一种用于中能超导回旋加速器束流对中调节方法与流程

本发明属于超导回旋加速器技术领域，尤其涉及一种用于中能超导回旋加速器束流对中调节方法。

背景技术：

在回旋加速器中，为了保持加速过程中粒子轨迹半径的稳定增长，要求束流在加速区具有很好的径向对中性，即需要最小化束流的径向进动，避免相干振荡的发生。领域内传统的方案是合理设计中心区的电极结构、离子源的位置和开口以及注入线上束流传输件的参数保证束流在加速区的径向对中，最终的径向对中结果很依赖中心区设计的准确性，加速器中心区调试的周期较长。

在磁场中加入一次谐波可以在达到调节束流对中的目的，同时对其他束流动力学结果影响很小，一次谐波可由成对的磁场调节棒产生。在束流调试中，并不知道调节对中所需要的一次谐波的幅值和相位，也就是并不知道对应束流对中效果最好的一次谐波的幅值和相位的磁场调节棒的高度是多少。常规方法采用一个幅值分别对应所有相位方法进行调整，例如磁场调节棒的幅值范围是0到30高斯，从1高斯1度开始，记录1高斯1度的所有调节棒的高度，然后用径向靶测量1高斯1度调节棒高度下的流强曲线，再分析1高1度流强曲线的对中效果；照此方法再实验1高斯2度，记录1高斯2度的所有调节棒的高度，然后用径向靶测量1高斯2度调节棒高度下的流强曲线，再分析1高斯2度下流强曲线的对中效果，一直到1高斯360度的流强都测量完毕，再从2高斯1度循环进行，一直到30高斯的1度-360度，显然，用这种方法调整束流对中费时费力。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于中能超导回旋加速器束流对中调节方法，目的在于解决采用常规方法调整束流对中耗时过长的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

一种用于中能超导回旋加速器束流对中调节方法，该中能超导回旋加速器包括以90度为间隔布设在加速器圆周上的四组磁极，每组磁极包括上磁极和下磁极，上磁极和下磁极之间为中心平面，中心平面到上下磁极的距离相等；每组磁极上还布设有一对磁场调节棒，它们分别布设在该组磁极的上磁极和下磁极上，每对上下对称的磁场调节棒用于通过调整它们之间的间隙调整磁场；其特征在于：所述束流对中调节方法包括以下步骤：

步骤一、建立不同磁场调节棒高度下产生一次谐波的所有幅值和所有相位的对照表；所述不同磁场调节棒高度即为中心平面到上磁极或下磁极上的磁场调节棒的距离不等；所述所有幅值为磁场调节棒幅值范围内的所有幅值；所述所有相位为0到360度范围内的所有相位；

步骤二、到步骤一对照表中查找设定幅值、不同相位的一次谐波所对应的所有磁场调节棒的高度，并将当前所有磁场调节棒的高度调整到上述查表所得的各个高度，分别使用径向靶测量该高度下对应的流强曲线的振幅，找到振幅最小时的一次谐波相位所述设定幅值为磁场调节棒调节范围内的幅值、且设定幅值为调节棒调节范围内能够明显产生一次谐波的幅值。

步骤三、到步骤一对照表查找相同相位不同幅值的一次谐波所对应的所有磁场调节棒高度，所述相同相位既是步骤二找到的振幅最小时的一次谐波相位并将当前所有磁场调节棒的高度调整到上述查表所得的各个高度，分别使用径向靶测量该高度下对应的流强曲线的振幅，找到振幅最小时的一次谐波幅值b1；

步骤四、将步骤二、步骤三产生相位为幅值为b1的一次谐波对应的各个磁场调节棒高度作为产生束流对中效果最好的一次谐波的各个磁场调节棒的高度。

所述步骤二和步骤三的振幅最小既是指数条流强曲线中束流对中效果最好的那条曲线的振幅，称之为振幅最小。

所述步骤二、步骤三用径向靶测量流强曲线的方法：

⑴设定径向靶移动轨迹；

该移动轨迹为加速器某个磁极范围内的一条直线，该直线延长线可以通过加速器中心、也可以不同过加速器中心；

⑵沿着该轨迹移动径向靶；

⑶径向靶经过轨迹上每个半径；

⑷在每个半径测出流强曲线的一个点；

⑸将所有点连接起来即为一条流强曲线。

所述步骤二、步骤三径向靶测量流强的轨迹为同一条轨迹。

本发明的优点效果

1、在加速器调试过程中，束流非对中大小是无法测量的，通过径向靶测量的流强曲线振幅可以反映束流非对中的相对大小，即流强曲线振幅较小的束流对中情况更好。所以需要测量不同磁场调节棒高度下的流强曲线，找到所有磁场调节棒高度组合下流强曲线振幅的最小值点。本发明中先固定一次谐波幅值，找到振幅最小时的一次谐波相位；再固定一次谐波相位，找到振幅最小时的一次谐波幅值。不需要尝试所有磁场调节棒的高度组合，减小了所需测量次数，极大地提高了效率。同时，加速器调试过程中无法测量磁场，无法得到调整磁场调节棒高度后产生的一次谐波。所以使用有限元软件计算不同磁场调节棒高度组合下产生的一次谐波。

2、本发明克服了传统的偏见：巧妙地利用了不同幅值最好近似相位相等特性，用一个幅值找到的最好相位代替多个幅值找到的最好相位，从而大大简化了束流对中调试过程，同时还利用了最好相位虽然相同但由于幅值不同束流非对中效果不同的特性，从束流对中的最好相位中找到非对中效果最好的幅值，从而准确地找到了调节对中所需要的一次谐波的幅值和相位以及相关磁场调节棒的高度，本发明这种一次谐波相位寻找方法是目前没有人做过的，具有突出的实时性特点。

附图说明

图1为加速器和径向靶结构示意图；

图2为径向靶流强曲线；

图3为磁场调节棒示意图；

图4a为一次谐波幅值不同、但最好相位近似相等示意图；

图4b为一次谐波相位相同、幅值不同、非对中效果不同示意图；

图中标号：1-磁极；2-径向靶；2-1:径向靶运动轨迹；3-束流运动轨迹，4-回旋加速器主体，5-磁场调节棒。

具体实施方式

本发明设计原理

1、调整束流对中就是调整磁场。如图1所示，四组磁极安装后磁场就是固定不变的，如果调整磁场必须采用磁极以外的方法，本发明采用在每组磁极上安装磁场调节棒。由于磁场调节棒是上下对称布设在每组磁极上的，调整它的高度就是调整上下调节棒之间的距离、距离越近则磁场越强。本发明将所有调节棒高度一起调整。由于四组磁场调节棒构成0到360的周期，粒子在加速器旋转一圈也是0到360度，所以调整磁场调节棒的高度也要按照整个周期调整，也就是四组一起调整。

2、本发明最终目的是找到一种简单快捷的方法调整束流对中。具体方法是用一个幅值代替所有的幅值找到最好的相位，再用最好的相位找到不同幅值中最好的幅值。相比现有技术提高功效几十倍。

首先建立一个对照表，该对照表记载从1高斯到30高斯的每个高斯从1度到1到360度所对应的磁场调节棒的高度。

巧妙借用不同幅值最好相位近似相等的特性：这个特性是经过反复试验总结出的规律：磁场调节棒调节范围内的某个幅值，如果它在某个相位取得束流对中最好效果或在某个相位流强振幅最小，则这个范围内其它幅值也在这个相位束流对中效果最好或流强振幅最小。如图4a所示，三条幅值不同的曲线，幅值分别为：10高斯、20高斯、30高斯，这三个幅值的曲线均在大约60度相位获得束流对中最好的效果，也就是大约均在60度相位其非对中值最低。所述磁场调节棒范围内的幅值是能够明显产生磁场一次谐波的幅值，0度幅值几乎不能产生谐波，幅值越高产生的一次谐波越大，一般10高斯到30高斯的幅值可以明显产生一次谐波。

利用不同幅值最好相位近似相等的特性，只要在10-30高斯中任选一个幅值找到束流对中效果最好的相位，便可代替这个范围所有幅值找到的束流对中效果最好的相位。假设采用10高斯的幅值，从对照表中找到10高斯1度、10高斯2度，一直到10高斯360度所对应的磁场调节棒的高度，一共找到360组调节棒的高度，然后用径向靶测量360组调节棒高度下的磁场束流对中效果，找出束流对中最好的一个相位此为权利要求1步骤二的任务。

从最好相位区间的三条曲线中找出纵坐标值最小的一个。如图4a所示，虽然三条曲线大约都在60度相位束流最终效果最好，但每条曲线在60度相位区间的纵坐标最小值是不等的，其中的最小值才是束流对中效果最好的幅值b1。此为权利要求1步骤三的任务。

当完成了步骤三，从大约60度相位的若干个最小值中找到最低值的时候，这个最低值对应的幅值就是束流对中效果最好的幅值。到此为止找到了束流对中效果最好的一次谐波的相位和幅值，同时记录束流对中效果最好的一组磁场调节棒的高度。此为权利要求1步骤四的任务。

基于以上发明原理，本发明设计了一种用于中能超导回旋加速器束流对中调节方法。

一种用于中能超导回旋加速器束流对中调节方法，该中能超导回旋加速器如图1所示包括以90度为间隔均匀布设在加速器4圆周上的四组磁极1，每组磁极1包括上磁极和下磁极，上磁极和下磁极之间为中心平面，中心平面到上下磁极的距离相等；如图3所示，每组磁极上还布设有一对上下对称的磁场调节棒5，它们分别布设在该组磁极的上磁极和下磁极上，每对上下对称的磁场调节棒5用于通过调整它们之间的间隙调整磁场；其特征在于：所述束流对中调节方法包括以下步骤：

步骤一、建立不同磁场调节棒高度下产生一次谐波的所有幅值和所有相位的对照表；所述不同磁场调节棒高度即为中心平面到上磁极或下磁极上的磁场调节棒的距离不等；所述所有幅值为磁场调节棒幅值范围内的所有幅值；所述所有相位为0到360度范围内的所有相位；

步骤二、到步骤一对照表中查找设定幅值、不同相位的一次谐波所对应的所有磁场调节棒5的高度，并将当前所有磁场调节棒5的高度调整到上述查表所得的各个高度，分别使用径向靶2测量该高度下对应的流强曲线的振幅，找到振幅最小时的一次谐波相位所述设定幅值为磁场调节棒调节范围内的幅值、且设定幅值为调节棒5调节范围内能够明显产生一次谐波的幅值。

补充说明：如图4a所示，横坐标为相位，纵坐标为束流非对中值，束流非对中值越小说明对中效果越好，从图4a看出，幅值不同的三条曲线当横坐标大约60度相位时纵坐标的非对中值最低，也就是束流对中效果最好。

步骤三、到步骤一对照表查找相同相位不同幅值的一次谐波所对应的所有磁场调节棒高度，所述相同相位既是步骤二找到的振幅最小时的一次谐波相位并将当前所有磁场调节棒的高度调整到上述查表所得的各个高度，分别使用径向靶2测量该高度下对应的流强曲线的振幅如图2所示，找到振幅最小时的一次谐波幅值b1；

补充说明：

图4a画出了3条幅值曲线一个幅值在大约60度相位时的束流对中效果最好，每条曲线都在大约60度相位时取得该条曲线的纵坐标最小值，但三个最小值的大小是不等的：当幅值为20高斯时，纵坐标非对中值的最小值相对最小也就是对中效果最好；当幅值为30高斯时，纵坐标非对中值的最小值最大也就是对中效果最差；

图4b是图4a相同相位(60度)不同幅值(10g、20g、30g)对比以后的结果：从图4b看出，当横坐标大约20高斯(幅值)时纵坐标的非对中值最低，也就是束流对中效果最好。图4b横坐标为一次谐波幅值，纵坐标为束流非对中值，束流非对中值越小说明对中效果越好，

步骤四、将步骤二、步骤三产生相位为幅值为b1的一次谐波对应的各个磁场调节棒高度作为产生束流对中效果最好的一次谐波的各个磁场调节棒的高度。

补充说明：

当步骤三完成以后磁场调节棒的高度才是实现束流对中效果最好的磁场调节棒的高度，此时的磁场调节棒的高度才有意义。步骤二虽然找到最小相位，但此时所对应的磁场调节棒高度没有意义，因为步骤二找到最小相位时所对应的磁场调节棒的高度不是一个高度而是多个高度：凡是满足在大约60度相位时具有非对中最小值的调节棒的高度都在这个范围内，但是并不知道多个高度中哪一个高度对应的幅值才是非对中值最低的幅值。

所述步骤二和步骤三的振幅最小既是指数条流强曲线中束流对中效果最好的那条曲线的振幅，称之为振幅最小。

所述步骤二、步骤三用径向靶测量流强曲线的方法：

⑴设定径向靶移动轨迹；

该移动轨迹为加速器某个磁极范围内的一条直线，该直线延长线可以通过加速器中心、也可以不同过加速器中心；

⑵沿着该轨迹移动径向靶；

⑶径向靶经过轨迹上每个半径；

⑷在每个半径测出流强曲线的一个点；

⑸将所有点连接起来即为一条流强曲线。

所述步骤二、步骤三用径向靶测量流强的轨迹为同一条轨迹。

补充说明：

如图1所示，2-1为径向靶的运动轨迹，步骤二、步骤三径向靶必须在同一条轨迹上测量才是准确的，如果步骤二、步骤三径向靶的轨迹不同则会因为计算口径不同而产生测量的错误。

实施例一

第一步、使用有限元软件计算不同磁场调节棒高度组合下的磁场，通过傅里叶分析计算对应的一次谐波幅值和相位，具体调节方式见专利调节方式见专利“一种用于回旋加速器的插针式磁场同步调节装置”。加速器调试过程中若想产生特定幅值和相位的一次谐波，可根据此步骤的计算结果找到需要的磁场调节棒的高度组合。

第二步、径向靶可以测量束流流强，连续移动图1中的径向靶测量不同位置处的流强，得到流强随半径变化的曲线。如图2所示，该曲线振荡的振幅与束流对中好坏有关，对中情况越好振幅越小。加速器调试过程中，可以选择流强曲线振荡最大的区间测量，如图2中半径40cm至60cm范围(不同加速器存在差异)，通过该部分判断束流对中好坏，而不必测量所有半径下的流强。

第三步、调整图3中磁场调节棒的高度产生一次谐波，移动径向靶测量流强曲线，得到流强曲线振荡振幅。多次改变磁场调节棒的高度，并根据第一步的结果只改变一次谐波的相位而不改变一次谐波的幅值，重复测量找到使流强曲线振幅最小的一次谐波相位如图4a所示，束流径向非对中大小与一次谐波的相位有关，且存在唯一相位使束流径向非对中达到最小值，即流强曲线振幅达到最小值。图4a中可见此最小值也为唯一极小值，所以加速器调试过程中获得极小值后即可完成此步骤的测量，不需遍历所有一次谐波相位。此步骤中要求一次谐波相位的精度为5°。

第四步、继续调整磁场调节棒的高度测量流强曲线，并将一次谐波的相位固定为只改变一次谐波的幅值。如图4b所示，同样存在唯一的一次谐波幅值b1使束流径向非对中达到最小值，即流强曲线振幅最小，并且此最小值也为唯一极小值。记录此一次谐波幅值b1，调试中要求一次谐波幅值的精度为1g。

第五步、调整磁场调节棒的高度产生相位为幅值为b1的一次谐波，完成束流对中调节。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。