增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构的制作方法

本实用新型属于回旋加速器领域，具体涉及一种增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构。

背景技术：

在经典回旋加速器中，为了补偿相对论效应带来的粒子质量的增大，需要平均磁场随着半径逐渐增大。但这会导致磁场在轴向上的散焦。在等时性回旋加速器中通过峰区-谷区交替的磁极结构引入了沿着方位角调变的磁场，从而引入额外的轴向聚焦力。超导回旋加速器是采用超导励磁线圈的等时性回旋加速器。在超导回旋加速器的中心区，由于磁场高度饱和，磁场沿着方位角的调变度非常小，磁场调变带来的轴向磁聚焦作用弱于磁场沿径向增大带来的轴向磁散焦作用，因此在轴向上磁力是散焦的。为此，一般在加速器中心区通过增加谷区磁铁的办法在中心区平均磁场上增加一个小凸包，当粒子经过小凸包的下降沿时轴向上受到较强的磁聚焦力。但是，磁场小凸包也有负面作用，那就是这损害了原来磁场的等时性，增大了中心区粒子加速高频滑相，粒子高频场中得到的加速变小。粒子加速高频滑相大小与磁场小凸包的径向宽度成正比。如果小凸包的径向宽度太大，甚至可能导致粒子落到减速相位，得不到持续加速。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供一种增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构，能够提高超导回旋加速器中心区磁场轴向聚焦力，减小中心区粒子加速高频滑相，有效降低中心区的束流损失，提高中心区束流的接受度，从而提高从加速器引出的束流强度。

为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案是：提供增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构，芯柱结构包括芯柱本体，该芯柱本体分为上下两部分，下部分为圆柱形结构，上部分为多个磁极谷区和多个磁极峰区循环交替结构，每个磁极谷区方位角的磁环设成台阶状。

进一步，每个磁极谷区方位角的磁环设置2-4个台阶。

进一步，每个磁极谷区方位角的磁环设置2个台阶，包括上台阶和下台阶，上台阶的外径为50-100毫米、高度为100-200毫米，下台阶的外径为80-160毫米、高度为100-200毫米。

进一步，每个磁极峰区头部表面两侧边缘处设置倒角。

本实用新型的有益技术效果在于：

(1)本实用新型的芯柱结构，将各磁极谷区内方位角的磁环设计成台阶状，峰值高、下降沿坡度大，从而解决超导回旋加速器中心区磁场轴向聚焦力差的问题，有效降低中心区的束流损失，提高中心区的束流接受度。

(2)本实用新型的芯柱结构，在各磁极峰区头部表面两侧边缘处设置倒角，通过修改倒角的宽度和角度，从而解决了粒子加速高频滑相大的问题。

附图说明

图1是本实用新型芯柱结构的三维结构示意图；

图2是本实用新型芯柱结构的轴向剖视图；

图3是图2中沿B-B的剖视图；

图4是具有倒角的芯柱结构的结构示意图。

图5是本实用新型有台阶状磁环和现有技术无台阶状磁环粒子运动轨迹的曲线图；

图6是本实用新型有台阶状磁环与现有技术无台阶状磁环粒子轴向振荡振幅的对比图。

图中：

1-磁极峰区 2-上台阶 3-下台阶 4-芯柱本体

5-磁极谷区 6-倒角

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1-3所示，是本实用新型提供的增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构，其包括芯柱本体4，该芯柱本体4分为上下两部分，下部分为圆柱形结构，上部分为多个磁极谷区5和多个磁极峰区1循环交替结构，每个磁极谷区5方位角的磁环设成台阶状，这样，磁场峰值高，下降沿坡度大。由此，本实用新型的增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构，通过将磁环设计成台阶状，从而增强超导回旋加速器中心区轴向磁聚焦力，有效降低中心区的束流损失，提高中心区束流的接受度。

本实用新型磁环可设置2个台阶，2个台阶包括上台阶2和下台阶3，上台阶2的外径为50-100毫米、高度为100-200毫米，下台阶3的外径为80-160毫米、高度为100-200毫米，通过灵活调节上台阶和下台阶的外径和高度，实现峰值高和下降沿坡度大的特征。需要说明的是，如果上述两个台阶的结构仍然不能提供足够的磁聚焦力，也可以在上台阶2和下台阶3之间再增加1个台阶或2个台阶，将两台阶结构变为三台阶结构或四台阶结构，从而满足使用的要求。另外，台阶状磁环结构应满足回旋加速器所要求的等时性磁场。

如图4所示，如果上述台阶状磁环结构不能满足回旋加速器所要求的等时性磁场，则可以通过在每个磁极峰区1头部表面两侧边缘处设置倒角6，通过修改每个磁极头部的倒角大小和角度，可微调磁场分布，从而减小中心区粒子加速高频滑相，增大粒子能量增益，满足回旋加速器等时性磁场的要求。

下面以一台引出粒子能量为230兆电子伏超导质子回旋加速器为例，对具体实施方式作进一步描述。

如图1所示，增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构芯柱结构有四个磁极峰区1和四个磁极谷区5，在超导回旋加速器初期设计中，芯柱本体4上部对应磁极谷区5方位角的结构设计为没有台阶的等厚度圆柱环结构；为了增大磁场下降沿的坡度及磁场聚焦力，在优化设计中将超导回旋加速器的芯柱本体4头部对应磁极谷区5方位角的结构设计为由上台阶2和下台阶3组成的不等厚度台阶状结构，台阶状磁环的外径和高度通过计算得到。另外，把加速器主磁铁的中心部分，即芯柱本体和其他磁铁部分分开加工，通过精调芯柱本体的轮廓结构来实现所需的中心区磁场台阶形状。

通过实验，将台阶状磁环和无台阶状磁环获得的两条曲线进行比较，有台阶状磁环的幅值更高，下降沿坡度更大，如图5所示，横坐标为半径R(cm)，纵坐标Bavg(KGauss)为磁场强度。对初始旁轴粒子进行跟踪，得到的在最初20圈的粒子轴向运动轨迹，两条曲线进行比较，有台阶状磁环的轴向振荡振幅是无台阶状磁环的轴向振荡振幅的三分之一，如图6所示，横坐标turn为圈数，纵坐标Z(cm)为高度。

本实用新型的增强超导回旋加速器中心区磁聚焦力的芯柱结构并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。