质子同步加速器的制作方法

1.本公开涉及质子同步加速器技术领域，尤其涉及一种质子同步加速器。


背景技术：

2.同步加速器是一种通过控制前端注入器的时序结构、同步加速器磁铁的磁场、纵向高频电场、注引元件等实现带电粒子束流的注入、加速和引出的装置，广泛应用于医疗、生物、材料、物理等领域。
3.在加速器中，通常把横向运动频率除以回旋频率的值称为工作点v
x，y
，该数值由加速器的设计决定。每个单独的粒子由于能量偏差、空间电荷效应等的影响，其横向运动频率会与工作点有所不同。当工作点满足mv
x
+nvy＝l且同步环磁铁中有对应阶数的高阶场时，束流的运动会发生非线性共振，束流发射度及包络增大，引起束流损失。当l的值为同步环子结构周期数的整数倍时，称为系统共振，否则称为随机共振。通常情况下，工作点的选取应该避免系统共振。从系统共振的条件不难看出，同步环周期数更多时，系统共振线会更少。如2v
x
+2vy＝6，对于周期数为2的同步环为系统共振，对于周期数为12的同步环则为随机共振。研究中发现，限制同步加速器储存粒子数的主要因素是注入时的空间电荷效应造成穿越共振线导致粒子的丢失。
4.为了增加储存的粒子数，通常采用多圈或剥离注入的方式增加束流的初始发射度，同时提高注入器能量，并通过优化同步环设计，利用环内二极铁的边缘角、四极铁等调节环内包络，以减小空间电荷力的作用，避免空间电荷效应导致穿越共振线。但总的来说，现有的质子同步加速器仍存在制作成本高、注入能量要求高、磁铁尺寸大和重量大等缺点。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供了一种质子同步加速器，以解决上述技术问题。本公开的一个方面提供了一种质子同步加速器，包括：六个线性单元，用于使质子束沿着所述线性单元构成的固定轨道进行周期运动并加速以提升能量，每个所述线性单元均包括一块二极铁、一块水平聚焦四极铁、一块竖直聚焦四极铁和一个直线节，所述水平聚焦四极铁和所述竖直聚焦四极铁分设于所述二极铁两侧，串联在所述直线节上，所述直线节将所述线性单元两两相连，形成六边环形结构，其中，通过调节所述二极铁的励磁电流比例进行水平闭轨校正；两块六极铁，分设于所述六边环形结构中两个对称设置的直线节上，所述两个六极铁的极性相反，通过按照预设规则调整磁感应强度的比例实现独立调节色品和共振强度；四块校正铁，对称设于所述六边环形结构的四条直线节上，用于进行竖直闭轨校正。
6.可选地，还包括注入系统，注入方式为多圈注入，所述注入系统包括：注入切割磁铁，设于未设置所述校正铁的一条直线节上；注入静电切割器，设于所述注入切割磁铁所在直线节上；第一凸轨磁铁、第二凸轨磁铁、第三凸轨磁铁和第四凸轨磁铁，依次设于包含所述注入切割磁铁所在直线节的四个相邻直线节上。
7.可选地，还包括引出系统，所述引出系统包括：引出切割磁铁，设于与所述注入切
割磁铁位置相对的直线节上，与所在直线节上的水平聚焦四极铁相邻；引出静电切割器，设于与所述引出切割磁铁所在直线节相邻的直线节上，与所在直线节上的水平聚焦四极铁相邻；第四凸轨磁铁、第五凸轨磁铁和第六凸轨磁铁，所述第六凸轨磁铁设于与所述第四凸轨磁铁位置相对的直线节上，所述第五凸轨磁铁设于所述引出切割磁铁所在直线节上；横向激励系统，设于任意一直线节上。
8.可选地，所述第一凸轨磁铁、第二凸轨磁铁、第三凸轨磁铁和第四凸轨磁铁不与所述引出切割磁铁和所述引出静电切割器设于相同直线节上。
9.可选地，所述校正铁设于所述注入切割磁铁和所述引出切割磁铁所在直线节以外的直线节上。
10.可选地，所述引出静电切割器和所述引出切割磁铁之间的相移为90度。
11.可选地，束流加速依靠高频加速腔，安装于任意一直线节上。
12.可选地，所述质子同步加速器的工作点为1.666～1.7，每个线性单元的相移为100～102度。
13.可选地，所述二极铁长度为1.5米，在所述二极铁处的包络函数不超过5米；直线节长度为2.8米；所述质子同步加速器中单个磁铁重量小于5吨。
14.可选地，所述水平聚焦四极铁内部安装有水平位置探针，竖直聚焦四极铁内部安装有竖直位置探针。
15.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
16.(1)本公开实施例提供的质子同步加速器，由6个相同的fodo单元组成，6个水平聚焦四极铁和6个竖直聚焦四极铁分别串联供电，既节省电源造价又能方便进行工作点的调节，同步环闭轨校正通过调整二极铁的励磁曲线实现，相比其他方案节省了水平校正铁，竖直校正铁的数量也仅为4个。同步环的引出共振六极铁及色品校正六极铁整合到一起，仅用2块二极铁便实现了共振强度调节及色品校正的功能。注入和引出的切割磁铁位于相对的直线节上，注引元件分布更为合理，直线节的空间利用率高，布局更加紧凑；
17.(2)本公开实施例提供的质子同步加速器整体尺寸小，单个磁铁重量小于5t，不需要高吨位的吊车即可完成磁铁的安装。全环周期数为6，每个周期的相移接近90度，在物理上有利于束流的引出，减小静电切割器的强度；
18.(3)本公开实施例提供的质子同步加速器采用多圈注入的方案，注入束流发射度较大；同时优化束流包络函数，在二极铁处包络函数不超过5m，相同接受度下束流孔径更小；多周期结构加上工作点的优化，减少系统共振线数量同时，使工作点远离共振线。注入能量仅需要3mev以上即可达到9e10ppp的存储流强，注入器只需要rfq而非常规的rfq+dtl的方案，成本大大降低。
附图说明
19.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
20.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器的示意图；
21.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器的束流包络函数示意图、束流色散函数示意图和束流包络示意图；
22.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器的工作点示意图；
23.图4a示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器在一个工作点注入时束流频率分布；
24.图4b示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器在另一个工作点注入时束流频率分布；
25.图5示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器在不同工作点及注入能量下的粒子存活情况。
26.附图标记说明：
27.11-二极铁；21-水平聚焦四极铁；31-竖直聚焦四极铁；41-六极铁；51一校正铁；61-注入切割磁铁；62-注入静电切割器；71-第一凸轨磁铁；72-第二凸轨磁铁；73-第三凸轨磁铁；74-第四凸轨磁铁；75-第五凸轨磁铁；76-第六凸轨磁铁；81-引出切割磁铁；82-引出静电切割器；83-横向激励系统；91-束流加速依靠高频加速腔。
具体实施方式
28.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
29.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
30.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
31.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器的示意图。
32.如图1所示，本公开实施例提供的一种质子同步加速器包括：六个线性单元，用于使质子束沿着线性单元构成的固定轨道进行周期运动并加速以提升能量，每个线性单元均包括一块二极铁11、一块水平聚焦四极铁21、一块竖直聚焦四极铁31和一个直线节，水平聚焦四极铁21和竖直聚焦四极铁31分设于二极铁11两侧，串联在直线节上，直线节将线性单元两两相连，形成六边环形结构。在本实施例中，二极铁11长度约为1.5米，在二极铁11处的包络函数不超过5米；直线节长度约为2.8米；质子同步加速器单个磁铁的重量小于5吨。水平聚焦四极铁(21)内部安装有水平位置探针，竖直聚焦四极铁(21)内部安装有竖直位置探针。
33.该加速器还包括两块六极铁41，分设于六边环形结构中两个对称设置的直线节上，两个六极铁41极性相反，磁感应强度按预设准则配置。如果把六极铁41的强度当成是a+b和-a+b的形式，则每块六极铁41在束流物理上的效果可以视为空间上重叠的两块六极铁41的叠加，a的取值大小只影响共振强度，b的取值大小只影响色品。通过这个方法可以仅利用2个六极铁41完成色品和共振强度的独立调节。
34.通常闭轨校正需要用到校正铁51，校正铁51本质上是强度很低、尺寸很小的二极
铁11。在本实施例中，该加速器包括四块校正铁51，对称设于六边环形结构的四条直线节上，用于进行竖直闭轨校正。在本实施例中，为减少了加速器元件数目，使同步环更加紧凑，竖直校正铁51则只在注入切割磁铁61和引出切割磁铁81以外的直线节安装，且分别安装在四块竖直聚焦四极铁31附近。此外，在本实施例提供的质子同步加速器中，可以通过调节二极铁11的励磁电流比例进行水平闭轨校正，相比现有的加速器节省了水平校正铁。
35.本公开实施例提供的一种质子同步加速器还包括注入系统，注入系统包括：注入切割磁铁61，设于未设置校正铁51的一条直线节上；注入静电切割器62，设于注入切割磁铁61所在直线节上；第一凸轨磁铁71、第二凸轨磁铁72、第三凸轨磁铁73和第四凸轨磁铁74，依次设于包含注入切割磁铁61所在直线节的四个相邻直线节上。
36.本公开实施例提供的一种质子同步加速器还包括引出系统，包括：引出切割磁铁81，设于与注入切割磁铁61位置相对的直线节上，与所在直线节上的水平聚焦四极铁21相邻；引出静电切割器82，设于与引出切割磁铁81所在直线节相邻的直线节上，与所在直线节上的水平聚焦四极铁21相邻；第四凸轨磁铁74、第五凸轨磁铁75和第六凸轨磁铁76，第六凸轨磁铁76设于与第四凸轨磁铁74位置相对的直线节上，第五凸轨磁铁75设于引出切割磁铁81所在直线节上；横向激励系统83，设于任意一直线节上。第一凸轨磁铁71、第二凸轨磁铁72、第三凸轨磁铁73和第四凸轨磁铁74不与引出切割磁铁81和引出静电切割器82设于相同直线节上。
37.本公开实施例提供的一种质子同步加速器由6个周期组成，工作点接近1.666～1.7，每个周期的相移为100～102度，将引出切割磁铁81和引出静电切割器82安装在靠近水平聚焦四极铁21处，此处的水平包络函数β有极大值，出静电切割器和引出切割磁铁81之间的相移为90度，有利于引出轨道的设计，降低静电切割器的强度。
38.在本实施例中，注入切割磁铁61和引出切割磁铁81位于相对的直线节，使注引相关的凸轨磁铁、静电切割器等分布在不同的直线节上，空间得到有效利用，有利于缩短直线节的长度。如果将注入切割铁放置于与引出静电切割器82相邻的直线节上，类似于申请号为201210264179.2的专利所述方案，则由于该直线节上有六极铁41，相较于本公开所述方案，需要更长的直线节才足以容纳。同时凸轨磁铁56也必须相应移动到引出静电切割器82所在直线节，也必须增加该直线节的长度。最终直线节的长度必须统一为所有直线节中最长的一段，才能保证同步加速器的周期性，因此本公开的布局方案更加合理。
39.本公开实施例提供的质子同步加速器还包括束流加速依靠高频加速腔91，其安装于任意直线节均可。
40.在加速器中，通常把横向运动频率除以回旋频率的值称为工作点v
x，y
，该数值由加速器的设计决定。同时每个单独的粒子由于能量偏差、空间电荷效应等的影响，其横向运动频率会与工作点有所不同。当工作点满足mv
x
+nvy＝l且同步环磁铁中有对应阶数的高阶场时，束流的运动会发生非线性共振，束流发射度及包络增大，引起束流损失。当l的值为同步环子结构周期数的整数倍时，称为系统共振，否则称为随机共振。通常情况下，工作点的选取应该避免系统共振。从系统共振的条件不难看出，同步环周期数更多时，系统共振线会更少。如2v
x
+2vy＝6，对于周期数为2的同步环为系统共振，对于周期数为12的同步环则为随机共振。研究中发现，限制同步加速器储存粒子数的主要因素是注入时的空间电荷效应造成穿越共振线导致粒子的丢失。空间电荷效应的强弱主要取决于注入时的能量、发射度及总
粒子数：
[0041][0042]
式子中δν是空间电荷效应引起的频移，r
p
是经典半径，n是粒子数，β和γ对应注入能量的相对论因子，bf是聚束因子，ε是束流发射度。
[0043]
在本实施例中，为了减小束流包络，从而更好地利用横向接受度，本实施例提供的质子同步加速器减小了二极铁11的尺寸，增加储存粒子数，四极铁采用较大的强度，以更好地聚焦约束束流的包络。通常包络函数的极值在四极铁处，故四极铁的安装位置稍远离二极铁11，最终优化使包络函数在二极体内的数值不超过5m。
[0044]
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器的束流包络函数、色散函数及束流包络示意图。
[0045]
如图2所示，本公开实施例提供的质子同步加速器在动量偏差
±
0.005，水平接受度250πmm.mrad，竖直接受度75πmm
·
mrad的条件下，束流的水平包络在二极铁11内不超过50mm，竖直包络不超过20mm。
[0046]
为了降低空间电荷效应对束流的影响，本公开实施例提供的质子同步加速器注入方案采用多圈注入。以较低的流强在大约200个循环周期内不断往同步环里注入粒子，并通过调节4个注入凸轨磁铁(54，55，56，53)使注入束逐渐填满水平接受度，从而增加束流的横向发射度。
[0047]
为了避免空间电荷效应引起的束流工作点偏移，穿越共振线最后发生束流损失，工作点的选取上需要考虑避开与空间电荷效应关系最密切的四阶系统共振线。
[0048]
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器的工作点示意图。
[0049]
如图3所示，图中展示了4个工作点，分别为(1.68，1.23)，(1.68，1.4)，(1.68，1.62)，(1.68，1.78)。为了利用三阶共振慢引出系统，通常水平工作点取在5/3附近。(1.68，1.6)这个工作点距离4vy＝6较近，(1.68，1.4)则与2v
x
+2vy＝6较为接近。(1.68，1.23)和(1.68，1.78)周围无四阶系统共振线，但在优化过程中发现，(1.68，1.23)与(1.68，1.78)的方案相比，二极铁11处竖直包络函数较大，在相同尺寸下接受度较小。
[0050]
图4a、4b示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器在不同工作点注入时束流频率分布。
[0051]
如图4a、4b所示，图4b中的分布明显被2v
x
+2vy＝6分离成两部分，共振线附近的粒子大部分已经丢失，随着损失粒子的增多，空间电荷效应减弱，共振线下方的粒子会逐渐回到(1.68，1.4)附近，在这过程中穿越共振线，粒子损失的现象会一直持续。而图4a中由于没有经过共振线，频率分布呈连续状，虽然空间电荷效应依旧存在，但因其没经过四阶共振线，束流损失的情况会减缓许多。
[0052]
图5示意性示出了本公开实施例提供的一种质子同步加速器在不同工作点及注入能量下的粒子存活情况。
[0053]
如图5所示，多圈注入完成后水平均方根发射度为70πmm.mrad，竖直均方根发射度为3.5πmm.mrad，注入总粒子数为1.8e11，二极铁11的孔径设置为50mm和20mm。如果采用(1.68，1.4)则束流损失非常严重，理论情况下只能存活5e10左右的粒子，在实际应用中往往需要考虑引出效率、后续的传输效率等，通常最好的情形下只能达到理论值的80％。而经
过优化的工作点，即便在3mev的注入能量下，可以存活超过9e10个粒子，即使考虑实际效率问题，也与其他质子加速器5e10-1e11ppp的流强相当。
[0054]
在同步加速器中，限制束流流强的主要因素是空间电荷效应。为了降低空间电荷效应的影响，通常可以采用的做法是利用多圈注入或剥离注入的方式，增加注入束流的发射度；提高注入束流的能量；增加束流孔径以增加接受度。
[0055]
本公开实施例提供的质子同步加速器采用多圈注入的方案，注入束流发射度较大，同时优化束流包络函数，在二极铁11处包络函数不超过5m，相同接受度下束流孔径更小，并在多周期结构加上工作点的优化，减少系统共振线数量同时，使工作点远离共振线。注入能量仅需要3mev以上即可达到9e10ppp的存储流强，注入器只需要rfq而非常规的rfq+dtl的方案，成本大大降低。
[0056]
本公开实施例提供的质子同步加速器由6个相同的fodo单元组成，6个聚焦四极铁和6个散焦四极铁分别串联供电，既节省电源造价又能方便进行工作点的调节。其二极铁11长度约1.5m，需要的好场区仅为
±
50mm和
±
20mm，整体尺寸小，重量小于5t，不需要高吨位的吊车即可完成磁铁的安装。全环周期数为6，每个周期的相移接近90度，在物理上有利于束流的引出，减小静电切割器的强度。
[0057]
本公开实施例提供的质子同步加速器的同步环闭轨校正通过调整二极铁11的励磁曲线实现，相比其他方案节省了水平校正铁，竖直校正铁51的数量也仅为4个。同步环的引出共振六极铁及色品校正六极铁整合到一起，仅用2块二极铁11便实现了共振及色品校正的功能。注入和引出的切割磁铁位于相对的直线节上，注引元件分布更为合理，直线节的空间利用率高，布局更加紧凑。
[0058]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0059]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。