一种利用电荷态改变的直接激励引出系统

1.本发明涉及一种利用电荷态改变的直接激励引出系统，属于同步加速器技术领域。


背景技术：

2.同步加速器慢引出束流在航天、材料、医学、农业、生物等领域应用广泛。例如，开展航天电子元器件特别是电子器件整机的单粒子效应辐照研究；研究粒子在生物体和半导体材料中的辐照效应规律；可用于核孔膜的生产和粒子癌症治疗领域，对促进我国社会经济相关领域的发展具有重大意义。
3.目前，国际上同步加速器常用的慢引出方法为非线性六极场激发共振慢振引出，主要分为三个过程：1)在同步加速器引出平台将水平工作点调节至1/3整数附近，开启六极铁引入六极场，将相空间划分为稳定区和非稳定区。2)改变四极铁强度移动工作点进一步靠近共振线，或增大六极铁强度等方法缩小稳定区面积使粒子进入非稳定区；或保持稳定区面积不变，通过横向激励电场对稳定区内的粒子进行加热，使粒子的横向振荡幅度逐渐增加而溢出至非稳定区。3)进入非稳定区的粒子将沿着引出界轨运动进入静电偏转板，受到电场力偏转作用实现轨道预分离，再传输至切割铁，受到磁场偏转力将束流从同步加速器中完全引出。
4.非线性六极场激发共振慢引出存在以下问题：1)引出系统设计难度大，涉及元件种类与数量多。六极铁元件位置在该光学设计上需满足严格的相移要求，才能实现色品校正与共振驱动独立调节。同时，选择合理的六极铁强度才能控制静电偏转板入口处引出束的角度与螺距，静电偏转板与切割铁间相移要满足接近π/2+2nπ(n为整数)的要求。引出系统涉及色品与共振六极铁及切割铁的磁元件，涉及静电偏转板高压电元件，种类与数量多。2)引出阶段运行模式与束流操控复杂。在引出平台要将工作点调节至共振线附近，引入非线性场激发共振，通过调节机器元件参数或外加激励才能实现束流引出。3)元件占用空间大，增加了同步加速器周长与占地面积大，造价高，不利于同步加速器装置的推广应用。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用电荷态改变的直接激励引出系统，其解决了引出系统设计难度大、元件种类与数量多、运行模式复杂的难题，可大幅缩短同步加速器的周长，减小占地面积，降低系统造价等问题。
6.为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种利用电荷态改变的直接激励引出系统，包括：二极铁、四极铁、高速加速腔体和薄膜；二极铁为若干个，若干个二极铁组成循环轨道，粒子束在循环轨道中运动；两个二极铁直接设置至少一个四极铁，四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；高速加速腔体设置，用于对粒子束进行加速，设置在两个二极铁之间；薄膜设置在某一二极铁内或循环轨道上，用于改变粒子束的分离高度，使电荷态发生改变的粒子从第一通道或第二通道引出。
7.进一步，引出系统还包括凸轨磁铁，薄膜对应的二极铁，与其循环方向上游的二极铁和下游的二极铁之间均设置至少一个凸轨磁铁。
8.进一步，薄膜对应的二极铁为：若薄膜设置在某一二极铁，则二极铁为薄膜对应的二极铁，若薄膜设置在循环轨道上，则距离薄膜最近的二极铁为薄膜对应的二极铁。
9.进一步，共振引出系统还包括横向激励装置和直流流强探测器，横向激励装置和直流流强探测器均设置在循环轨道上，横向激励装置，用于横向激励共振粒子使其横向振荡振幅增加；直流流强探测器，用于监测粒子束的直流流强。
10.进一步，当薄膜设置在某一二极铁内时，粒子发生共振使循环束幅度增加的条件是：
11.fk＝(n
±qx
)f
rev
12.其中，fk是横向激励的频率，n为任意整数，q
x
为工作点的小数部分，f
rev
是循环束的回旋频率。
13.进一步，循环粒子束穿过薄膜后电荷态增加，电荷态改变后粒子束在二极铁中的偏转半径小于改变前粒子束在二极铁中的偏转半径，使改变后粒子束向偏转半径小的轨道上运动，通过调节薄膜材料与二极铁端面的距离，在二极铁出口处得到不同的分离高度电荷态改变前后的粒子束。
14.进一步，薄膜设置在凸起轨道上时，若循环粒子束穿过薄膜后电荷态变化大，则电荷态改变的粒子经过下游的凸轨磁铁时受到踢角作用，与循环粒子束产生大的分离高度，并通过第一通道引出；若循环粒子束穿过薄膜后电荷态变化小，在通过下游的凸轨磁铁后分离高度小，使其传输至下游的二极铁处，以产生足够的分离高度，并通过第二通道引出。
15.进一步，薄膜的宽度方向x由水平发射度ε
x
、β
x
函数、色散函数d
x
与束流的动量分散δp/p决定，β
x
函数与色散函数d
x
是同步加速器光学的基本参数之一，宽度方向x的计算公式为：x＝sqrt(β
x
*ε
x
)+d
x
*δp/p；薄膜的高度方向y由垂直发射度与βy函数决定，βy函数是同步加速器光学的基本参数之一，高度方向y的计算公式为：y＝sqrt(β*ε)，其中，sqrt()为平方根函数。
16.进一步，薄膜为碳膜或低原子序数的轻质有机物膜。
17.进一步，第一通道与第二通道包括静电偏转板、水平切割铁、垂直切割铁或真空管道，引出的粒子束从同步加速器水平方向或垂直方向引出并传输至终端。
18.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
19.1.本发明的引出系统设计简单，元件种类与数量大幅减少，本发明中的引出方法对同步加速器引出平台光学设计无严格要求，不需要额外引入非线性六极磁场，在设计上不用考虑共振驱动与色品校正独立调节时特殊的相移关系，简化了引出系统的设计方案，大幅减少了引出元件的种类与数量。引出通道处的预分离高度可以通过调节预分离高度减小引出通道中元件的长度与强度，更易实现高能量束流慢引出。
20.2.本发明的引出模式运行简易，引出束时间大范围连续可调，本发明的引出平台不需要调节工作点，在单个运行周期内可保持光学始终不变。不用考虑六极铁的工作模式，仅需考虑横向激励电场直接激励参数与凸轨的工作方式。通过控制横向激励幅度与凸轨上升时间，可以得到毫秒到秒量级大范围连续可调的慢引出束流，以满足实验终端在单个周期内对束流不同时间的需求，具有广阔的应用前景。
21.3.本发明中同步加速器紧凑且造价低，有利于装置推广应用，同步加速器的推广常受到占地面积与造价双重因素的制约，本发明的元件种类与数量少，所需空间小，可显著缩小同步加速器的周长与占地面积，降低装置造价，有利于同步加速器装置在癌症治疗、材料辐照、航空航天研究等领域应用的推广应用。
附图说明
22.图1是本发明一实施例中薄膜材料放置于二极铁内的同步加速器布局图；
23.图2是本发明一实施例中薄膜材料放置于二极铁内的引出束流轨道图；
24.图3是本发明另一实施例中薄膜材料放置于直线节的同步加速器布局图；
25.图4是本发明另一实施例中薄膜材料放置于直线节的引出束流轨道图。
26.其中，d：二极铁；q：四极铁；rf：高频加速腔体；dcct：直流流强探测器；bpe：凸轨磁铁；t-kicker:横向激励装置；1为第一通道；2为第二通道。
具体实施方式
27.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.为了解决现有技术中存在的选择合理的六极铁强度才能控制静电偏转板入口处引出束的角度与螺距，静电偏转板与切割铁间相移要满足接近π/2+n.2π(n为整数)的要求。引出系统涉及色品与共振六极铁及切割铁的磁元件，涉及静电偏转板高压电元件，种类与数量多的问题。本发明提出了一种利用电荷态改变的直接激励引出系统，在同步加速器中放置可改变电荷态的薄膜材料(如碳膜)，采用横向激励电场直接激励循环束，利用局部凸轨或其他凸轨方式将循环束凸起并穿过薄膜材料发生电荷态改变。电荷态改变前后的粒子因在二极场中的偏转半径不同而产生运动轨道分离，改变电荷态的粒子将进入引出通道从同步加速器中引出。通过控制横向激励电场的强度与凸轨的上升时间可以提供毫秒至秒量级的大范围连续可调的慢引出束。本发明的方案打破了传统上利用非线性六极场激发共振的慢引出方法，具有运行简单、引出元件种类与数量少、占用空间小、高性价比的突出优势，大幅缩短同步加速器周长，对基于质子和重粒子同步加速器的癌症治疗，生物与材料辐照、航天与工业辐照等领域产生重要影响。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细说明。
29.实施例一
30.本实施例公开了一种利用电荷态改变的直接激励引出系统，如图1所示，包括：二极铁、四极铁、凸轨磁铁、直流流强探测器dcct、高速加速腔体、横向激励装置和薄膜；二极铁为六个，六个二极铁组成循环轨道，粒子束在循环轨道中运动；第一个二极铁的下游依次设置直流流强探测器dcct和第二个四极铁，四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；直流流强探测器dcct，用于监测粒子束的直流流强。第二个四极铁下游设置第二个二极铁，第二个二极铁和第三个二极铁之间依次设置高速加速腔体和第三个四极铁；高速加速腔体，用于对粒子束进行加速；粒子束从第三个二极铁和第四个二极铁之间注入，该粒子束注
入点下游设置第四个四极铁；第四个二极铁和第五个二极铁之间依次设置横向激励装置和第五个四极铁；横向激励装置，用于横向激励共振粒子使其横向振荡振幅增加；第五个二极铁和第六个二极铁之间依次设置第一个凸轨磁铁、第二个凸轨磁铁和第六个四极铁；如图1所示，薄膜设置在第六个二极铁内(在图1中方形图像为薄膜)，该薄膜可以改变粒子束的电荷态，用于改变粒子束的分离高度，使电荷态发生改变的粒子从第一通道或第二通道引出。第六个二极铁和第一个二极铁之间依次设置第三个凸轨磁铁和第一个四极铁。同步加速器或ffag或其他任意类型加速器可采用常温或超导方案，任意数量的二极铁环形光学均可采用本实施例中方案。
31.如图2所示，当横向激励的频率fk与循环束的回旋频率f
rev
满足fk＝(n
±qx
)f
rev
时，循环束的横向振荡幅度逐渐增加。其中，n为任意整数，q
x
为工作点的小数部分。利用局部凸轨(3-bump或4-bump)或其他凸轨方式将循环束轨道凸起至薄膜材料处而发生电荷态改变，电荷态改变前/后束流的电荷与曲率半径分别为q1/q2与ρ1/ρ2，能量几乎保持不变，满足q1ρ1＝q2ρ2。循环束穿过薄膜材料电荷态会增加，即q2》q1，电荷态改变后粒子束在二极铁中的偏转半径小于改变前粒子束在二极铁中的偏转半径，即ρ2《ρ1，电荷态改变后的粒子束向偏转半径小的轨道方向上运动。通过调节薄膜材料与二极铁端面的距离，在二极铁出口处得到不同的分离高度电荷态改变前后的粒子束。离开二极铁端面的引出束可以进入内侧引出第一通道，或传输至下游外侧引出第二通道实现与同步加速器中分离。通常情况下，内侧与外侧引出通道应靠近轨道最大位置处，两者间相移差接近3/2π+n.2π(n为整数)。其中，薄膜的宽度方向x由水平发射度ε
x
、β
x
函数、色散函数d
x
与束流的动量分散δp/p决定，β
x
函数与色散函数d
x
是同步加速器光学的基本参数之一，宽度方向x的计算公式为：x＝sqrt(β
x
*ε
x
)+d
x
*δp/p。薄膜的高度方向y由垂直发射度与βy函数决定，βy函数是同步加速器光学的基本参数之一，高度方向y的计算公式为：y＝sqrt(β*ε)，其中，sqrt()为平方根函数。薄膜为碳膜或低原子序数的轻质有机物膜，该薄膜的厚度通常为10ug/cm2～100ug/cm2。本实施例中，薄膜设置在薄膜的支撑框架上，支撑框架具有一定强度且质量轻的塑料框，该塑料框可以为四边形，或圆形，或其他任意形状，与薄膜形状相配合。
32.本实施例中，第一通道与第二通道包括静电偏转板、水平切割铁、垂直切割铁或真空管道，引出的粒子束从同步加速器水平方向或垂直方向引出并传输至终端。通过控制横向激励电场的强度与局部凸轨的上升时间可以得到毫秒至秒量级的宽范围准连续慢引出束，根据实验终端对离子注量率的不同需求，可以快速调节引出束流时间，满足离子辐照实验和应用的需求。
33.实施例二
34.基于相同的发明构思，本实施例公开了另一种利用电荷态改变的直接激励引出系统，如图3所示，包括：二极铁、四极铁、直流流强探测器dcct、高速加速腔体、横向激励装置、薄膜和凸轨磁铁；二极铁为六个，六个二极铁组成循环轨道，粒子束在循环轨道中运动；第一个二极铁的下游依次设置直流流强探测器dcct和第二个四极铁，四极铁用于调节工作点位置，使其靠近共振线；直流流强探测器dcct，用于监测粒子束的直流流强。第二个四极铁下游设置第二个二极铁，第二个二极铁和第三个二极铁之间依次设置高速加速腔体和第三个四极铁；高速加速腔体设置在第三四极铁的上游，用于对粒子束进行加速；粒子束从第三个二极铁和第四个二极铁之间注入，该粒子束注入点下游设置第四个四极铁；第四个二极
铁和第五个二极铁之间依次设置横向激励装置和第五个四极铁；横向激励装置，用于横向激励共振粒子使其横向振荡振幅增加；第五个二极铁和第六个二极铁之间依次设置第一个凸轨磁铁、第二个凸轨磁铁和第六个四极铁；薄膜放置于直线节用于改变粒子束的分离高度，使电荷态发生改变的粒子从第一通道或第二通道引出。第六个二极铁和第一个二极铁之间依次设置第三个凸轨磁铁、第四个凸轨磁铁和第一个四极铁，该第一通道设置在第三个凸轨磁铁上，第二通路穿过第四个凸轨磁铁、第一个四极铁和第一个二极铁，从第一个二极铁的输出端引出。同步加速器或ffag或其他任意类型加速器可采用常温或超导方案，任意数量的二极铁环形光学均可采用本实施例中方案。需要说明的是，薄膜也可以设置在除了二极铁以外的其他磁铁内。其中，凸轨磁铁可以为校正铁或bump铁，但不以此为限。
35.如图4所示，粒子受激发的过程与第一种情况相同，利用局部凸轨(3-bump或4-bump)直接将循环束凸起至薄膜处。若循环粒子束穿过薄膜后电荷态变化大，则电荷态改变的粒子经过下游的凸轨磁铁时受到踢角作用，与循环粒子束产生大的分离高度，并通过第一通道引出；若循环粒子束穿过薄膜后电荷态变化小，在通过下游的凸轨磁铁后分离高度小，使其传输至下游的二极铁处，以产生足够的分离高度，并通过第二通道引出，最终从同步加速器完全引出。
36.第一通道与第二通道包括静电偏转板、水平切割铁、垂直切割铁、真空管道或是它们间的相互组合方案，引出的粒子束从同步加速器水平方向或垂直方向引出并传输至终端。本实施例通过控制横向激励电场的强度与局部凸轨的上升时间可以得到毫秒至秒量级的宽范围准连续慢引出束，根据实验终端对离子注量率的不同需求，可以快速调节引出束流时间，满足离子辐照实验和应用的需求。
37.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。