铁的偏转力作用，又反向以轴向速度
‑
v
z0
螺旋运动至引入侧反射磁铁；
[0024]所述带电粒子束团在禁闭区域往复螺旋运动至所述禁闭区间内的带电粒子束流平均流强达到预设值。
[0025]进一步的，若相邻束团引入前时间间隔为T
b
，在到达所述引出组件前，在禁闭区组件内往复运动周期数相差n，到达所述引出组件时，所述相邻束团间隔为：
[0026]T
′
b
＝T
b
‑
nNT
c
[0027]其中，N为所述带电粒子束团在禁闭区往返一个来回螺旋运动的圈数，T
c
为所述带电粒子束团在所述均匀磁场中作螺旋运动的回旋周期。
[0028]可选的，所述带电粒子束团引出时，所述带电粒子束团重复频率及平均电流相较于引入时的压缩倍数为：
[0029][0030]其中，T
b
为所述多个带电粒子束团进入所述引入组件时的束团间隔，N为所述带电粒子束团在禁闭区往返一个来回螺旋运动的圈数，T
c
为所述带电粒子束团在所述均匀磁场中作螺旋运动的回旋周期，n为相邻束团在到达所述引出组件前在禁闭区组件内往复运动周期数之差。
[0031]本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
[0032]带电粒子束团被引入至螺线管内均匀场后可以稳定地螺旋运动，通过控制电子束团在禁闭区中往复反射的偏转磁铁，可以将束团禁闭在结构中，同时向结构中依次注入束团，控制偏转磁铁线圈电源在束团注入瞬时关断，注入完成后再迅速打开，继续对结构内的束团执行反射，从而倍增紧闭结构中的束团数及电流，当结构中的束流强度达到设定值，关断引出侧磁铁电流，即可依次引出压缩后的束流，实现带电粒子束的压缩，从而实现kA量级平均电流的加速器带电粒子束电流压缩，且结构紧凑，满足Z箍缩等应用的需求。
[0033]本申请附加的方面和优点将在下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺线管束团禁闭模型，其特征在于，包括：主螺线管组件，用于在螺线管内部形成均匀磁场；引入组件，用于将多个带电粒子束团依次引入所述均匀磁场，使得所述带电粒子束团螺旋运动；禁闭区组件，用于使依次入射的所述带电粒子束团在反射磁铁对间往复螺旋运动，直至所述带电粒子束流平均流强达到预设值；引出组件，用于将平均流强达到预设值的带电粒子束流从禁闭模型中引出。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主螺线管组件包括:铁磁材料屏蔽壳、铝筒、铁磁材料支柱及主体线圈，其中所述铁磁材料支柱用于固定主螺线管内部多个磁铁元件，并与所述铁磁材料屏蔽壳共同构成磁回路。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述引入组件包括：引入孔，用于引入所述多个带电粒子束团；引入磁铁，用于使得引入的带电粒子束团以螺线管轴为中心轴螺旋运动。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述禁闭区组件包括：引入侧反射磁铁,在所述带电粒子束团经过所述引入侧反射磁铁时，关断电流，在所述带电粒子束团通过所述引入侧反射磁铁后，接通电流，确保入射电子能够进入禁闭区间的同时，为禁闭中的束团提供偏转力，使得依次引入的所述带电粒子束团在禁闭区内往复螺旋运动；聚焦磁铁，用于提供梯度场，提高所述带电粒子束团往复螺旋运动的稳定性；引出侧反射磁铁，用于为禁闭区域中的束团提供反向偏转力，确保束团能够在引入侧反射磁铁和引出侧反射磁铁间往复螺旋运动；在所述禁闭区间内的带电粒子束流平均流强达到预设值时，切断电流，使得所述带电粒子束流螺旋运动至引出组件。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述引出组件包括：引出孔和引出磁铁，用于引出平均流强达到预设值的带电粒子束流。6.一种应用于如权利要求1
‑
5任一项所述的螺线管束团禁闭模型的加速器带电粒子束团电流压缩方法，其特征在于，包括：在螺线管内部形成均匀磁场；将多个带电粒子束团依次引入所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：查皓，施嘉儒，李岸，高强，陈怀璧，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：