本發(fā)明屬于回旋加速器設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

根據(jù)回旋加速器的等時(shí)性原理，有

$B_0\left(r\right)=B_{center}\mathrm{\γ}\left(r\right)=B_{center}\sqrt{\frac{c^2}{c^2-{\left({\mathrm{\ω}}_{0}r\right)}^2}}---\left(1\right)$

式中，B_center是中心磁場(chǎng)，c為光速，ω₀為粒子回旋頻率，r為回旋半徑。給定磁場(chǎng)與回旋頻率B_center、ω₀，由公式(1)可以給出理論等時(shí)場(chǎng)。根據(jù)公式(1)，回旋加速器等時(shí)性磁場(chǎng)隨半徑遞增。

等時(shí)性回旋加速器的自由振蕩頻率近似表達(dá)式為：

$v_z^2=n+\frac{N^2}{N^2-1}\·F\·(1+2{\tan }^2\mathrm{\ξ})---\left(2\right)$

$v_r^2=1-n+\frac{3\·N^2}{(N^2-1)\·(N^2-4)}\·F\·(1+2{\tan }^2\mathrm{\ξ})---\left(3\right)$

式中調(diào)變度F由下式?jīng)Q定：

$F=1-\frac{\<B^2\>}{\<B{\>}^2}=\frac{\mathrm{\α}\·(1-\mathrm{\α})\·{(B_{hill}-B_{valley})}^2}{{(\mathrm{\α}\·B_{hill}+(1-\mathrm{\α})\·B_{valley})}^2}---\left(4\right)$

其中，<B>＝α·B_hill+(1-α)·B_valley (5)

α為磁極所占的比例，B_hill、B_valley分別為中心平面上峰區(qū)與谷區(qū)的磁場(chǎng)，一般來說，B_hill＞B_valley。<B>為半徑r處的平均磁場(chǎng)。為了避免共振導(dǎo)致的束流損失，對(duì)于引出230MeV質(zhì)子的中能回旋加速器，磁極的葉片數(shù)N≥4，因此(3)式近似為(6)式：

$v_r^2=1-n---\left(6\right)$

式中

由(7)式知，當(dāng)回旋加速器平均磁場(chǎng)不再增加即時(shí)近的磁剛度最大，帶入到(6)式中得到v_r＝1附近磁剛度最大，即v_r＝1共振附近的磁剛度體現(xiàn)了回旋加速器最大加速能量的大小，通常等時(shí)性回旋加速器選擇在v_r＝1半徑之后引出，以便充分利用導(dǎo)向磁場(chǎng)。這時(shí)，由于回旋加速器平均磁場(chǎng)隨半徑遞增到峰值后開始下降，引出點(diǎn)的磁場(chǎng)已經(jīng)處在平均磁場(chǎng)隨半徑下降的區(qū)域。由(7)式可知，引出點(diǎn)附近n＞0，而且隨著平均磁場(chǎng)下降速度變快，n迅速變大。由(2)式可知，在引出點(diǎn)前有可能穿越v_z＝1的共振。在引出點(diǎn)前穿越v_z＝1的共振會(huì)造成軸向束流品質(zhì)變差。

為了降低引出點(diǎn)前軸向共振頻率v_z，根據(jù)(2)式，需要減小引出點(diǎn)前小區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)降落指數(shù)n；或者減小引出點(diǎn)前小區(qū)域內(nèi)調(diào)變度F；或者減小引出點(diǎn)前小區(qū)域內(nèi)螺旋角ξ。但減小場(chǎng)降落指數(shù)n意味著增加磁極半徑，會(huì)導(dǎo)致引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，引出電壓過高；局部小區(qū)域內(nèi)調(diào)變度F變化非常緩慢無法滿足局部變小的要求；減小引出點(diǎn)前小區(qū)域內(nèi)螺旋角ξ，會(huì)導(dǎo)致磁極凸出側(cè)輪廓在引出區(qū)附近出現(xiàn)急劇的反折角，直接加工難以保證加工出引出區(qū)所需的磁極輪廓線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)，在不增加磁極半徑(不影響引出系統(tǒng)設(shè)計(jì))的條件下，降低引出點(diǎn)前軸向共振頻率v_z，避免在引出點(diǎn)前穿越v_z＝1的共振。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)，在磁極凸出側(cè)輪廓處開設(shè)圓滑過渡的缺口，采用與磁極同材質(zhì)的導(dǎo)磁材料墊塊在所開設(shè)的磁極凸出側(cè)缺口位置配合安裝；所述導(dǎo)磁材料墊塊的內(nèi)表面與磁極的凸出側(cè)缺口緊配合；導(dǎo)磁材料墊塊的外表面輪廓的前后端與磁極的凸出側(cè)缺口前后的輪廓圓滑過渡，并形成避免引出區(qū)有害共振所需的反折角。

進(jìn)一步，如上所述的230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)，其中，對(duì)于單個(gè)磁極，所述的導(dǎo)磁材料墊塊是一個(gè)整體單件，或者是分拆為可拼接的多個(gè)配件的組合。

進(jìn)一步，如上所述的230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)，其中，所述的導(dǎo)磁材料墊塊通過螺栓與磁極的凸出側(cè)缺口固定連接。

進(jìn)一步，如上所述的230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)，其中，對(duì)于擁有多個(gè)磁極的回旋加速器，在每一個(gè)磁極的凸出側(cè)輪廓處開設(shè)圓滑過渡的缺口，缺口設(shè)置的導(dǎo)磁材料墊塊的形狀和尺寸相同。

進(jìn)一步，如上所述的230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)，其中，通過加工所述導(dǎo)磁材料墊塊的外表輪廓形狀來精細(xì)調(diào)節(jié)引出區(qū)的磁場(chǎng)。

本發(fā)明的有益效果如下：采用本發(fā)明的方案，在回旋加速器的磁場(chǎng)測(cè)量與墊補(bǔ)時(shí)，可以通過機(jī)加工導(dǎo)磁材料墊塊的外表面輪廓來局部精細(xì)調(diào)節(jié)引出區(qū)的磁場(chǎng)，避免對(duì)整個(gè)磁極加工的難度，改善束流在引出區(qū)的共振。本發(fā)明在不增加磁極半徑(不影響引出系統(tǒng)設(shè)計(jì))的條件下，降低引出點(diǎn)前軸向共振頻率v_z，避免在引出點(diǎn)前穿越v_z＝1的共振，防止由該共振造成的引出束流軸向品質(zhì)變差，減小引出區(qū)的束流損失，進(jìn)而減小加速器維護(hù)人員所受的輻照劑量。

附圖說明

圖1為230MeV超導(dǎo)回旋加速器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)墊補(bǔ)磁極后磁場(chǎng)及粒子跟蹤計(jì)算的結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

230MeV超導(dǎo)回旋加速器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中5為磁極，呈螺旋形，這是本領(lǐng)域的公知技術(shù)。如圖2所示，本發(fā)明采用磁極墊補(bǔ)的方式解決束流在引出區(qū)共振的問題，所提供的230MeV超導(dǎo)回旋加速器避免引出區(qū)有害共振的磁極結(jié)構(gòu)如下：在磁極1凸出側(cè)輪廓處開設(shè)圓滑過渡且容易加工的缺口3，采用與磁極1同樣材質(zhì)的導(dǎo)磁材料墊塊2對(duì)磁極進(jìn)行墊補(bǔ)，通過螺栓4將導(dǎo)磁材料墊塊2與磁極1的凸出側(cè)缺口4配合安裝。導(dǎo)磁材料墊塊2的內(nèi)表面與磁極1的凸出側(cè)缺口3緊密配合；導(dǎo)磁材料墊塊2的外表面輪廓的前后端與磁極1的凸出側(cè)缺口3前后的輪廓圓滑過渡，并形成避免引出區(qū)有害共振所需的反折角。導(dǎo)磁材料墊塊2可以設(shè)計(jì)為滿足上述要求的任意形狀，可以通過機(jī)加工導(dǎo)磁材料墊塊的外表面輪廓來局部精細(xì)調(diào)節(jié)引出區(qū)的磁場(chǎng)。

對(duì)于單個(gè)磁極1，導(dǎo)磁材料墊塊2可以是整體單件；也可以分拆為可拼接的多個(gè)配件的組合，多個(gè)配件拼接配合安裝在磁極1的凸出側(cè)缺口4，組合后的墊塊整體應(yīng)滿足上述與磁極的凸出側(cè)缺口緊密配合且圓滑過渡的結(jié)構(gòu)要求。

一般來說，對(duì)于擁有多個(gè)磁極的回旋加速器，在每一個(gè)磁極的凸出側(cè)輪廓處開設(shè)圓滑過渡且容易加工的缺口，所有磁極的導(dǎo)磁材料墊塊2的形狀和尺寸應(yīng)當(dāng)一致。

實(shí)施例

以某中能超導(dǎo)回旋加速器為例。該加速器有四個(gè)磁極葉片，磁極半徑R＝860mm。根據(jù)磁場(chǎng)計(jì)算，為了避免引出點(diǎn)前穿越v_z＝1的共振，從磁極半徑r＝810mm開始出現(xiàn)反折角。從磁極半徑r＝770mm開始，磁極凸出一側(cè)的輪廓設(shè)計(jì)加工缺口，增加導(dǎo)磁材料墊塊。磁極缺口處輪廓以及與其配合的導(dǎo)磁材料墊塊的內(nèi)表面輪廓為圓弧，圓弧半徑R為70mm，大于加工磁極所需的刀具半徑(42mm)，便于加工；導(dǎo)磁材料墊塊的外表面輪廓的反折角θ為110度，經(jīng)過磁場(chǎng)及粒子跟蹤計(jì)算，由圖3計(jì)算結(jié)果表明，采用這樣的磁極缺口處輪廓以及與其配合的導(dǎo)磁材料墊塊尺寸，在出引出區(qū)之前，都可以使得v_z＜1，避免了v_z＝1的有害共振。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。