本實用新型屬于回旋加速器領(lǐng)域，具體涉及一種增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁聚焦力的芯柱結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

在經(jīng)典回旋加速器中，為了補(bǔ)償相對論效應(yīng)帶來的粒子質(zhì)量的增大，需要平均磁場隨著半徑逐漸增大。但這會導(dǎo)致磁場在軸向上的散焦。在等時性回旋加速器中通過峰區(qū)-谷區(qū)交替的磁極結(jié)構(gòu)引入了沿著方位角調(diào)變的磁場，從而引入額外的軸向聚焦力。超導(dǎo)回旋加速器是采用超導(dǎo)勵磁線圈的等時性回旋加速器。在超導(dǎo)回旋加速器的中心區(qū)，由于磁場高度飽和，磁場沿著方位角的調(diào)變度非常小，磁場調(diào)變帶來的軸向磁聚焦作用弱于磁場沿徑向增大帶來的軸向磁散焦作用，因此在軸向上磁力是散焦的。為此，一般在加速器中心區(qū)通過增加谷區(qū)磁鐵的辦法在中心區(qū)平均磁場上增加一個小凸包，當(dāng)粒子經(jīng)過小凸包的下降沿時軸向上受到較強(qiáng)的磁聚焦力。但是，磁場小凸包也有負(fù)面作用，那就是這損害了原來磁場的等時性，增大了中心區(qū)粒子加速高頻滑相，粒子高頻場中得到的加速變小。粒子加速高頻滑相大小與磁場小凸包的徑向?qū)挾瘸烧取Ｈ绻⊥拱膹较驅(qū)挾忍?，甚至可能?dǎo)致粒子落到減速相位，得不到持續(xù)加速。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實用新型提供一種增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁聚焦力的芯柱結(jié)構(gòu)，能夠提高超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁場軸向聚焦力，減小中心區(qū)粒子加速高頻滑相，有效降低中心區(qū)的束流損失，提高中心區(qū)束流的接受度，從而提高從加速器引出的束流強(qiáng)度。

為達(dá)到以上目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：提供增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁聚焦力的芯柱結(jié)構(gòu)，芯柱結(jié)構(gòu)包括芯柱本體，該芯柱本體分為上下兩部分，下部分為圓柱形結(jié)構(gòu)，上部分為多個磁極谷區(qū)和多個磁極峰區(qū)循環(huán)交替結(jié)構(gòu)，每個磁極谷區(qū)方位角的磁環(huán)設(shè)成臺階狀。

進(jìn)一步，每個磁極谷區(qū)方位角的磁環(huán)設(shè)置2-4個臺階。

進(jìn)一步，每個磁極谷區(qū)方位角的磁環(huán)設(shè)置2個臺階，包括上臺階和下臺階，上臺階的外徑為50-100毫米、高度為100-200毫米，下臺階的外徑為80-160毫米、高度為100-200毫米。

進(jìn)一步，每個磁極峰區(qū)頭部表面兩側(cè)邊緣處設(shè)置倒角。

本實用新型的有益技術(shù)效果在于：

(1)本實用新型的芯柱結(jié)構(gòu)，將各磁極谷區(qū)內(nèi)方位角的磁環(huán)設(shè)計成臺階狀，峰值高、下降沿坡度大，從而解決超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁場軸向聚焦力差的問題，有效降低中心區(qū)的束流損失，提高中心區(qū)的束流接受度。

(2)本實用新型的芯柱結(jié)構(gòu)，在各磁極峰區(qū)頭部表面兩側(cè)邊緣處設(shè)置倒角，通過修改倒角的寬度和角度，從而解決了粒子加速高頻滑相大的問題。

附圖說明

圖1是本實用新型芯柱結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型芯柱結(jié)構(gòu)的軸向剖視圖；

圖3是圖2中沿B-B的剖視圖；

圖4是具有倒角的芯柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實用新型有臺階狀磁環(huán)和現(xiàn)有技術(shù)無臺階狀磁環(huán)粒子運動軌跡的曲線圖；

圖6是本實用新型有臺階狀磁環(huán)與現(xiàn)有技術(shù)無臺階狀磁環(huán)粒子軸向振蕩振幅的對比圖。

圖中：

1-磁極峰區(qū) 2-上臺階 3-下臺階 4-芯柱本體

5-磁極谷區(qū) 6-倒角

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本實用新型的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

如圖1-3所示，是本實用新型提供的增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁聚焦力的芯柱結(jié)構(gòu)，其包括芯柱本體4，該芯柱本體4分為上下兩部分，下部分為圓柱形結(jié)構(gòu)，上部分為多個磁極谷區(qū)5和多個磁極峰區(qū)1循環(huán)交替結(jié)構(gòu)，每個磁極谷區(qū)5方位角的磁環(huán)設(shè)成臺階狀，這樣，磁場峰值高，下降沿坡度大。由此，本實用新型的增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁聚焦力的芯柱結(jié)構(gòu)，通過將磁環(huán)設(shè)計成臺階狀，從而增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)軸向磁聚焦力，有效降低中心區(qū)的束流損失，提高中心區(qū)束流的接受度。

本實用新型磁環(huán)可設(shè)置2個臺階，2個臺階包括上臺階2和下臺階3，上臺階2的外徑為50-100毫米、高度為100-200毫米，下臺階3的外徑為80-160毫米、高度為100-200毫米，通過靈活調(diào)節(jié)上臺階和下臺階的外徑和高度，實現(xiàn)峰值高和下降沿坡度大的特征。需要說明的是，如果上述兩個臺階的結(jié)構(gòu)仍然不能提供足夠的磁聚焦力，也可以在上臺階2和下臺階3之間再增加1個臺階或2個臺階，將兩臺階結(jié)構(gòu)變?yōu)槿_階結(jié)構(gòu)或四臺階結(jié)構(gòu)，從而滿足使用的要求。另外，臺階狀磁環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足回旋加速器所要求的等時性磁場。

如圖4所示，如果上述臺階狀磁環(huán)結(jié)構(gòu)不能滿足回旋加速器所要求的等時性磁場，則可以通過在每個磁極峰區(qū)1頭部表面兩側(cè)邊緣處設(shè)置倒角6，通過修改每個磁極頭部的倒角大小和角度，可微調(diào)磁場分布，從而減小中心區(qū)粒子加速高頻滑相，增大粒子能量增益，滿足回旋加速器等時性磁場的要求。

下面以一臺引出粒子能量為230兆電子伏超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器為例，對具體實施方式作進(jìn)一步描述。

如圖1所示，增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁聚焦力的芯柱結(jié)構(gòu)芯柱結(jié)構(gòu)有四個磁極峰區(qū)1和四個磁極谷區(qū)5，在超導(dǎo)回旋加速器初期設(shè)計中，芯柱本體4上部對應(yīng)磁極谷區(qū)5方位角的結(jié)構(gòu)設(shè)計為沒有臺階的等厚度圓柱環(huán)結(jié)構(gòu)；為了增大磁場下降沿的坡度及磁場聚焦力，在優(yōu)化設(shè)計中將超導(dǎo)回旋加速器的芯柱本體4頭部對應(yīng)磁極谷區(qū)5方位角的結(jié)構(gòu)設(shè)計為由上臺階2和下臺階3組成的不等厚度臺階狀結(jié)構(gòu)，臺階狀磁環(huán)的外徑和高度通過計算得到。另外，把加速器主磁鐵的中心部分，即芯柱本體和其他磁鐵部分分開加工，通過精調(diào)芯柱本體的輪廓結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)所需的中心區(qū)磁場臺階形狀。

通過實驗，將臺階狀磁環(huán)和無臺階狀磁環(huán)獲得的兩條曲線進(jìn)行比較，有臺階狀磁環(huán)的幅值更高，下降沿坡度更大，如圖5所示，橫坐標(biāo)為半徑R(cm)，縱坐標(biāo)Bavg(KGauss)為磁場強(qiáng)度。對初始旁軸粒子進(jìn)行跟蹤，得到的在最初20圈的粒子軸向運動軌跡，兩條曲線進(jìn)行比較，有臺階狀磁環(huán)的軸向振蕩振幅是無臺階狀磁環(huán)的軸向振蕩振幅的三分之一，如圖6所示，橫坐標(biāo)turn為圈數(shù)，縱坐標(biāo)Z(cm)為高度。

本實用新型的增強(qiáng)超導(dǎo)回旋加速器中心區(qū)磁聚焦力的芯柱結(jié)構(gòu)并不限于上述具體實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案得出其他的實施方式，同樣屬于本實用新型的技術(shù)創(chuàng)新范圍。