束匹配条件为：
[0056] Rrn= 0 (13)
[0057] Rr 33= 0 (14)
[0058] A)本方案中角度准直条件设置如下：假定从物平面的角度准直平面的传输矩阵 为N，则在角度准直平面粒子的位置表达式类似（3)、（4)式，只是R变成了 N。角度准直需 要在该平面上粒子的位置仅与其初始角度有关，这就表明如下：
[0059] N11=O (15)
[0060] N33= 〇 (16)
[0061] 本发明中8块磁铁分为前段四极磁铁组和后段四极磁铁组，前段四极磁铁组和后 段四极磁铁组的布局关于角度准直器中心对称，对于由四极磁铁组成的对称束线，其六维 传输矩阵具有下列特点：
[0062] R34=R12 (17)
[0063] R43=R21 (18)
[0064] R11=R44 (19)
[0065] R22=R 33 ( 20)
[0066] 利用前面的符号，整个结构的传输矩阵为R，前4块磁铁的传输矩阵为M，
[0067] 根据（17)-(20)式，实际只需要分析X方向的传输矩阵即可，基于以上理由，以下 R矩阵简化为：
[0068]
C')
[0069] M矩阵也类似为
，由磁铁的布局可见，前4块四极磁 铁和后4块四极磁铁的传输矩阵是一样的，因此：
[0070] R = M2= -Ι+τΜ (22)
[0071] 这里τ =Μη+Μ22为矩阵M的迹。
[0072] Β)该方案的成像条件为：如果矩阵M的迹τ为〇,则传输矩阵R为负的单位矩阵， 显然满足成像条件（5)和（6)，
[0073] M1 !+M22= 0 (23)
[0074] C)该方案满足平行束入射条件如下：
[0075] 根据（22)式，对于偏离理想能量的粒子，其传输矩阵元的表达式为
[0076] Rjk=-δ Jk+τ (A)Mjk(A) (24)
[0077] 这里Sjk为δ函数，j = k时为1，否则为0,对动量散度Λ求导，得到
[0079] 因此，[0080] Rrη= τ' M11 (26)[0081] 结合平行束匹配条件（13)，可知：[0082] M11=O (27)[0083] 再根据（23)式，可得：[0084] M22= 0 (28)[0085] 同理得到y方向的条件
[0078] (25)
[0086] M33= 0 (29)
[0087] M44= 0 (30)
[0088] D)该方案满足角度准直条件如下：
[0089] 在前4块四极磁铁和后4块四极磁铁的对称平面上，根据（27, 29)式，显然此平面 满足角度准直条件（15,16)。
[0090] 综上所述，对于8块磁铁的结构，只需要前4块磁铁的传输矩阵满足（27)和（28) 式，则整个系统是点对点成像的系统，且其匹配束流是平行束。
[0091] 针对IlMeV的质子，采用了 8块四极磁铁，设计了一个实际的方案，各个元件的参 数和位置表示如下：
[0092] 表一
[0093]
[0094] 本匹配束流为平行束的带电粒子照相装置的总长度为4. 4米，利用模拟软件 MyBOC进行了计算，粒子轨迹如图2所示，可见，这是一个点对点成倒像的系统，其中心平面 为角度准直平面。根据Transport给出了参数值，其R' ^和R' 33均为0,故其匹配入射 束流为平行束。表一中磁场梯度为正值时为聚焦四级磁铁，为负时为散焦四级磁铁。
[0095] 本方案采用的是非轴对称结构的聚焦透镜，聚焦透镜可以提高图像的分辨率，另 外，非轴对称结构的聚焦电磁透镜可以形成高得多的聚焦作用，从而适用于厚样品的照相。 在目前常用的非轴对称的聚焦磁透镜中，束流的匹配条件是点光源束，在现有的带电粒子 照相中容易造成严重的图像模糊。而本方案利用八块四极磁铁组成中心对称的点对点成像 的磁透镜传输结构，并根据理论推导得到的平行束入射条件的限制条件，利用成熟的计算 软件计算得到各个磁铁的参数，使整个系统形成点对点成像的功能；然后根据物理问题如 提高照相的分辨率的需要设置角度准直器的角度准直范围；最后，在系统末端放置光电转 换屏，并利用CCD相机接收图像。该传输结构中束流的匹配条件采用平行束，而非点光源 束，从而克服了点光源照相图像模糊的缺陷，提高了照相的分辨率。设计时需要利用加速器 领域常用的束流动力学计算软件，例如Transport、Trace3D等，进行元件的参数匹配。
[0096] 实施例2 :
[0097] 本实施例在实施例1的基础上优选如下：前段四极磁铁组3中有两块四级磁铁位 于水平轴上方，另外两块四级磁铁位于水平轴下方，位于水平轴上方的四级磁铁和位于水 平轴下方的四级磁铁沿水平方向等间距交替排布。
[0098] 本方案中根据所采用带电粒子束的能量，选择适合该能量的四极磁铁；并根据四 极磁铁的强度以及场地的大小等限制条件合理设置磁铁之间的距离；利用软件的匹配功 能，根据（27)-(30)这四个限制条件，计算出四极磁铁的强度。其中的前段四极磁铁组3中 的四级磁铁Al和A3以及后四段磁铁组5中的四级磁铁Bl和B3均为聚焦四极磁铁8,另外 前段四极磁铁组3中的四级磁铁A2和A4以及后四段磁铁组5中的四级磁铁B2和M均为 散焦四极磁铁9。在电流方向上，四极磁铁A1、A3、B1和B3的磁铁电流方向相同，四级磁铁 A2、A3、B2和B3的磁铁电流方向相同，同时这两组磁铁的电流方向相反。
[0099] 前段四极磁铁组3中的四级磁铁Al和A4以及后四段磁铁组5中的四级磁铁Bl 和M的电流值均相等，另外前段四极磁铁组3中的四级磁铁A2和A3以及后四段磁铁组5 中的四级磁铁B2和B3的电流值均相等。
[0100] 在前段四极磁铁组3前端还设置被照相样品2,被照相样品2与角度准直器4相对 于前段四极磁铁组3的中心对称点对称。
[0101] 光学成像结构包括电光转换屏6和CCD相机7,电光转换屏6与被照相样品2相对 于束流传输线的中心对称点对称，电光转换屏6也与角度准直器4相对于后段四极磁铁组 5的中心对称点对称。
[0102] 在被照相样品2的前端还设置带电粒子束源1。
[0103] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，包括束流传输线和光学成像结构，其 特征在于，所述束流传输线包括呈中心对称的前段四极磁铁组（3)和后段四极磁铁组（5)， 光学成像结构位于束流传输线的末端，其中前段四极磁铁组（3)和后段四极磁铁组（5)形 状完全相同且均包括四块完全相同的四极磁铁，在前段四极磁铁组（3)和后段四极磁铁组 (5)的中心对称点上还安装角度准直器（4)，前段四极磁铁组（3)的传输矩阵采用四阶矩阵 M： 四阶矩阵M为满足平行束入射条件为：M11= 0、M(KM33= (KM44=O的四阶传输矩 阵，以上矩阵元素的前、后下标分别表示该元素所在的行和列。2. 根据权利要求1所述的一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，其特征在于， 前段四极磁铁组（3)中有两块四级磁铁位于水平轴上方，另外两块四级磁铁位于水平轴下 方，位于水平轴上方的四级磁铁和位于水平轴下方的四级磁铁沿水平方向等间距交替排 布。3. 根据权利要求2所述的一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，其特征在于， 前段四极磁铁组（3)中的四级磁铁Al和A3以及后四段磁铁组（5)中的四极磁铁Bl和B3 均为聚焦四极磁铁（8)，另外前段四极磁铁组（3)中的四级磁铁A2和A4以及后四段磁铁组 (5)中的四级磁铁B2和M均为散焦四极磁铁（9)。4. 根据权利要求3所述的一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，其特征在于， 前段四极磁铁组（3)中的四级磁铁Al和A4以及后四段磁铁组（5)中的四级磁铁Bl和M 的电流值均相等，另外前段四极磁铁组（3)中的四级磁铁A2和A3以及后四段磁铁组（5) 中的四级磁铁B2和B3的电流值均相等。5. 根据权利要求1所述的一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，其特征在于， 在前段四极磁铁组（3)前端还设置被照相样品（2)，被照相样品（2)与角度准直器（4)相对 于前段四极磁铁组（3)的中心对称点对称。6. 根据权利要求1或5所述的一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，其特征在 于，所述光学成像结构包括电光转换屏（6)和CCD相机（7)，电光转换屏（6)与被照相样品 (2)相对于束流传输线的中心对称点对称，电光转换屏（6)也与角度准直器⑷相对于后段 四极磁铁组（5)的中心对称点对称。7. 根据权利要求5所述的一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，其特征在于， 在被照相样品（2)的前端还设置带电粒子束源（1)。
【专利摘要】本发明公开了一种匹配束流为平行束的带电粒子照相装置，包括束流传输线和光学成像结构，所述束流传输线包括呈中心对称的前段四极磁铁组和后段四极磁铁组，光学成像结构位于束流传输线的末端，其中前段四极磁铁组和后段四极磁铁组形状完全相同且均包括四块完全相同的四极磁铁，在前段四极磁铁组和后段四极磁铁组的中心对称点上还安装角度准直器，前段四极磁铁组的传输矩阵采用四阶矩阵M：四阶矩阵M为满足平行束入射条件为：M11＝0、M22＝0、M33＝0、M44＝0的四阶传输矩阵，以上矩阵元素的前、后下标分别表示该元素所在的行和列。本发明采用上述结构，采用点对点成像，且匹配束流为平行束，能够克服点光源照相图像模糊的缺陷，提高照相的分辨率。
【IPC分类】G01N23/04
【公开号】CN104914119
【申请号】CN201510331159
【发明人】杨国君, 魏涛, 张卓, 李一丁, 张小丁, 江孝国, 石金水
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月15日