[发明专利]一种粒子加速器能量选择与分析系统

说明书

本发明涉及一种粒子加速器能量选择与分析系统，该系统由一个降能器、两个能量分析狭缝、两块二极磁铁、若干四极磁铁和一个束流强度探测器组成。两个能量分析狭缝位于第一块二极磁铁两侧，通过调节四极磁铁的强度，令粒子通过两个能量分析狭缝间的传输段时，其位置变化与粒子的初始散角无关；两块二极磁铁呈45度对称放置；降能器有若干档位，可将入射粒子能量调节至应用所需范围。能量分析狭缝宽度可调，可通过调节两个能量分析狭缝的宽度实现能量的精确选择。本发明基于固定能量加速器实现了特定能量的选择与分析，以及能量分辨率和束流强度的动态调节，在需要能量精确可调的粒子加速器领域有广泛的应用价值。

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，具体涉及一种粒子加速器的能量选择与分析系统。

背景技术

在粒子加速器技术领域，回旋加速器和直线加速器引出的粒子能量通常是固定的，同步加速器往往也有一个最低引出能量，而物理实验或其他应用中常常希望引出的粒子能量和束流强度是可调的，而且能量分散性要尽可能小，即能量精度尽可能高。

为改变粒子能量，常采用一种利用粒子与物质相互作用损失能量原理实现的被动降能装置。当粒子通过这种被动降能装置时，虽然实现了能量调节，但很多束流参数也会变差。例如，束流的强度会降低，束流的能量分散性会增加，束流的发射度也会增大。当用户(如物理实验或放射性治疗等应用中)对束流有很高的能量精度要求时，为调节这些束流参数以满足用户需要，特别是控制束流能量的分散性，实现能量的精确选择，需要建立一种束流能量选择与分析系统。

国家发明专利CN106211535A提出了一种有效控制降能器后质子束流发射度的装置和方法，该装置由两个圆孔型准直器和一个转盘式降能器组成，优点是结构比较紧凑，但由于准直孔直径是固定的，无法灵活调节所需的能量分散度。

国家发明专利CN107018619A提出了一种紧凑型质子束流能量和能散度控制结构，该结构的核心是一个能量选择狭缝，通过调节狭缝的孔径控制能量分散度。该方法的缺点是没有对经过降能器的束斑横向尺寸进行控制，无法确定狭缝处的束流宽度，而且进入该结构的粒子散角也会影响狭缝处的束斑横向尺寸，因此这种方法无法直接通过狭缝宽度得出所需的能量分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一个能量分析精度精确可调的粒子加速器能量选择与分析系统。

束流能量分析系统通常由能量分析狭缝和分析磁铁等元件构成。根据束流传输理论，粒子从一个位置传输到另外一个位置，其水平方向的位置关系为：

x₂＝R₁₁x₁+R₁₂x′₁+Dδ (1)

其中，其中x₁和x₂是两个纵向位置处粒子的横向坐标，x₁′是第一个位置处粒子在水平方向(X方向)上的散角，R₁₁和R₁₂为从第一个位置到第二个位置之间的2×2传输矩阵的元素，D为第一个位置到第二个位置的色散函数(即6×6传输矩阵中的R₁₆)，δ为粒子相对中心能量的动量分散(与能量分散一一对应)。

若在上述两个位置放置两个能量分析狭缝，并且通过优化两个能量分析狭缝间几块四极磁铁的强度和位置，使得R₁₂＝0，从而消除散角的影响。此时，能量选择系统的分辨率δ可以写成：

在上式中，R₁₁和D取决于两个狭缝间四极铁和二极铁的位置和强度，在设计确定后一般是不变的。x₁取决于第一个狭缝的宽度，x₂取决于第二个狭缝的宽度。因此，只要调节两个狭缝的宽度就可直接得到所需的能量分辨率。在实际调束工作中一般是通过固定x₁，调节x₂实现的。