一种回旋加速器强流束脉冲化方法和装置与流程

1.本发明属于加速器技术领域，尤其涉及一种回旋加速器强流束脉冲化方法和装置。


背景技术：

2.基于100mev强流质子回旋加速器是国际上第1个在100mev能区的剥离引出类型回旋加速器上开展的实现mhz量级重复频率的束流脉冲化技术研究，这种基于超短时间峰值流强脉冲束在核数据测量、核物理试验等研究等领域均有非常重要的应用。其中基于加速器的质子照相技术因质子加速器的多脉冲能力和质子束分离技术能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像，从而实现对研究目标的动态变化过程的实时连续成像。
3.实现超短时间峰值流强脉冲束的难点在于：既要实现超短时间的脉冲束流又要使得这种脉冲流强是峰值流强或高流强。现有技术只能实现普通流强的脉冲束流但不能实现高流强的脉冲束流，原因之一是现有技术通过在引出区引出单圈束流来实现束流脉冲化、而单圈束流流强会受到限制，无法得到流强增强的脉冲束流；原因之二是现有技术采用一个束流切割器实现脉冲束流，一个切割器只能控制加速器的每一圈束流在某一高频周期内有束流、而其他周期没有束流，从而形成微脉冲束流，但不能控制加速器在连续的n+m圈内，n圈有束流，m圈无束流，因此无法形成宏脉冲。第三，由于现有技术的脉冲束流在圈和圈之间是连续的，即使采用圈重叠引出的方法，但由于前后两次达到圈重叠的间隔时间太短，因此造成引出间隔时间间隔太短，从而不能形成脉冲束流。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种回旋加速器强流束脉冲化方法和装置，目的在于解决现有技术只能实现普通流强的脉冲束流但不能实现高流强的脉冲束流的问题。
5.本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
6.一种回旋加速器强流束脉冲化装置，该装置包括沿着离子源到加速器方向，布设在加速器束流注入线上的束流切割器a、束流切割器b、以及布设在加速器束流引出口的剥离膜，其特点是：该布设在加速器束流引出口的剥离膜，在同一个时刻能够剥离掉n圈重叠的脉冲束流，所述脉冲束流是指通过束流切割器a，使得加速器中连续n圈有束流，连续m圈无束流；通过束流切割器b，使得n圈每一圈的多个高频周期中，其中1个高频周期有束流，其它高频周期没有束流；当束流切割器工作时，分别在束流切割器a和切割器b的切割板两级加扫描电压，束流切割器a两端的扫描电压为方波信号，束流切割器b两端的扫描电压为正弦信号。
7.进一步地，所述切割器a实现在脉冲束的周期t
choppera
中，假设t1时间内m圈束团无法进入加速器轨道，剩下的t2时间内有n圈的束团可以进入加速器轨道，所述脉冲束的周期t
choppera
包括m+n圈束团，具体为：束流通过切割器a中心时，在方波高电平时束流发生偏转，
导致束流无法穿过切割孔；在方波低电平时，束流会自由通过切割板和切割孔向后传输，通过切割孔的束流形成脉冲束。
8.进一步地，所述切割器a的脉冲束周期t
choppera
与切割器a的方波周期一致，如果加速器为四次谐波加速器，则束流在回旋加速器转一圈的周期tc是高频周期t
rf
的4倍，则存在脉冲束周期t
choppera
与高频周期的关系：脉冲束的周期t
choppera
＝tc*(m+n)，t
choppera
＝4*t
rf
*(n+m)。
9.进一步地，所述切割器b，在一个正弦波的扫描切割周期内，束流在去程和回程的两次零电压处经过切割孔，所述两次零电压处为0度和180度的电压处；其它时间内束流被后面的选择狭缝切掉，因此，在切割器b的一个扫描周期t
chopperb
内会产生2个束流脉冲，在切割器b的前半个周期内，其0度的电压处会产生1个束流脉冲，在切割器b的后半个周期内，其180度的电压处会产生1个束流脉冲，通过选择合适的狭缝宽度，可得到所需脉冲宽度的脉冲束。
10.进一步地，切割器b的1个扫描周期t
chopperb
对应束流在回旋加速器转一圈的周期tc的2倍，束流在回旋加速器转一圈的周期tc是高频周期t
rf
的4倍，所以切割器b的一个扫描电压周期为t
chopperb
＝8*t
rf
，切割器b的半个扫描周期t
chopperb
是高频周期的4倍，为t
chopperb
/2＝4*t
rf
。
11.进一步地，切割器b的前半个周期内只允许1个处于0度电压处的高频周期内的束团通过，另外3个非0度电压处的高频周期内的束团被切割掉；切割器b的后半个周期内只允许1个处于180度电压处的高频周期的束团通过，另外3个非180度电压处的高频周期内的束团被切割掉。
12.进一步地，切割器a的一个脉冲束的周期t
choppera
中有n圈的束团允许通过，该n圈束团在切割器a中意味着n*4个高频周期t
rf
内的束团允许通过；当切割器a的n圈的束团进入切割器b时，意味着1圈束团在切割器b中只允许1个高频周期内的束团通过，而n圈的束团在切割器b中只允许n个高频周期t
rf
的束团通过。
13.一种回旋加速器强流束脉冲化方法，其特点是，该方法包以下步骤：
14.步骤一、设定束流切割器a两端的扫描电压为方波信号，束流切割器b两端的扫描电压为正弦信号；
15.步骤二：利用束流切割器a实现在1个脉冲束的周期t
choppera
中有n圈的束团可以进入加速器轨道，剩下m圈束团则无法进入加速器轨道；其中每圈束团对应4个高频周期，则束流切割器a对于一个脉冲束周期中，有4*n个高频周期的束团能够通过；
16.步骤三：当束流切割器a的4*n个高频周期的束团进入切割器b时，利用束流切割器b实现在一个扫描周期t
chopperb
中，有n个高频周期的束团能够通过，剩下n*3个高频周期的束团则无法进入加速器轨道，即在一个脉冲周期中，有n个高频周期的束团能够通过，剩下n*3个高频周期的束团则无法进入加速器轨道；
17.步骤四：在剥离膜处实现n圈的脉冲束流的重叠，使得剥离膜一次性剥离n圈重叠的脉冲束流负氢束团，提高束流流强n倍。
18.进一步地，所述步骤六具体过程如下：
19.1)设定加速器引出区的圈重叠圈数n，该圈重叠圈数n的大小既不影响粒子加速的状态、又适合尽量多的引出多圈重叠束流；
20.2)选择剥离膜的宽度为刚好覆盖n圈重叠束团的宽度；
21.3)剥离膜一次性剥离掉该n圈重叠束团的负氢粒子；
22.4)该n圈重叠束团中的每个负氢粒子在剥离掉两个电子后转换成质子，n个质子束团同时沿着引出轨道被引出，实现了质子束引出流强增强n倍。
23.进一步地，所述切割器a的t1的大小可以根据脉冲的间隔来设定，当需要加大脉冲之间间隔时就加大t1。
24.进一步地，所述加速器引出区的圈重叠圈数n，是通过束流动力学软件计算得到的，通过该软件计算得到能够满足能量设定要求的n圈重叠的脉冲束流。
25.本发明的优点效果
26.1、本发明通过将切割器a和切割器b的有机结合，将切割器a、切割器b和引出区剥离膜有机结合，将引出区剥离膜和满足动力学要求的n圈重叠束流相结合，最终实现了峰值流强脉冲束流，相比现有技术只能引出单圈束流，流强提高了将近20倍。
27.2、本发明解决了本领域技术人员一直渴望解决但始终未能解决的多圈引出的高流强脉冲束流的技术难题，本发明方法解决了高流强脉冲束流的技术难题，具有实质性特点和显著的进步。
附图说明
28.图1为本发明在束流注入线上布设脉冲束流切割器示意图；
29.图2为本发明采用两种束流切割器切割束流效果示意图；
30.图3为本发明束流切割器a的扫描电压为方波信号示意图；
31.图4为本发明束流切割器b的扫描电压为正弦波信号示意图；
32.图5为本发明束流切割器a、束流切割器b的结构示意图。
具体实施方式
33.本发明设计原理
34.实现峰值流强脉冲束的设计原理。本发明有二个难点，第一难点是实现峰值流强，第二是实现脉冲束的峰值流强。实现峰值流强的难点是采用多圈引出的方法既不能影响粒子的加速状态又要尽量引出多圈束流、从中找到一个平衡点：引出的圈数过多就会把正在加速的粒子或者能量还没有达到要求的粒子提前引出，引出的圈数越少则达不到峰值流强。现有技术虽然能够实现脉冲束流但不能实现峰值流强的脉冲束，现有技术如果实现了峰值流强束流，但一定引出的不是脉冲束流。原因就在于现有技术只是单圈引出脉冲束流，即使多圈引出脉冲束流但引出的束流形状一定不是脉冲束流而是非脉冲束流。
35.本发明解决第一个难点的方法是：通过束流动力学轨道跟踪软件计算得到我们想要的剥离圈数和可剥离束流的能量范围，这个剥离圈数的数量既不过多也不过少，例如加速器束流总圈数为400圈，则多圈引出的数量为20圈，这20圈不同能量、不同流强的束团可以在剥离膜处同时引出，能量越大，越靠近玻璃膜的外半径，但能够引出这20圈束流的前提是这20圈粒子的能量都已经达到了预定的要求，因此才能够被引出。如果是传统的方法只有最外圈的束流的能量才能达到要求。若要使得这20圈束流的能量和流强达到设定要求，与调整束流每次穿越加速间隙的相位、磁场等时性、横向聚焦等状态有关，通过调整束流每
次穿越加速间隙的相位、磁场等时性、横向聚焦，使得这20圈束流的能量均能达到预定的要求，即使20圈的每一圈束流之间的能量各有不同。所述磁场等时性就是加速器最里圈和最外圈束流转一圈的时间是相等的；所述横向聚焦是指径向聚焦和轴向聚焦，径向聚焦就是加速器束流轨道向左右两侧发散束流向轨道中心点的聚焦，轴向聚焦就是加速器束流轨道向上下两侧发散的束流向轨道中心点的聚焦。
36.本发明解决第二个难点的方法是：通过采用两个束流切割器实现峰值流强的脉冲束流如图1所示。现有技术只采用一个切割器b，通过切割器b每隔几个高频周期通过一个束团从而实现束流的脉冲化，例如在四个高频周期的一个高频周期有束流，另外三个没有束流，但是由于没有使用切割器a，使得每一圈束流都存在脉冲束流，也就是脉冲束流是连续的，假如采用一个切割器b的方法，虽然也能引出20圈束流,但是第一个20圈引出后紧跟着第二个20圈又到了剥离膜的位置，从第一个20圈到第二个20圈之间的时间间隔非常短，因此还没有形成脉冲就又到了第三个20圈，如此下去，所剥离的多圈束流形状应该是破浪形状的而不是脉冲形状的，原因是上一个20圈和下一个20圈之间没有足够形成脉冲束流的时间间距。为了解决加大时间间隔的问题，本发明在切割器b前面靠近离子源的地方增加了一个切割器a,该切割器a和切割器b不同的是：其t1周期允许n圈束流通过，t2周期不允许m圈束流通过，而只有允许通过的n圈束流才能进入到切割器b中，最终从加速器引出区引出的多圈脉冲束流均是从切割器b产生的脉冲束流，t1和t2的大小可以根据脉冲的宽窄来设定，当需要加大脉冲之间间隔时就加大t1，当需要加宽脉冲时就加大t2,但t1和t2的取值均以能够以形成脉冲束为准。
37.基于以上发明原理，本发明设计了一种回旋加速器强流束脉冲化装置。
38.一种回旋加速器强流束脉冲化装置如图1-5所示，该装置包括沿着离子源到加速器方向，布设在加速器束流注入线上的束流切割器a、束流切割器b、以及布设在加速器束流引出口的剥离膜，其特征在于：该布设在加速器束流引出口的剥离膜，在同一个时刻能够剥离掉n圈重叠的脉冲束流，所述脉冲束流是指通过束流切割器a，使得加速器中连续n圈有束流，连续m圈无束流；通过束流切割器b，使得n圈每一圈的多个高频周期中，其中1个高频周期有束流，其它高频周期没有束流；当束流切割器工作时，分别在束流切割器a和切割器b的切割板两级加扫描电压，束流切割器a两端的扫描电压为方波信号，束流切割器b两端的扫描电压为正弦信号。
39.补充说明1
40.所述剥离膜为碳制剥离膜，其厚度大，密度高，能够实现99.9％负氢离子的剥离。
41.进一步地，如图2所示，所述切割器a实现在脉冲束的周期t
choppera
中，假设t1时间内m圈束团无法进入加速器轨道，剩下的t2时间内有n圈的束团可以进入加速器轨道，所述脉冲束的周期t
choppera
包括m+n圈束团，具体为：束流通过切割器a中心时，在方波高电平时束流发生偏转，导致束流无法穿过切割孔；在方波低电平时，束流会自由通过切割板和切割孔向后传输，通过切割孔的束流形成脉冲束。
42.进一步地，所述切割器a的脉冲束周期t
choppera
与切割器a的方波周期一致，如果加速器为四次谐波加速器，则束流在回旋加速器转一圈的周期tc是高频周期t
rf
的4倍，则存在脉冲束周期t
choppera
与高频周期的关系：脉冲束的周期t
choppera
＝tc*(m+n)，t
choppera
＝4*t
rf
*(n+m)。
43.补充说明2
44.切割器a允许通过的n圈束流和不允许通过的m圈束流，其每一圈都是高频周期的4倍，所以脉冲束周期t
choppera
＝tc*(m+n)，其中，tc是束流在回旋加速器转一圈的周期tc。
45.进一步地，如图4所示，所述切割器b，在一个正弦波的扫描切割周期内，束流在去程和回程的两次零电压处经过切割孔，所述两次零电压处为0度和180度的电压处；其它时间内束流被后面的选择狭缝切掉，因此，在切割器b的一个扫描周期t
chopperb
内会产生2个束流脉冲，在切割器b的前半个周期内，其0度的电压处会产生1个束流脉冲，在切割器b的后半个周期内，其180度的电压处会产生1个束流脉冲，通过选择合适的狭缝宽度，可得到所需脉冲宽度的脉冲束。
46.进一步地，切割器b的1个扫描周期t
chopperb
对应束流在回旋加速器转一圈的周期tc的2倍，束流在回旋加速器转一圈的周期tc是高频周期t
rf
的4倍，所以切割器b的一个扫描电压周期为t
chopperb
＝8*t
rf
，切割器b的半个扫描周期t
chopperb
是高频周期的4倍，为t
chopperb
/2＝4*t
rf
。
47.补充说明3：
48.图4虚线曲线是切割器b的一个周期，实线曲线是高频周期，可以看出，切割器b的一个周期对应8个高频周期，由于束流转1圈对应4个高频周期，所以切割器b的一个周期对应束流转2圈。
49.进一步地，切割器b的前半个周期内只允许1个处于0度电压处的高频周期内的束团通过，另外3个非0度电压处的高频周期内的束团被切割掉；切割器b的后半个周期内只允许1个处于180度电压处的高频周期的束团通过，另外3个非180度电压处的高频周期内的束团被切割掉。
50.补充说明4：
51.如图4所示，如果将切割器b的一个周期分为前半个和后半个，则0度是前半个周期的起点，180度算作后半个周期的起点。
52.进一步地，切割器a的一个脉冲束的周期t
choppera
中有n圈的束团允许通过，该n圈束团在切割器a中意味着n*4个高频周期t
rf
内的束团允许通过；当切割器a的n圈的束团进入切割器b时，意味着一圈束团在切割器b中只允许1个高频周期内的束团通过，而n圈的束团在切割器b中只允许n个高频周期t
rf
的束团通过。
53.一种回旋加速器强流束脉冲化方法，其特点是，该方法包以下步骤：
54.步骤一、设定束流切割器a两端的扫描电压为方波信号，束流切割器b两端的扫描电压为正弦信号；
55.步骤二：利用束流切割器a实现在1个脉冲束的周期t
choppera
中有n圈的束团可以进入加速器轨道，剩下m圈束团则无法进入加速器轨道；其中每圈束团对应4个高频周期，则束流切割器a对于一个脉冲束周期中，有4*n个高频周期的束团能够通过；
56.步骤三：当束流切割器a的4*n个高频周期的束团进入切割器b时，利用束流切割器b实现在一个扫描周期t
chopperb
中，有n个高频周期的束团能够通过，剩下n*3个高频周期的束团则无法进入加速器轨道，即在一个脉冲周期中，有n个高频周期的束团能够通过，剩下n*3个高频周期的束团则无法进入加速器轨道；
57.步骤四：在剥离膜处实现n圈的脉冲束流的重叠，使得剥离膜一次性剥离n圈重叠
的脉冲束流负氢束团，提高束流流强n倍。
58.进一步地，所述步骤六具体过程如下：
59.1)设定加速器引出区的圈重叠圈数n，该圈重叠圈数n的大小既不影响粒子加速的状态、又适合尽量多的引出多圈重叠束流；
60.2)选择剥离膜的宽度为刚好覆盖n圈重叠束团的宽度；
61.3)剥离膜一次性剥离掉该n圈重叠束团的负氢粒子；
62.4)该n圈重叠束团中的每个负氢粒子在剥离掉两个电子后转换成质子，n个质子束团同时沿着引出轨道被引出，实现了质子束引出流强增强n倍。
63.进一步地，所述切割器a的t1的大小可以根据脉冲的间隔来设定，当需要加大脉冲之间间隔时就加大t1。
64.进一步地，所述加速器引出区的圈重叠圈数n，是通过束流动力学软件计算得到的，通过该软件计算得到能够满足能量设定要求的n圈重叠的脉冲束流。
65.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。