一种中能超导质子回旋加速器的束流引出方法与流程

本发明属于回旋加速器设计技术，具体涉及一种中能超导质子回旋加速器的束流引出方法。

背景技术：

100-300MeV中能超导质子回旋加速器在核医学、航天军工和核物理基础研究等领域有广泛的应用。相对于常温质子回旋加速器而言，超导质子回旋加速器具有结构紧凑，运行功率损耗小的优点。其中，束流引出效率是此类加速器的核心指标之一。引出过程中损失的粒子打在加速器磁铁、高频腔等其它部件上，会影响部件的使用寿命和运行稳定性，同时加速器活化会使加速器保持较高的辐照剂量水平，不利于加速器发生故障后进行维修。特别是超导线圈恒温器内壁，长时间遭受束流轰击可能导致损坏，从而影响加速器的超导性，对加速器带来重大影响。

静电偏转板是质子回旋加速器中常用的束流引出方法。采用静电偏转电压向粒子施加向外的作用力，使粒子脱离加速区进入边缘场区域，边缘磁场快速下降，导致粒子最终偏转入加速器磁轭孔内引出。由于静电偏转板受到打火击穿的限制，产生的静电高压往往在60-100kV左右，对粒子的偏转力有限。粒子在经过偏转后，还有长时间运行在边缘磁场区域受到负磁场梯度的径向束流散焦作用。这时，往往可以在边缘场区域加入大范围的磁通道进行束流径向聚焦。即便如此，这种加速器的束流引出效率往往不高。比如，TBA C235质子治疗回旋加速器采用在谷区加入静电偏转板的方式，并在随后的磁极边缘场区域加入磁通道进行聚焦，运行时需要的偏转电压约为65kV，初期可达到的引出效率约为40％，经过长期运行优化后，引出效率可达到60％。

束流的引出效率η＝引出束流流强I/内部束流流强×100％。导致引出效率低的主要原因来自两方面。引出效率η与最后一圈引出轨道的间隔直接相关，轨道间隔小会造成较多离子撞在切割板上损失。要想达到较高的引出效率，必须使用轨道间距明显大于切割板的厚度，这就要求有较高的电压。而偏转板在过高电压情况下容易发生击穿，偏转板可耐高压是受到空间、材料选择和结构设计等限制的。其次，束流在引出路径上的匹配也对束流引出效率有重要影响，束流在运行过程中发生聚散焦，粒子往往损失在束流包络过大的位置上。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对目前常用的中能质子回旋加速器中导致引出效率低的问题，提供一种可实现引出效率大于80％的中能超导质子回旋加速器的束流引出方法。

本发明的技术方案如下：一种中能超导质子回旋加速器的束流引出方法，包括如下步骤：

(1)计算加速器的静态平衡轨道，找到径向振荡频数υ_r＝1的半径位置，在该半径位置附近放置一次谐波，调节一次谐波振幅幅值和相位，使圈间距尽量分离的同时保证分离后的束流包络尽量小，确定最佳的一次谐波分布；

(2)在紧邻的两个磁极峰区各放置一个静电偏转板，第一个静电偏转板入口放置在两圈束流之间，调节静电偏转板曲率半径，使静电偏转板形状与束流轨迹形状匹配良好，调节两个静电偏转板电压，使束流正好从磁铁引出孔引出；

(3)在引出偏转板后的中心粒子轨迹上，逐一加入若干个小型磁通道，调节磁通道的尺寸和磁场梯度，直到径向和轴向束流包络的聚焦良好；

(4)重新调整静电偏转板电压，并调节各个磁通道的位置使束流从磁通道中心通过，反复调整直到束流正好能够从磁铁引出孔引出。

进一步，如上所述的中能超导质子回旋加速器的束流引出方法，步骤(1)中所述的圈间距的表达式如下：

Δr＝Δr_seo+Δx sin(2πn(v_r-1))+2π(v_r-1)x cos(2πn(v_r-1))

式中，r为粒子在回旋加速器中的径向位置，r_seo为平衡轨道半径，v_r为径向振荡频数，x为径向振荡振幅，Δx为相邻两圈径向振荡振幅的变化，n为束流的圈数；

Δr_seo为能量增益带来的圈间距，第二项为共振使振荡振幅增加带来的圈间距，第三项为进动带来的圈间距；

所述的进动带来的圈间距与引入一次谐波的振幅与相位有关，根据多粒子跟踪模拟确定最佳的一次谐波振幅和相位。

进一步，如上所述的中能超导质子回旋加速器的束流引出方法，步骤(2)中所述的静电偏转板的电场由下式计算得到：

式中，q、E_k为粒子的电荷和动能，ρ、分别为偏转板的曲率半径和角宽度，Δs为偏转板出口处粒子的径向偏移。

进一步，如上所述的中能超导质子回旋加速器的束流引出方法，步骤(3)中所述的磁通道由三块沿束流方向设置的铁块组成，其中一块铁块朝向束流的表面积较大，另外两块铁块朝向束流的表面积较小，表面积较大的铁块位于束流的内侧，另外两块表面积较小的铁块位于束流的外侧，所述的两块表面积较小的铁块呈上、下对称布置，束流从三块铁块形成的中间空隙通过。

本发明的有益效果如下：本发明在传统偏转板和大型磁通道引出方法的基础上，引入了一次谐波进动的方法增加引出圈间距，并结合超导回旋加速器的特点，采用多个小型无源磁通道，可进行类似束流线设计的方式进行引出路径上的束流相空间匹配，最大程序上减小偏转板后的束流损失，最终的引出效率可达到80％以上。

附图说明

图1为本发明束流引出方法的流程图；

图2为本发明所采用的小型磁通道的结构示意图；

图3为基于双静电偏转板和多个磁通道的束流引出方法元件布局示意图；

图4为基于双静电偏转板(ESD1-2)和6个磁通道(MC1-6)引出轨迹上的束流包络示意图。

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。

如图1所示，本发明提出的中能超导质子回旋加速器的束流引出方法的流程如下：

首先，结合加速器磁场数据，采用CYCLONE程序计算加速器的静态平衡轨道，找到径向振荡频数υ_r＝1的半径位置，在该半径位置附近放置一次谐波，分布函数如下：

其中，为一次谐波的相位，b(r-r₀)为一次谐波的振幅分布函数，r₀为一次谐波的中心位置，r为粒子在回旋加速器中的径向位置。r由下式表示：

r＝r_seo+x sin(v_rθ)

r_seo为该能量对应的平衡轨道半径，v_r为径向振荡频数，x为径向振荡振幅，(r，θ)为极坐标下粒子的位置。对上式求微分，假定v_r≈1，可以得到第n圈的圈间距：

Δr＝Δr_seo+Δx sin(2πn(v_r-1))+2π(v_r-1)x cos(2πn(v_r-1))

上式中，Δx为相邻两圈径向振荡振幅的变化，Δr_seo为能量增益带来的圈间距，第二项为共振使振荡振幅增加带来的圈间距，第三项则为进动带来的圈间距。在超导质子回旋加速器中，能量增益带来的圈间距有限。由于等时性的要求，υ_r在加速过程中随着半径(能量)增加且大于1，直到接近磁极边缘，υ_r逐渐下降。在υ_r＝1的半径位置上加入一次谐波，激发束流径向振荡振幅，而在υ_r下降到约0.8时，可以产生较大的进动圈间距。

通过调节一次谐波振幅幅值和相位，使圈间距尽量分离的同时保证分离后的束流包络尽量小，确定最佳的一次谐波分布。加速器中引入一次谐波可以采用调节线圈和调节棒的方法，这里不作特别要求。

其次，在紧邻的两个峰区各放置一个偏转板，第一个偏转板入口放置在两圈束流之间，调节偏转板曲率半径，使偏转板形状与束流轨迹形状匹配良好，调节两个偏转板电压，使束流正好从磁铁引出孔引出。

在束流经过进动作用后，为了使粒子产生足够的向外偏转力，在磁极峰区和紧邻的下一个磁极峰区各放置一块静电偏转板。静电偏转板主要由接地切割板和负高压电极组成，电极形状为圆弧，曲率半径设计为与束流轨迹最为匹配的形状；束流入口处的切割板厚度要求小于0.2mm，尽量减小束流打在切割板上。静电偏转板的电场可由下式计算所得：

其中，q、E_k为粒子的电荷和动能，ρ、分别为偏转板的曲率半径和角宽度，Δs为偏转板出口处粒子的径向偏移。越高的电压可以使粒子最大程度上往外偏移，有利于引出。但偏转板的耐压能力受到真空环境、材料和机械结构的影响，加速器稳定性要求偏转板电压一般要求小于70kV。

接下来，根据束流的散焦情况，在引出偏转板后的中心粒子轨迹上，逐一加入小型磁通道，采用多粒子跟踪的方式，调节磁通道的尺寸，改变磁场梯度大小，直到径向和轴向束流包络的聚焦良好。

在经过偏转板后的束流轨迹上增加多个小型引出磁通道。由于超导加速器中的磁场较高，磁通道在磁场中很容易会产生磁化，因此磁通道可以是无源的，即不需要通电。磁通道在粒子轨迹附近产生的磁场可以表示为：

B_z＝b+kx

其中，x为垂直于粒子轨迹的距离，b、k分别磁通道产生的二极和四极磁场分量。由于磁铁完全饱和，小型磁通道仅对束流轨迹附近的磁场有影响，对主磁场的影响很小。因此，可以在引出轨迹上放置多块小型磁通道，其作用类似于束流线上的四极透镜，调节各个磁通道的尺寸和磁场梯度，优化束流包络，完成引出轨迹上的束流匹配，可以最大程度上提高束流的引出效率。

小型磁通道的结构如图2所示，由三块沿束流11方向设置的铁块组成，其中一块铁块12朝向束流11的表面积较大，另外两块铁块13朝向束流11的表面积较小，表面积较大的铁块12位于束流的内侧，另外两块表面积较小的铁块13位于束流的外侧，所述的两块表面积较小的铁块13呈上、下对称布置，束流11从三块铁块形成的中间空隙通过。为了使磁通道产生的磁场对主磁场的影响足够小并通过束流，要求该区域孔径尺寸在5-7mm，磁通道的长度为10mm-20mm，产生的磁场梯度范围为1-5kGs/cm。小型磁通道的具体描述可参见申请人同期申请的专利“适用于200-250MeV超导质子回旋加速器束流引出的超小型磁通道”。

采用小型磁通道的方式进行聚束的实施例如图3所示，图中1为磁极，超导质子回旋加速器的质子由两个静电偏转板2、3引出，在出口位置放置一个磁通道元件4，随后在引出轨迹10上依次放置五个磁通道5、6、7、8、9进一步聚束。由于磁通道很小，可以通过非导磁材料进行封装，固定在恒温器内壁上，安装非常方便。

最后，由于磁通道不能完全等效为磁四极透镜，其中还有二极分量，意味着磁通道不仅影响束流包络，对束流轨迹也是有影响的，因此，加入磁通道调节完束流包络后，依然要重新调节偏转板电压使束流正好从磁轭引出孔内引出。因此，束流包络匹配是个迭代的过程，直到满足所有要求(偏转板电压、引出轨迹和束流包络)的设计结果产生。

实施例

下面介绍一个具体的实例，某超导质子回旋加速器可引出240MeV的质子束，采用四叶片螺旋扇结构，磁极半径为85cm。根据有限元模拟给出的磁场计算加速器的静态束流动力学，得到加速器υ_r＝1的位置为80.4cm，在r＝79cm位置加入一次谐波。调节一次谐波相位，发现当一次谐波相位为135°时，引出束流圈间距较大，且引出后进入偏转板的束流包络可控。在紧邻的两个磁极峰区各放置一个偏转板，偏转板形状和电压设计成使束流恰好通过且损失最小。根据CYCLONE程序进行多粒子跟踪光学匹配，多次迭代的结果表明，该加速器需要6块小型磁通道进行聚束，完成匹配后的引出束流包络如图4所示。

完成设计后，从加速器中心区进行大量粒子的跟踪，结果表明，引出过程中每个偏转板上的束流损失均小于10％，而通过偏转板后由于束流匹配良好，几乎没有束流损失，束流引出效率可达80％以上。

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。