本發(fā)明屬于回旋加速器設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)Vr等于1共振處磁剛度的方法。

背景技術(shù)：

在回旋加速器中，粒子所能達(dá)到的最終能量由磁剛度決定，磁剛度標(biāo)明了彎轉(zhuǎn)半徑的值和在該半徑上的磁場強(qiáng)度，磁剛度是粒子動(dòng)能的函數(shù)，可表達(dá)為公式(1)：

$B\·\mathrm{\ρ}=\frac{1}{300Z}{\[k^2+2k\·E_0\]}^{1/2}---\left(1\right)$

式中Z為粒子的電荷態(tài)，k為動(dòng)能(MeV)，E₀為靜止能量(MeV)。

根據(jù)回旋加速器的等時(shí)性原理，有

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

式中B_center是中心磁場，c為光速，ω₀為粒子回旋頻率，r為回旋半徑。給定磁場與回旋頻率B_center、ω₀，由公式(2)可以給出理論等時(shí)場。根據(jù)公式(2)，回旋加速器等時(shí)性磁場隨半徑遞增。

等時(shí)性回旋加速器的自由振蕩頻率近似表達(dá)式為：

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

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

式中調(diào)變度F由下式?jīng)Q定：

$F=1-\frac{\<B^2\>}{\<B{\>}^2}=\frac{\mathrm{\α}\·(1-\mathrm{\α})\·{(B_{hill}-B_{valley})}^2}{{(\mathrm{\α}\·B_{hill}+(1-\mathrm{\α})\·B_{valley})}^2}---\left(5\right)$

其中，<B>＝α·B_hill+(1-α)·B_valley(6)

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，一般來說，B_hill＞B_valley。<B>為半徑r處的平均磁場。為了避免徑向震蕩頻率共振導(dǎo)致的束流損失，對(duì)于中能回旋加速器，磁極的葉片數(shù)N≥4，因此(4)式近似為公式(7)：

$v_r^2=1-n---\left(7\right)$

式中

由公式(1)可知，當(dāng)加速的粒子種類確定(即粒子的電荷態(tài)Z，粒子靜止能量E₀確定)，粒子所能加速到的最大動(dòng)能由回旋加速器的磁剛度決定。由(8)式知，當(dāng)回旋加速器平均磁場不再增加即附近的磁剛度最大，帶入到(7)式中得到v_r＝1附近磁剛度最大，即回旋加速器磁極大半徑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。

傳統(tǒng)技術(shù)中，為了增加徑向震蕩頻率v_r＝1共振附近的磁剛度，或者需要增加磁極角寬度(根據(jù)公式(6))，減小谷區(qū)角寬度；或者需要增加磁極半徑。但通常前者會(huì)導(dǎo)致谷區(qū)高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，高頻腔體品質(zhì)因數(shù)下降；后者會(huì)導(dǎo)致引出系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難，引出電壓過高。最終都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)加速器性能下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在不增加磁極角寬度(不影響高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì))，不增加磁極半徑(不影響引出系統(tǒng)設(shè)計(jì))的條件下，增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，進(jìn)而提高回旋加速器最大加速能量。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，包括如下步驟：

(1)利用現(xiàn)有的回旋加速器設(shè)計(jì)方法給出符合中能回旋加速器束流動(dòng)力學(xué)要求的初步磁鐵設(shè)計(jì)方案；

(2)以步驟(1)的初步磁鐵設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，在不改變磁極半徑以及不增加勵(lì)磁電流的情況下，將中能超導(dǎo)回旋加速器的低溫恒溫器筒體部分非導(dǎo)磁材料改為導(dǎo)磁材料；

(3)利用有限元模型優(yōu)化計(jì)算中能超導(dǎo)回旋加速器的低溫恒溫器筒體外筒壁導(dǎo)磁材料的高度和/或內(nèi)筒壁導(dǎo)磁材料的高度和/或恒溫器導(dǎo)磁材料的壁厚和/或恒溫器內(nèi)筒壁距離中能超導(dǎo)回旋加速器磁極邊緣的距離，并適當(dāng)減小步驟(1)的初步磁鐵設(shè)計(jì)方案中的超導(dǎo)主磁鐵磁極角寬度，使得計(jì)算得到的磁場分布滿足等時(shí)性的條件。

進(jìn)一步，如上所述的增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，其中，步驟(1)中所述的現(xiàn)有的回旋加速器設(shè)計(jì)方法包括公知的磁場計(jì)算程序及粒子跟蹤程序的計(jì)算方法，或者利用回旋加速器等時(shí)性理論及束流聚焦理論的計(jì)算方法。

進(jìn)一步，如上所述的增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，其中，步驟(2)中所述的導(dǎo)磁材料為電工純鐵或低碳鋼導(dǎo)磁材料。

更進(jìn)一步，如上所述的增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，其中，步驟(2)中將低溫恒溫器筒體的內(nèi)筒壁上部、外筒壁上部改為導(dǎo)磁材料。

進(jìn)一步，如上所述的增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，其中，在步驟(3)優(yōu)化計(jì)算過程中，有限元模型的優(yōu)化對(duì)象優(yōu)先選擇內(nèi)筒壁導(dǎo)磁材料的高度和外筒壁導(dǎo)磁材料的高度。

更進(jìn)一步，如上所述的增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，其中，在步驟(3)優(yōu)化計(jì)算過程中，存在多種內(nèi)筒壁導(dǎo)磁材料的高度和外筒壁導(dǎo)磁材料的高度的參數(shù)組合給出的磁場都滿足等時(shí)性條件，應(yīng)利用粒子跟蹤程序輸出不同參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的徑向震蕩頻率v_r＝1處的磁剛度，比較并選擇徑向震蕩頻率v_r＝1處的磁剛度盡量大的參數(shù)組合。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明將中能超導(dǎo)回旋加速器的低溫恒溫器筒體部分材料改為電工純鐵或低碳鋼導(dǎo)磁材料，通過計(jì)算確定低溫恒溫器筒體導(dǎo)磁材料與非導(dǎo)磁材料的尺寸，從而使得粒子跟蹤程序輸出的徑向震蕩頻率v_r＝1處的磁剛度最大。本發(fā)明可以在不增加加速器尺寸、不增加勵(lì)磁電流的情況下獲得更高的加速能量。

附圖說明

圖1為超導(dǎo)回旋加速器的低溫恒溫器筒體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為低溫恒溫器采用部分導(dǎo)磁材料的平均磁場沿著半徑的分布與恒溫器不采用導(dǎo)磁材料的平均磁場比較示意圖。

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。

本發(fā)明所提供的一種增強(qiáng)中能超導(dǎo)回旋加速器引出區(qū)v_r＝1共振處磁剛度的方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)回旋加速器現(xiàn)有的公知設(shè)計(jì)方法，譬如，利用本領(lǐng)域公知的磁場計(jì)算程序及粒子跟蹤程序計(jì)算給出，或者利用回旋加速器等時(shí)性理論及束流聚焦理論(公式(1)-(8))估算給出符合中能回旋加速器束流動(dòng)力學(xué)要求的初步磁鐵設(shè)計(jì)方案；

(2)以步驟(1)的初步磁鐵設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，在不改變磁極半徑以及不增加勵(lì)磁電流的情況下，將中能超導(dǎo)回旋加速器的低溫恒溫器筒體部分非導(dǎo)磁材料(如304不銹鋼或鋁)改為電工純鐵或低碳鋼導(dǎo)磁材料；如圖2所示，改變的部位包括低溫恒溫器筒體的內(nèi)筒壁上部2、外筒壁上部3；

(3)利用有限元模型優(yōu)化計(jì)算中能超導(dǎo)回旋加速器的低溫恒溫器筒體外筒壁導(dǎo)磁材料3的高度和/或內(nèi)筒壁導(dǎo)磁材料2的高度和/或恒溫器導(dǎo)磁材料的壁厚和/或恒溫器內(nèi)筒壁距離中能超導(dǎo)回旋加速器磁極邊緣1的距離，并適當(dāng)減小步驟(1)的初步磁鐵設(shè)計(jì)方案中的超導(dǎo)主磁鐵磁極角寬度，使得計(jì)算得到的磁場分布滿足如公式(2)所示的等時(shí)性的條件。

在優(yōu)化過程中，恒溫器導(dǎo)磁材料的壁厚(圖1中W1，W2，W3)的取值還必須考慮到恒溫器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，恒溫器內(nèi)筒壁距離中能超導(dǎo)回旋加速器磁極邊緣的距離dR的取值也必須考慮恒溫器與磁鐵的配合，因此，有限元模型優(yōu)化過程主要優(yōu)化的對(duì)象是內(nèi)筒壁導(dǎo)磁材料的高度和外筒壁導(dǎo)磁材料的高度；優(yōu)化過程中，存在多種內(nèi)筒壁導(dǎo)磁材料的高度和外筒壁導(dǎo)磁材料的高度的參數(shù)組合給出的磁場都滿足等時(shí)性條件，應(yīng)利用粒子跟蹤程序輸出不同參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的徑向震蕩頻率v_r＝1處的磁剛度，比較并選擇徑向震蕩頻率v_r＝1處的磁剛度盡量大的參數(shù)組合。

實(shí)施例

以某中能超導(dǎo)回旋加速器為例，選擇恒溫器內(nèi)筒壁上部和外筒壁上部采用的導(dǎo)磁材料16Mn鋼，圖1中，H1＝70mm，H2＝H，W1＝W2＝W3＝30mm，dR＝5mm，平均磁場沿著半徑的分布與恒溫器不采用導(dǎo)磁材料的平均磁場比較見圖2所示。圖中虛線恒溫器加導(dǎo)磁材料情況，v_r＝1處的磁剛度2.44T·m遠(yuǎn)大于無導(dǎo)磁材料情況(圖中實(shí)線)磁剛度最大2.19T·m。

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)。