230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构的制作方法

本发明属于回旋加速器设计技术，具体涉及一种230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构。

背景技术：

根据回旋加速器的等时性原理，有

$B_0\left(r\right)=B_{center}\mathrm{\γ}\left(r\right)=B_{center}\sqrt{\frac{c^2}{c^2-{\left({\mathrm{\ω}}_{0}r\right)}^2}}---\left(1\right)$

式中，B_center是中心磁场，c为光速，ω₀为粒子回旋频率，r为回旋半径。给定磁场与回旋频率B_center、ω₀，由公式(1)可以给出理论等时场。根据公式(1)，回旋加速器等时性磁场随半径递增。

等时性回旋加速器的自由振荡频率近似表达式为：

$v_z^2=n+\frac{N^2}{N^2-1}\·F\·(1+2{\tan }^2\mathrm{\ξ})---\left(2\right)$

$v_r^2=1-n+\frac{3\·N^2}{(N^2-1)\·(N^2-4)}\·F\·(1+2{\tan }^2\mathrm{\ξ})---\left(3\right)$

式中调变度F由下式决定：

$F=1-\frac{\<B^2\>}{\<B{\>}^2}=\frac{\mathrm{\α}\·(1-\mathrm{\α})\·{(B_{hill}-B_{valley})}^2}{{(\mathrm{\α}\·B_{hill}+(1-\mathrm{\α})\·B_{valley})}^2}---\left(4\right)$

其中，<B>＝α·B_hill+(1-α)·B_valley (5)

α为磁极所占的比例，B_hill、B_valley分别为中心平面上峰区与谷区的磁场，一般来说，B_hill＞B_valley。<B>为半径r处的平均磁场。为了避免共振导致的束流损失，对于引出230MeV质子的中能回旋加速器，磁极的叶片数N≥4，因此(3)式近似为(6)式：

$v_r^2=1-n---\left(6\right)$

式中

由(7)式知，当回旋加速器平均磁场不再增加即时近的磁刚度最大，带入到(6)式中得到v_r＝1附近磁刚度最大，即v_r＝1共振附近的磁刚度体现了回旋加速器最大加速能量的大小，通常等时性回旋加速器选择在v_r＝1半径之后引出，以便充分利用导向磁场。这时，由于回旋加速器平均磁场随半径递增到峰值后开始下降，引出点的磁场已经处在平均磁场随半径下降的区域。由(7)式可知，引出点附近n＞0，而且随着平均磁场下降速度变快，n迅速变大。由(2)式可知，在引出点前有可能穿越v_z＝1的共振。在引出点前穿越v_z＝1的共振会造成轴向束流品质变差。

为了降低引出点前轴向共振频率v_z，根据(2)式，需要减小引出点前小区域内的场降落指数n；或者减小引出点前小区域内调变度F；或者减小引出点前小区域内螺旋角ξ。但减小场降落指数n意味着增加磁极半径，会导致引出系统设计困难，引出电压过高；局部小区域内调变度F变化非常缓慢无法满足局部变小的要求；减小引出点前小区域内螺旋角ξ，会导致磁极凸出侧轮廓在引出区附近出现急剧的反折角，直接加工难以保证加工出引出区所需的磁极轮廓线。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构，在不增加磁极半径(不影响引出系统设计)的条件下，降低引出点前轴向共振频率v_z，避免在引出点前穿越v_z＝1的共振。

本发明的技术方案如下：一种230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构，在磁极凸出侧轮廓处开设圆滑过渡的缺口，采用与磁极同材质的导磁材料垫块在所开设的磁极凸出侧缺口位置配合安装；所述导磁材料垫块的内表面与磁极的凸出侧缺口紧配合；导磁材料垫块的外表面轮廓的前后端与磁极的凸出侧缺口前后的轮廓圆滑过渡，并形成避免引出区有害共振所需的反折角。

进一步，如上所述的230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构，其中，对于单个磁极，所述的导磁材料垫块是一个整体单件，或者是分拆为可拼接的多个配件的组合。

进一步，如上所述的230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构，其中，所述的导磁材料垫块通过螺栓与磁极的凸出侧缺口固定连接。

进一步，如上所述的230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构，其中，对于拥有多个磁极的回旋加速器，在每一个磁极的凸出侧轮廓处开设圆滑过渡的缺口，缺口设置的导磁材料垫块的形状和尺寸相同。

进一步，如上所述的230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构，其中，通过加工所述导磁材料垫块的外表轮廓形状来精细调节引出区的磁场。

本发明的有益效果如下：采用本发明的方案，在回旋加速器的磁场测量与垫补时，可以通过机加工导磁材料垫块的外表面轮廓来局部精细调节引出区的磁场，避免对整个磁极加工的难度，改善束流在引出区的共振。本发明在不增加磁极半径(不影响引出系统设计)的条件下，降低引出点前轴向共振频率v_z，避免在引出点前穿越v_z＝1的共振，防止由该共振造成的引出束流轴向品质变差，减小引出区的束流损失，进而减小加速器维护人员所受的辐照剂量。

附图说明

图1为230MeV超导回旋加速器的结构示意图；

图2为230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构示意图；

图3为采用本发明的结构垫补磁极后磁场及粒子跟踪计算的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

230MeV超导回旋加速器的结构如图1所示，图中5为磁极，呈螺旋形，这是本领域的公知技术。如图2所示，本发明采用磁极垫补的方式解决束流在引出区共振的问题，所提供的230MeV超导回旋加速器避免引出区有害共振的磁极结构如下：在磁极1凸出侧轮廓处开设圆滑过渡且容易加工的缺口3，采用与磁极1同样材质的导磁材料垫块2对磁极进行垫补，通过螺栓4将导磁材料垫块2与磁极1的凸出侧缺口4配合安装。导磁材料垫块2的内表面与磁极1的凸出侧缺口3紧密配合；导磁材料垫块2的外表面轮廓的前后端与磁极1的凸出侧缺口3前后的轮廓圆滑过渡，并形成避免引出区有害共振所需的反折角。导磁材料垫块2可以设计为满足上述要求的任意形状，可以通过机加工导磁材料垫块的外表面轮廓来局部精细调节引出区的磁场。

对于单个磁极1，导磁材料垫块2可以是整体单件；也可以分拆为可拼接的多个配件的组合，多个配件拼接配合安装在磁极1的凸出侧缺口4，组合后的垫块整体应满足上述与磁极的凸出侧缺口紧密配合且圆滑过渡的结构要求。

一般来说，对于拥有多个磁极的回旋加速器，在每一个磁极的凸出侧轮廓处开设圆滑过渡且容易加工的缺口，所有磁极的导磁材料垫块2的形状和尺寸应当一致。

实施例

以某中能超导回旋加速器为例。该加速器有四个磁极叶片，磁极半径R＝860mm。根据磁场计算，为了避免引出点前穿越v_z＝1的共振，从磁极半径r＝810mm开始出现反折角。从磁极半径r＝770mm开始，磁极凸出一侧的轮廓设计加工缺口，增加导磁材料垫块。磁极缺口处轮廓以及与其配合的导磁材料垫块的内表面轮廓为圆弧，圆弧半径R为70mm，大于加工磁极所需的刀具半径(42mm)，便于加工；导磁材料垫块的外表面轮廓的反折角θ为110度，经过磁场及粒子跟踪计算，由图3计算结果表明，采用这样的磁极缺口处轮廓以及与其配合的导磁材料垫块尺寸，在出引出区之前，都可以使得v_z＜1，避免了v_z＝1的有害共振。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。