一种具有横向聚焦力的回旋加速器螺旋偏转板设计方法与流程

1.本发明属于回旋加速器技术领域，尤其涉及一种具有横向聚焦力的回旋加速器螺旋偏转板设计方法。


背景技术：

2.强流质子束在基础科研、国防建设、核能开发、癌症治疗等诸多方面都发挥着重要的作用。回旋加速器的束流流强的重要限制因素之一是中心区横向聚焦力的大小。
3.中心区包括用于接收离子源注入的束流，并将束流从垂直方向偏转为水平方向的螺旋偏转板、用于对束流进行加速和提高能量的布设在中心区高频腔体头部微小区域的电极结构、以及用于偏转束流提供粒子运行轨迹的布设在中心区磁铁结构头部微小区域的磁铁结构。
4.现有技术提高中心区横向聚焦力采取的方法只是停留在改造中心区的电极结构、和改造中心区的磁极结构，却忽视了改造中心区的螺旋偏转板结构。而螺旋偏转板才是中心区影响束流流强的最为关键的部件。螺旋偏转板是粒子进入加速器的源头，粒子从螺旋偏转版注入到加速器中。如果螺旋偏转板的聚焦能力很弱，则从源头引出的束流就会因为聚焦能力很弱而损失一部分，即使中心区的电极结构和磁极结构经过改造增强了聚焦能力，束流损失少了，但是因为从源头引出的束流在传输过程中已经损失了一部分，导致中心区增强束流流强的总效果不明显。
5.传统回旋加速器螺旋偏转板横向聚焦能力弱。该传统螺旋偏转板结构如图1-1、1-2所示，是由上下两层螺旋偏转板组成的螺旋型轨道。在螺旋型轨道束流传输过程中因为电场作用力在螺旋型通道中始终保持与中心离子的运动轨道相垂直，使得螺旋偏转板的横向聚焦能力弱，导致束流在传输过程中发散，传输效率较低。


技术实现要素：

6.本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种具有横向聚焦力的回旋加速器螺旋偏转板设计方法，目的在于解决传统回旋加速器螺旋偏转板横向聚焦能力弱、导致中心区束流流强得不到明显提高的问题。
7.本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
8.一种具有横向聚焦力的回旋加速器螺旋偏转板设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.步骤一、采用现有的螺旋偏转板设计方法，完成传统的螺旋偏转板设计；
10.步骤二、保持上下两层螺旋偏转板之间束流轨迹中心线处的高度不变，在束流轨迹中心线的上、下、左、右方向改变螺旋偏转板截面的形状；或者组合改变螺旋偏转板：保持上下两层螺旋偏转板之间束流轨迹中心线处的高度不变、同时保持上下两层螺旋偏转板入口、出口端面上中心点的位置不变，在改变上下两层螺旋偏转板截面形状的同时改变螺旋偏转板入口、出口端面上中心点前后两侧的形状，使得入口、出口端面和束流方向呈夹角β，
且入口、出口的夹角大小相等，方向相反。
11.改变截面形状的螺旋偏转板，用于提供螺旋偏转板除偏转力以外的横向聚焦力；该组合改变螺旋偏转板，用于提供螺旋偏转板除偏转力以外的横向聚焦力以及边缘场聚焦力；
12.步骤三、采用多粒子跟踪方法，模拟螺旋偏转板出口处的粒子分布；
13.步骤四、重复步骤二、步骤三，直至粒子分布具有较小的包络。
14.而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括倾斜截面的螺旋偏转板，该倾斜截面的螺旋偏转板，一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
15.而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括v型截面的螺旋偏转板截面形状，该v型截面的螺旋偏转板，保持中间位置不变，两端向上翘，整个截面呈v型结构。
16.而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括梯型截面的螺旋偏转板，该梯型截面的螺旋偏转板，保持中间位置不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，截面呈梯形。
17.而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括倾斜型和梯型组合截面的螺旋偏转板，该倾斜型和梯型组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，且一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
18.而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括v型和梯型组合截面的螺旋偏转板，该v型和梯型组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，且两端向上翘，整个截面呈v型结构。
19.而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括v型和倾斜型组合截面的螺旋偏转板，该v型和倾斜型组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，两端向上翘，整个截面呈v型结构，且一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
20.而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括倾斜型、梯型、v型组合截面的螺旋偏转板，该组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，且一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且两端向上翘，整个截面呈v型结构；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
21.而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
22.边缘场的电场分量并不是因为上下极板的倾斜，尽管上下极板一端收拢一端扩展，但是从端面上看仍然是上下平行的，边缘场的电场分量产生于边缘场的电场弧线，边缘场之所以产生弧线向内的电场力，是因为入口或出口的端面从一个侧边到另一个侧边“被砍去”了一个角，可以把这个“被砍去”了一个角的上下两个斜面的相对的两条斜线分别想象成由无数个“台阶”组成的边线，之所以比喻成“台阶”是因为每一对“台阶”和相邻的台阶在束流方向上的前后位置都是不同的，因此每一对上下台阶都产生从下极板到上极板的弧线，这些弧线构成了边缘场的电场分量如图6-1所示。
23.而且，该组合改变螺旋偏转板，包括v型截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
24.而且，该组合改变螺旋偏转板，包括梯型截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
25.而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜型和梯型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
26.而且，该组合改变螺旋偏转板，包括v型和梯型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
27.而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜型和v型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
28.而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜型、梯型、v型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
29.本发明的优点效果
30.1、本发明克服了传统的偏见，即提高加速器中心区聚焦力只是改进中心区狭窄空间内的电极结构、磁极结构、而忽略了改进中心区螺旋偏转板的结构的偏见，从源头上解决了因聚焦力弱导致束流丢失、中心区束流流强难以大幅度提高的问题。
31.2、本发明将改变螺旋偏转板截面的形状、同时改变螺旋偏转板入口、出口端面形状有机结合，相互支持，取得了组合以后新的效果。在提供螺旋形通道束流传输过程中横向聚焦力的同时，也提供了束流入口、出口边缘场的聚焦力，将螺旋偏转版束流入口、传输过程、束流出口三者聚焦力叠加，从而堵住了束流传输过程中导致丢失粒子的各个漏洞，提高了束流传输品质。
32.3、本发明采用一端极板间距减小，另一端极板间距增大的倾斜型螺旋偏转板截面的形状，且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反的方法，由此提
供了螺旋型通道整体上的横向聚焦的能力，提高了束流传输效率。
33.4、本发明采用v型截面的螺旋偏转板截面形状，该v型截面的螺旋偏转板，保持中间位置不变，两端向上翘，整个截面呈v型结构，以中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在x方向的分量；对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量，由此为螺旋偏转板提供x方向的聚焦力，提高了传输效率。
34.5、本发明采用梯型截面的螺旋偏转板截面形状，保持中间位置不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，截面呈梯形，在偏转板边缘区域，电场力存在指向偏转板内部的分量，由此为螺旋偏转板边缘区域提供x方向的聚焦力，提高了传输效率。
35.6、本发明采用梯型+倾斜型组合结构,使得梯型和倾斜型聚焦力叠加：对于梯型，在偏转板边缘区域，电场力存在指向偏转板内部的分量；对于倾斜型，左下-右上聚焦、左上-右下散焦，或者左下-右上散焦、左上-右下聚焦。，两种聚焦力叠加以后，更加增强了螺旋偏转板的横向聚焦力，提高了传输效率。
36.7、本发明采用梯型+v型组合结构，聚焦力是v型和梯形聚焦力的叠加。对于v型，以中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在x方向的分量；对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量；对于梯型，在偏转板边缘区域，电场力存在指向偏转板内部的分量。该两种聚焦力叠加以后，更加增强了螺旋偏转板的横向聚焦力，提高了传输效率。
37.8、本发明采用v型+倾斜型组合截面结构，对于v型，以中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在x方向的分量，对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量；对于倾斜型，左下-右上聚焦、左上-右下散焦，或者左下-右上散焦、左上-右下聚焦。该两种聚焦力叠加以后，更加增强了螺旋偏转板的横向聚焦力，提高了传输效率。
38.9、本发明采用倾斜型、梯型、v型组合截面结构，聚焦力是v型+梯型+ 倾斜型的叠加,对于v型，以中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在 x方向的分量，对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量；对于梯形，在偏转板边缘区域，电场力存在指向偏转板内部的分量；对于倾斜型，左下-右上聚焦、左上-右下散焦，或者左下-右上散焦、左上-右下聚焦。该三种聚焦力叠加以后，更加增强了螺旋偏转板的横向聚焦力，提高了传输效率。
附图说明
39.图1-1为传统螺旋偏转板第一视角示意图；
40.图1-2为传统螺旋偏转板第二视角示意图；
41.图2为传统螺旋偏转板截面示意图；
42.图3a为本发明螺旋偏转板倾斜型截面示意图；
43.图3b为本发明螺旋偏转板倾斜型截面电场力(y方向)差值示意图；
44.图3c为本发明螺旋偏转板倾斜型截面电场力(x方向)示意图；
45.图3d为本发明螺旋偏转板倾斜型截面四极电场和两方向合力示意图；
46.图4-1本发明螺旋偏转板v型截面示意图；
47.图4-2本发明螺旋偏转板v型和梯形组合截面示意图；
48.图5-1本发明螺旋偏转板梯型截面示意图；
49.图5-2本发明螺旋偏转板梯形和倾斜型组合截面；
50.图5-3为本发明螺旋偏转板v型、梯形、倾斜型组合截面示意图；
51.图6-1为本发明具有边缘场聚焦力的螺旋偏转板出、入口立体示意图；
52.图6-2为本发明具有边缘场聚焦力的螺旋偏转板出、入口俯视图；
53.图6-3为本发明具有边缘场聚焦力的四极电场左下-右上方向聚焦、左上
ꢀ‑
右下方向散焦示意图之一；
54.图6-4为本发明具有边缘场聚焦力的四极电场左下-右上方向聚焦、左上
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右下方向散焦示意图之二；
55.图6-5为本发明具有边缘场聚焦力的四极电场左上-右下方向聚焦、左下
ꢀ‑
右上方向散焦示意图；
56.图7为本发明一种具有横向聚焦力的回旋加速器螺旋偏转板设计方法流程图。
具体实施方式
57.本发明设计原理
58.一、偏转板横向聚焦力的原理。当上下两层螺旋偏转板截面形状发生变形时既产生了横向聚焦力。下面以倾斜型截面螺旋偏转板结构为例说明原理。
59.1)倾斜型截面螺旋偏转板结构聚焦原理，保持中间位置极板间距不变(设为d)，一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大。以中心轨迹处为原点建立坐标系。图3a展示的是x方向增大(记极板间距改变量为a)、-x方向减小的结构，图中左端的极板间距为d-a，右端的极板间距为d+a。该结构可以为束流提供聚焦力，原理如下：
60.对于y方向，如图3a所示，电场力fy和x有关，x越大fy越小。对于中间位置fy(0)，电场力恰好使束流偏转。fy’＝fy-fy(0)，表示束流除偏转外的额外受力，见图3b。存在电场力的四极分量，其大小和a有关：
[0061][0062]
对于x方向，如图3c所示，电场力fx和y有关，y越大fx越小。存在电场力的四极分量，其大小和a有关：
[0063][0064]
螺旋偏转板中电场力和束流方向垂直，即仅存在x-y方向的电场。在恒定磁场中：
[0065][0066]
e为电场。可得：
[0067][0068]
因为f＝qe，所以：
[0069][0070]
两个方向电场力的合力见图3d，该结构产生的四极电场使束流在左下
‑ꢀ
右上方向聚焦、左上-右下方向散焦。若增大左侧极板间距、减小右侧极板间距，即a’＝-a，则聚、散焦
方向相反。
[0071]
四极电磁场对带电离子束的聚焦特性已有成熟的理论，两个场强大小相等、方向相反的四极场的组合对束流具有聚焦作用。设中心轨迹上某一点距螺旋偏转板入口的距离为s，记螺旋偏转板入口处s＝0，出口处s＝s0。使a随 s变化，产生方向交替变化的四极场，根据上述原理，这种交替变化的四极场对束流具有聚焦作用。例如螺旋偏转板入口处a(0)＝a0，a随s减小，在螺旋偏转板中心位置处a(s0/2)＝0，之后四极场方向反向，螺旋偏转板出口处 a(s0)＝-a0。此例为a在半个周期内变化，也可以变化一个或多个周期。
[0072]
2)对于倾斜型截面螺旋偏转板结构进一步解释如下
[0073]
第一、利用电场力之差，形成电场力y方向向上、和电场力y方向向下，如图3b所示，电场力之差是用中心点(也是束流轨迹中心点)作为坐标原点建立坐标系，以中心点受到的电场力为基准，中心点左边的电场力大于中心点的电场力，所以电场力y方向向上，中心点右边的电场力小于中心点电场力，所以y方向向下；第二、利用电场力之差，形成电场力x方向向右、和电场力x方向向左，以中心点受到的电场力为基准，由于电场力从下极板到上极板，距离下极板越近则电场力就越强，中心点下方和中心点上相比，下方距离下极板更近，所以中心点下方的电场力大于中心点的电场力，电场力x 方向向右；由于中心点上方的电场力小于中心点的电场力，所以电场力x方向向左。第三，由于极板的两端一端收拢、一端扩展，扩展的一端，对于电场力y方向随着x的增加越来越弱，所以如图3b所示，中心点的右侧电场力 y方向向下的箭头由短到长，向下的箭头越长则电场力越弱；同理，沿着从下极板到上极板的方向，也是越往上极板电场力越弱，所以在中心点下方，电场力x方向向右的箭头的长度越来越短，到了中心点上方，由于电场力x方向向左，箭头反方向了，所以箭头越长则代表电场力越弱。图3a、3b、3c最终合成为图6-4的电场力之差的分布情况：左下-右上为聚焦，左上-右下为散焦。
[0074]
3)倾斜型螺旋偏转板的螺旋形通道前半部分和后半部分倾斜方向相反。
[0075]
由于倾斜型截面的螺旋偏转板2个方向聚焦、2个方向散焦，所以，必须在后半部分的螺旋形通道中设置相反倾斜角度的螺旋偏转板，得到和上半部分相反方向的聚焦和散焦，这样，两种方向的倾斜型截面就能互相弥补只有2 个方向聚焦，而另外2个方向散焦的缺陷。
[0076]
二、边缘场聚焦力的原理。当螺旋偏转板的入口或出口端面和束流方向呈夹角β角时，即产生了边缘场电场力。所述β角，就是入口或出口端面的一端沿着束流方向延长，端面的另一端沿着束流方向缩短，由此形成该入口或出口端面与垂直于束流方向的平面在中心点的夹角。
[0077]
1)“边缘场聚焦”和“改变偏转板截面聚焦”的区别：图3a到图5-3的“改变偏转板截面聚焦”方法，均采用让上下极板之间电场力产生y方向和x 方向电场分力，如图3a,电场力x方向一个向左、一个向右，是因为上下极板发生了倾斜导致产生电场力分力。边缘场的电场分量并不是因为上下极板的倾斜，尽管上下极板一端收拢一端扩展，但是从端面上看仍然是上下平行的，边缘场的电场分量产生于边缘场的电场弧线，边缘场电场弧线向内的部分产生了x和y方向的电场分量(边缘场电场弧线向外的部分超出了束流范围，对束流没有影响，所以图6-1没有画出)。边缘场之所以产生弧线向内的电场力，是因为入口或出口的端面从一个侧边到另一个侧边“被砍去”了一个角，成为一端向前(束流方向)一端向后收缩的
斜角，可以把这个“被砍去”了一个角的上下两个斜面的相对的两条斜线分别想象成由无数个“台阶”组成的边线，之所以比喻成“台阶”是因为每一对“台阶”和相邻的台阶在束流方向上的前后位置都是不同的，因此每一对上下台阶都产生从下极板到上极板的弧线，这些弧线构成了边缘场的电场分量如图6-1所示。
[0078]
2)利用“位置电场力”和“螺旋偏转板中心位置”之间的“电场力之差”。所述的“位置电场力”如图6-1所示：过上极板和下极板入口或出口最前端w，做一个垂直于束流方向的面，如图6-1的x-y平面，该x-y平面上的粒子受到边缘场的力随着其在x-y平面上位置的不同而不同，因此称为“位置电场力”，所述最前端就是入口或出口端面上沿着束流方向的最前端w；所述“偏转板中心位置”也就是束流轨迹中心位置，如图6-1所示，x-y平面的交点o即为偏转板中心位置。所述“电场力之差”的方向和电场力方向不同，当电场力存在分量时，该分量向上和向右，“电场力之差”的方向可以是电场力y方向向上、电场力y方向向下，电场力x方向向右、电场力x方向向左，当电场力和中心点的电场力相比，x方向小于中心点电场力时，则电场力x方向向左，同样，越往上极板方向电场力越弱，当y方向电场力小于中心点电场力时，则电场力方向向下。
[0079]
3)距离极板端口最前端w最近的地方电场力最大。图6-2为图6-1的侧视图，其中l为极板的宽度，d为上下极板之间的高度。结合图6-2和图6-3 可知，图6-3中，距离端口最前端w最近的位置电场力最大。该最近的位置包括x方向和y方向。
[0080]
4)y方向电场力之差分析：第一、-l/2区域和l/2区域相比较：在-l/2 区域，由于偏转板中心位置o点和w点的位置电场力相比，o点距离入口端面或出口端面的边缘场的电场力相对w更远，因此，o点受到的电场力(从下极板到上极板)相对w点受到的电场力要弱，电场力之差为正电场力y方向向上；第二、虽然在-l/2区域电场力都是向上的，但从左到右电场力之差逐渐减弱，因为从俯视图6-2看，x入口或出口的端面是从前向后倾斜的，因此x-y 平面上的位置电场力随着x的增加而减弱，所以在-l/2区域，随着x的增加，电场力之差向上的肩头越来越短；第三，在偏转板中心位置o的右端的l/2 区域，随着x的增加，l/2区域的位置电场力和o点的电场力相比更弱，用o 点的电场力和l/2区域的位置电场力相比是负数，l/2区域的电场力y方向向下，由于负数越大则越小，所以电场力y方向向下的箭头的长度越来越长。
[0081]
5)x方向电场力之差分析：第一、-d/2区域和d/2区域相比较，在-d/2 区域，越是靠近下极板w点的地方电场力越强，随着y轴的增加，y越大则距离w点越远，越远则粒子受到的边缘场电场力相对w点越弱，所以用x-y平面上靠近下极板的电场力减去偏转板中心位置o的电场力是正的、电场力x 方向向右，但是随着y的增加，电场力差值越小，所以在-d/2区域的水平向右的箭头也越来越短；第二、在d/2区域，由于粒子受到的下极板的电场力随着y的增加而减弱，偏转板中心位置的位置电场力要大于d/2区域的电场力，因此用偏转板中心位置o点的电场力减去d/2区域的电场力为负数，此时用水平方向向左的箭头表示负数，由于在d/2区域，越是靠近上极板的地方电场力之差的负数越大，所以水平向左的箭头越往上越长。
[0082]
6)左下-右上聚焦，左上-右下散焦。针对图6-2的入口或出口的倾斜方式，最后得出，针对图6-2的入口或出口的倾斜方式，为左下-右上聚焦，左上-右下散焦。
[0083]
7)出口和入口的夹角β必须方向相反，才能保证从入口到出口总的边缘场是聚焦
的。将图6-2的夹角设为-β时，则推出左下-右上散焦，左上
‑ꢀ
右下聚焦，这样入口的散焦被出口的聚焦代替了，出口的散焦也被入口的聚焦代替了，得到入口和出口总的边缘场是聚焦的。
[0084]
8)如果把如图6-1改为左下-右上方向散焦，左上-右下方向聚焦的情况，图6-1的倾斜角度应该是反方向的，端面靠近x方向的边向前延伸，靠近-x 方向的边向后缩短，此时对应的边缘场弧线应该是图6-1的右边的弧线，其电场分力x方向在下极板向左，在上极板电场分力x向右；此时w点距离垂直平面x-y相对更远,y点距离垂直平面x-y相对更近。由于-x方向作为增强方向，x方向作为减弱方向，所以-x方向箭头越长则电场越强、箭头越短则电场越弱，x方向箭头越长则电场越弱、箭头越短则电场越强。
[0085]
一种具有横向聚焦力的回旋加速器螺旋偏转板设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0086]
步骤一、采用现有的螺旋偏转板设计方法，完成传统的螺旋偏转板设计；
[0087]
步骤二、保持上下两层螺旋偏转板之间束流轨迹中心线处的高度不变，在束流轨迹中心线的上、下、左、右方向改变螺旋偏转板截面的形状；或者组合改变螺旋偏转板：保持上下两层螺旋偏转板之间束流轨迹中心线处的高度不变、同时保持上下两层螺旋偏转板入口、出口端面上中心点的位置不变，在改变上下两层螺旋偏转板截面形状的同时改变螺旋偏转板入口、出口端面上中心点前后两侧的形状，使得入口、出口端面和束流方向呈夹角β，且入口、出口的夹角大小相等，方向相反。
[0088]
改变截面形状的螺旋偏转板，用于提供螺旋偏转板除偏转力以外的横向聚焦力；该组合改变螺旋偏转板，用于提供螺旋偏转板除偏转力以外的横向聚焦力以及边缘场聚焦力；
[0089]
补充说明1：
[0090]
1)如图3b所示，所述保持上下两层螺旋偏转板之间束流轨迹中心线处的高度不变，该中心线既是图中的中心处的圆点，因为束流是面向纸面的方向，所以看上去为一个圆点。本发明所指高度不变就是指图中的圆点的高度不变。
[0091]
2)如图6-1、6-4、6-5所示，所述同时保持上下两层螺旋偏转板入口、出口端面上中心点的位置不变，该中心点的位置就是图中的o点。
[0092]
3)图3b的中心线和图6-1、6-4、6-5的中心点均指束流中心线上的中心点，是一个概念。后者是从螺旋偏转板入口、出口端面上看为中心点。
[0093]
步骤三、采用多粒子跟踪方法，模拟螺旋偏转板出口处的粒子分布；
[0094]
步骤四、重复步骤二、步骤三，直至粒子分布具有较小的包络。
[0095]
而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括倾斜截面的螺旋偏转板，该倾斜截面的螺旋偏转板，一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0096]
补充说明2：
[0097]
如图3d所示，对于一种类型倾斜型截面的螺旋偏转板，最终的聚焦效果是电场四极场有2个方向聚焦、2个方向散焦。为了让电场4个方向都实现聚焦，就需要采用两组方向
不同的倾斜截面的螺旋偏转板。因此本发明采取在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0098]
而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括v型截面的螺旋偏转板截面形状，该v型截面的螺旋偏转板，保持中间位置不变，两端向上翘，整个截面呈v型结构。
[0099]
补充说明3：
[0100]
本发明提出一种v型截面螺旋偏转板结构如图4-1所示，保持中间位置不变，两端向上翘，整个截面呈v型结构，以中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在x方向的分量；对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量。所以，该发明可以为螺旋偏转板提供x方向的聚焦力，提高传输效率。
[0101]
而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括梯型截面的螺旋偏转板，该梯型截面的螺旋偏转板，保持中间位置不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，截面呈梯形。
[0102]
补充说明4：
[0103]
本发明提出一种梯形截面螺旋偏转板结构如图5-1所示，保持中间位置不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，截面呈梯形，图中虚线部分是传统螺旋偏转板截面，实线部分是梯形截面。在偏转板边缘区域，电场力存在指向偏转板内部的分量。所以该发明可以为螺旋偏转板边缘区域提供x方向的聚焦力，提高传输效率。
[0104]
而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括倾斜型和梯型组合截面的螺旋偏转板，该倾斜型和梯型组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，且一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0105]
补充说明5：
[0106]
如图5-2所示，a.对于梯型+倾斜型组合结构,由于包含了倾斜型，所以在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。b.对于梯型+倾斜型组合结构，聚焦力是梯型和倾斜型聚焦力的叠加；对于其中的梯型，在偏转板边缘区域，电场力存在指向偏转板内部的分量；对于其中的倾斜型，左下-右上聚焦、左上-右下散焦，或者左下-右上散焦、左上-右下聚焦。
[0107]
而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括v型和梯型组合截面的螺旋偏转板，该v型和梯型组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，且两端向上翘，整个截面呈v型结构。
[0108]
补充说明6：
[0109]
如图4-2所示，对于梯型+v型组合结构，聚焦力是v型和梯形聚焦力的叠加。对于其中的v型，以图4-2中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在x方向的分量；对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量；对于其中的梯型，在图5-1偏转板边缘区域，电场力存在指向
偏转板内部的分量。
[0110]
而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括v型和倾斜型组合截面的螺旋偏转板，该v型和倾斜型组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，两端向上翘，整个截面呈v型结构，且一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0111]
补充说明7：
[0112]
对于v型+倾斜型组合截面结构，a.由于包含了倾斜型，所以在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。b.对于v型+倾斜型组合结构，聚焦力是v 型+倾斜型的叠加,对于其中的v型，以中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在x方向的分量，对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量；对于其中的倾斜型，左下-右上聚焦、左上-右下散焦，或者左下-右上散焦、左上-右下聚焦。
[0113]
而且，该改变截面形状的螺旋偏转板，包括倾斜型、梯型、v型组合截面的螺旋偏转板，该组合截面的螺旋偏转板，保持中间位置极板间距不变，减小上极板宽度，增大下极板宽度，且一端的极板间距减小，另一端的极板间距增大，且两端向上翘，整个截面呈v型结构；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0114]
补充说明8：
[0115]
如图5-3所示，对于倾斜型、梯型、v型组合截面结构，a.由于包含了倾斜型，所以在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。b.对于v型+梯型 +倾斜型组合结构，聚焦力是v型+梯型+倾斜型的叠加,对于其中的v型，以中间位置为原点，对于x《0的位置，电场力存在x方向的分量，对于x》0的位置，电场力存在-x方向的分量；对于其中的梯形，在偏转板边缘区域，电场力存在指向偏转板内部的分量；对于其中的倾斜型，左下-右上聚焦、左上
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右下散焦。
[0116]
而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
[0117]
补充说明9：
[0118]
如图6-1、6-2所示，当螺旋偏转板的入口或出口端面和束流方向呈夹角β角时，即产生了边缘场电场力。所述β角，就是入口或出口端面的一端沿着束流方向延长，端面的另一端沿着束流方向缩短，由此形成该入口或出口端面与垂直于束流方向的平面在中心点的夹角。
[0119]
边缘场的电场分量并不是因为上下极板的倾斜，尽管上下极板一端收拢一端扩
展，但是从端面上看仍然是上下平行的，边缘场的电场分量产生于边缘场的电场弧线，边缘场之所以产生弧线向内的电场力，是因为入口或出口的端面从一个侧边到另一个侧边“被砍去”了一个角，可以把这个“被砍去”了一个角的上下两个斜面的相对的两条斜线分别想象成由无数个“台阶”组成的边线，之所以比喻成“台阶”是因为每一对“台阶”和相邻的台阶在束流方向上的前后位置都是不同的，因此每一对上下台阶都产生从下极板到上极板的弧线，这些弧线构成了边缘场的电场分量如图6-1所示。
[0120]
而且，该组合改变螺旋偏转板，包括v型截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
[0121]
而且，：该组合改变螺旋偏转板，包括梯型截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
[0122]
而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜型和梯型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0123]
而且，该组合改变螺旋偏转板，包括v型和梯型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合。
[0124]
而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜型和v型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0125]
而且，该组合改变螺旋偏转板，包括倾斜型、梯型、v型组合截面的螺旋偏转板与入口、出口端面形状改变的螺旋偏转板的组合；且在螺旋型通道的前半部分和后半部分上下极板两端的间距相反，在螺旋型通道的前半部分，如果上下极板两端的间距减小，则在后半部分上下极板两端的间距增大，在螺旋型通道的后半部分，如果前半部分上下极板两端的间距增大，则在后半部分上下极板两端的间距减小。
[0126]
需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。