本發(fā)明屬于回旋加速器設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的束流引出方法。

背景技術(shù)：

100-300MeV中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器在核醫(yī)學(xué)、航天軍工和核物理基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于常溫質(zhì)子回旋加速器而言，超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器具有結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行功率損耗小的優(yōu)點(diǎn)。其中，束流引出效率是此類加速器的核心指標(biāo)之一。引出過程中損失的粒子打在加速器磁鐵、高頻腔等其它部件上，會(huì)影響部件的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)加速器活化會(huì)使加速器保持較高的輻照劑量水平，不利于加速器發(fā)生故障后進(jìn)行維修。特別是超導(dǎo)線圈恒溫器內(nèi)壁，長(zhǎng)時(shí)間遭受束流轟擊可能導(dǎo)致?lián)p壞，從而影響加速器的超導(dǎo)性，對(duì)加速器帶來重大影響。

靜電偏轉(zhuǎn)板是質(zhì)子回旋加速器中常用的束流引出方法。采用靜電偏轉(zhuǎn)電壓向粒子施加向外的作用力，使粒子脫離加速區(qū)進(jìn)入邊緣場(chǎng)區(qū)域，邊緣磁場(chǎng)快速下降，導(dǎo)致粒子最終偏轉(zhuǎn)入加速器磁軛孔內(nèi)引出。由于靜電偏轉(zhuǎn)板受到打火擊穿的限制，產(chǎn)生的靜電高壓往往在60-100kV左右，對(duì)粒子的偏轉(zhuǎn)力有限。粒子在經(jīng)過偏轉(zhuǎn)后，還有長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在邊緣磁場(chǎng)區(qū)域受到負(fù)磁場(chǎng)梯度的徑向束流散焦作用。這時(shí)，往往可以在邊緣場(chǎng)區(qū)域加入大范圍的磁通道進(jìn)行束流徑向聚焦。即便如此，這種加速器的束流引出效率往往不高。比如，TBA C235質(zhì)子治療回旋加速器采用在谷區(qū)加入靜電偏轉(zhuǎn)板的方式，并在隨后的磁極邊緣場(chǎng)區(qū)域加入磁通道進(jìn)行聚焦，運(yùn)行時(shí)需要的偏轉(zhuǎn)電壓約為65kV，初期可達(dá)到的引出效率約為40％，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行優(yōu)化后，引出效率可達(dá)到60％。

束流的引出效率η＝引出束流流強(qiáng)I/內(nèi)部束流流強(qiáng)×100％。導(dǎo)致引出效率低的主要原因來自兩方面。引出效率η與最后一圈引出軌道的間隔直接相關(guān)，軌道間隔小會(huì)造成較多離子撞在切割板上損失。要想達(dá)到較高的引出效率，必須使用軌道間距明顯大于切割板的厚度，這就要求有較高的電壓。而偏轉(zhuǎn)板在過高電壓情況下容易發(fā)生擊穿，偏轉(zhuǎn)板可耐高壓是受到空間、材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等限制的。其次，束流在引出路徑上的匹配也對(duì)束流引出效率有重要影響，束流在運(yùn)行過程中發(fā)生聚散焦，粒子往往損失在束流包絡(luò)過大的位置上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前常用的中能質(zhì)子回旋加速器中導(dǎo)致引出效率低的問題，提供一種可實(shí)現(xiàn)引出效率大于80％的中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的束流引出方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的束流引出方法，包括如下步驟：

(1)計(jì)算加速器的靜態(tài)平衡軌道，找到徑向振蕩頻數(shù)υ_r＝1的半徑位置，在該半徑位置附近放置一次諧波，調(diào)節(jié)一次諧波振幅幅值和相位，使圈間距盡量分離的同時(shí)保證分離后的束流包絡(luò)盡量小，確定最佳的一次諧波分布；

(2)在緊鄰的兩個(gè)磁極峰區(qū)各放置一個(gè)靜電偏轉(zhuǎn)板，第一個(gè)靜電偏轉(zhuǎn)板入口放置在兩圈束流之間，調(diào)節(jié)靜電偏轉(zhuǎn)板曲率半徑，使靜電偏轉(zhuǎn)板形狀與束流軌跡形狀匹配良好，調(diào)節(jié)兩個(gè)靜電偏轉(zhuǎn)板電壓，使束流正好從磁鐵引出孔引出；

(3)在引出偏轉(zhuǎn)板后的中心粒子軌跡上，逐一加入若干個(gè)小型磁通道，調(diào)節(jié)磁通道的尺寸和磁場(chǎng)梯度，直到徑向和軸向束流包絡(luò)的聚焦良好；

(4)重新調(diào)整靜電偏轉(zhuǎn)板電壓，并調(diào)節(jié)各個(gè)磁通道的位置使束流從磁通道中心通過，反復(fù)調(diào)整直到束流正好能夠從磁鐵引出孔引出。

進(jìn)一步，如上所述的中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的束流引出方法，步驟(1)中所述的圈間距的表達(dá)式如下：

Δr＝Δr_seo+Δx sin(2πn(v_r-1))+2π(v_r-1)x cos(2πn(v_r-1))

式中，r為粒子在回旋加速器中的徑向位置，r_seo為平衡軌道半徑，v_r為徑向振蕩頻數(shù)，x為徑向振蕩振幅，Δx為相鄰兩圈徑向振蕩振幅的變化，n為束流的圈數(shù)；

Δr_seo為能量增益帶來的圈間距，第二項(xiàng)為共振使振蕩振幅增加帶來的圈間距，第三項(xiàng)為進(jìn)動(dòng)帶來的圈間距；

所述的進(jìn)動(dòng)帶來的圈間距與引入一次諧波的振幅與相位有關(guān)，根據(jù)多粒子跟蹤模擬確定最佳的一次諧波振幅和相位。

進(jìn)一步，如上所述的中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的束流引出方法，步驟(2)中所述的靜電偏轉(zhuǎn)板的電場(chǎng)由下式計(jì)算得到：

式中，q、E_k為粒子的電荷和動(dòng)能，ρ、分別為偏轉(zhuǎn)板的曲率半徑和角寬度，Δs為偏轉(zhuǎn)板出口處粒子的徑向偏移。

進(jìn)一步，如上所述的中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的束流引出方法，步驟(3)中所述的磁通道由三塊沿束流方向設(shè)置的鐵塊組成，其中一塊鐵塊朝向束流的表面積較大，另外兩塊鐵塊朝向束流的表面積較小，表面積較大的鐵塊位于束流的內(nèi)側(cè)，另外兩塊表面積較小的鐵塊位于束流的外側(cè)，所述的兩塊表面積較小的鐵塊呈上、下對(duì)稱布置，束流從三塊鐵塊形成的中間空隙通過。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明在傳統(tǒng)偏轉(zhuǎn)板和大型磁通道引出方法的基礎(chǔ)上，引入了一次諧波進(jìn)動(dòng)的方法增加引出圈間距，并結(jié)合超導(dǎo)回旋加速器的特點(diǎn)，采用多個(gè)小型無源磁通道，可進(jìn)行類似束流線設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行引出路徑上的束流相空間匹配，最大程序上減小偏轉(zhuǎn)板后的束流損失，最終的引出效率可達(dá)到80％以上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明束流引出方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明所采用的小型磁通道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為基于雙靜電偏轉(zhuǎn)板和多個(gè)磁通道的束流引出方法元件布局示意圖；

圖4為基于雙靜電偏轉(zhuǎn)板(ESD1-2)和6個(gè)磁通道(MC1-6)引出軌跡上的束流包絡(luò)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。

如圖1所示，本發(fā)明提出的中能超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的束流引出方法的流程如下：

首先，結(jié)合加速器磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用CYCLONE程序計(jì)算加速器的靜態(tài)平衡軌道，找到徑向振蕩頻數(shù)υ_r＝1的半徑位置，在該半徑位置附近放置一次諧波，分布函數(shù)如下：

其中，為一次諧波的相位，b(r-r₀)為一次諧波的振幅分布函數(shù)，r₀為一次諧波的中心位置，r為粒子在回旋加速器中的徑向位置。r由下式表示：

r＝r_seo+x sin(v_rθ)

r_seo為該能量對(duì)應(yīng)的平衡軌道半徑，v_r為徑向振蕩頻數(shù)，x為徑向振蕩振幅，(r，θ)為極坐標(biāo)下粒子的位置。對(duì)上式求微分，假定v_r≈1，可以得到第n圈的圈間距：

Δr＝Δr_seo+Δx sin(2πn(v_r-1))+2π(v_r-1)x cos(2πn(v_r-1))

上式中，Δx為相鄰兩圈徑向振蕩振幅的變化，Δr_seo為能量增益帶來的圈間距，第二項(xiàng)為共振使振蕩振幅增加帶來的圈間距，第三項(xiàng)則為進(jìn)動(dòng)帶來的圈間距。在超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器中，能量增益帶來的圈間距有限。由于等時(shí)性的要求，υ_r在加速過程中隨著半徑(能量)增加且大于1，直到接近磁極邊緣，υ_r逐漸下降。在υ_r＝1的半徑位置上加入一次諧波，激發(fā)束流徑向振蕩振幅，而在υ_r下降到約0.8時(shí)，可以產(chǎn)生較大的進(jìn)動(dòng)圈間距。

通過調(diào)節(jié)一次諧波振幅幅值和相位，使圈間距盡量分離的同時(shí)保證分離后的束流包絡(luò)盡量小，確定最佳的一次諧波分布。加速器中引入一次諧波可以采用調(diào)節(jié)線圈和調(diào)節(jié)棒的方法，這里不作特別要求。

其次，在緊鄰的兩個(gè)峰區(qū)各放置一個(gè)偏轉(zhuǎn)板，第一個(gè)偏轉(zhuǎn)板入口放置在兩圈束流之間，調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)板曲率半徑，使偏轉(zhuǎn)板形狀與束流軌跡形狀匹配良好，調(diào)節(jié)兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板電壓，使束流正好從磁鐵引出孔引出。

在束流經(jīng)過進(jìn)動(dòng)作用后，為了使粒子產(chǎn)生足夠的向外偏轉(zhuǎn)力，在磁極峰區(qū)和緊鄰的下一個(gè)磁極峰區(qū)各放置一塊靜電偏轉(zhuǎn)板。靜電偏轉(zhuǎn)板主要由接地切割板和負(fù)高壓電極組成，電極形狀為圓弧，曲率半徑設(shè)計(jì)為與束流軌跡最為匹配的形狀；束流入口處的切割板厚度要求小于0.2mm，盡量減小束流打在切割板上。靜電偏轉(zhuǎn)板的電場(chǎng)可由下式計(jì)算所得：

其中，q、E_k為粒子的電荷和動(dòng)能，ρ、分別為偏轉(zhuǎn)板的曲率半徑和角寬度，Δs為偏轉(zhuǎn)板出口處粒子的徑向偏移。越高的電壓可以使粒子最大程度上往外偏移，有利于引出。但偏轉(zhuǎn)板的耐壓能力受到真空環(huán)境、材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，加速器穩(wěn)定性要求偏轉(zhuǎn)板電壓一般要求小于70kV。

接下來，根據(jù)束流的散焦情況，在引出偏轉(zhuǎn)板后的中心粒子軌跡上，逐一加入小型磁通道，采用多粒子跟蹤的方式，調(diào)節(jié)磁通道的尺寸，改變磁場(chǎng)梯度大小，直到徑向和軸向束流包絡(luò)的聚焦良好。

在經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板后的束流軌跡上增加多個(gè)小型引出磁通道。由于超導(dǎo)加速器中的磁場(chǎng)較高，磁通道在磁場(chǎng)中很容易會(huì)產(chǎn)生磁化，因此磁通道可以是無源的，即不需要通電。磁通道在粒子軌跡附近產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以表示為：

B_z＝b+kx

其中，x為垂直于粒子軌跡的距離，b、k分別磁通道產(chǎn)生的二極和四極磁場(chǎng)分量。由于磁鐵完全飽和，小型磁通道僅對(duì)束流軌跡附近的磁場(chǎng)有影響，對(duì)主磁場(chǎng)的影響很小。因此，可以在引出軌跡上放置多塊小型磁通道，其作用類似于束流線上的四極透鏡，調(diào)節(jié)各個(gè)磁通道的尺寸和磁場(chǎng)梯度，優(yōu)化束流包絡(luò)，完成引出軌跡上的束流匹配，可以最大程度上提高束流的引出效率。

小型磁通道的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由三塊沿束流11方向設(shè)置的鐵塊組成，其中一塊鐵塊12朝向束流11的表面積較大，另外兩塊鐵塊13朝向束流11的表面積較小，表面積較大的鐵塊12位于束流的內(nèi)側(cè)，另外兩塊表面積較小的鐵塊13位于束流的外側(cè)，所述的兩塊表面積較小的鐵塊13呈上、下對(duì)稱布置，束流11從三塊鐵塊形成的中間空隙通過。為了使磁通道產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響足夠小并通過束流，要求該區(qū)域孔徑尺寸在5-7mm，磁通道的長(zhǎng)度為10mm-20mm，產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度范圍為1-5kGs/cm。小型磁通道的具體描述可參見申請(qǐng)人同期申請(qǐng)的專利“適用于200-250MeV超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器束流引出的超小型磁通道”。

采用小型磁通道的方式進(jìn)行聚束的實(shí)施例如圖3所示，圖中1為磁極，超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器的質(zhì)子由兩個(gè)靜電偏轉(zhuǎn)板2、3引出，在出口位置放置一個(gè)磁通道元件4，隨后在引出軌跡10上依次放置五個(gè)磁通道5、6、7、8、9進(jìn)一步聚束。由于磁通道很小，可以通過非導(dǎo)磁材料進(jìn)行封裝，固定在恒溫器內(nèi)壁上，安裝非常方便。

最后，由于磁通道不能完全等效為磁四極透鏡，其中還有二極分量，意味著磁通道不僅影響束流包絡(luò)，對(duì)束流軌跡也是有影響的，因此，加入磁通道調(diào)節(jié)完束流包絡(luò)后，依然要重新調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)板電壓使束流正好從磁軛引出孔內(nèi)引出。因此，束流包絡(luò)匹配是個(gè)迭代的過程，直到滿足所有要求(偏轉(zhuǎn)板電壓、引出軌跡和束流包絡(luò))的設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生。

實(shí)施例

下面介紹一個(gè)具體的實(shí)例，某超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器可引出240MeV的質(zhì)子束，采用四葉片螺旋扇結(jié)構(gòu)，磁極半徑為85cm。根據(jù)有限元模擬給出的磁場(chǎng)計(jì)算加速器的靜態(tài)束流動(dòng)力學(xué)，得到加速器υ_r＝1的位置為80.4cm，在r＝79cm位置加入一次諧波。調(diào)節(jié)一次諧波相位，發(fā)現(xiàn)當(dāng)一次諧波相位為135°時(shí)，引出束流圈間距較大，且引出后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)板的束流包絡(luò)可控。在緊鄰的兩個(gè)磁極峰區(qū)各放置一個(gè)偏轉(zhuǎn)板，偏轉(zhuǎn)板形狀和電壓設(shè)計(jì)成使束流恰好通過且損失最小。根據(jù)CYCLONE程序進(jìn)行多粒子跟蹤光學(xué)匹配，多次迭代的結(jié)果表明，該加速器需要6塊小型磁通道進(jìn)行聚束，完成匹配后的引出束流包絡(luò)如圖4所示。

完成設(shè)計(jì)后，從加速器中心區(qū)進(jìn)行大量粒子的跟蹤，結(jié)果表明，引出過程中每個(gè)偏轉(zhuǎn)板上的束流損失均小于10％，而通過偏轉(zhuǎn)板后由于束流匹配良好，幾乎沒有束流損失，束流引出效率可達(dá)80％以上。

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)。