[发明专利]一种圆型加速器中实现高能等时性和工作路径稳定的方法

说明书

本发明公开了一种圆型加速器中实现高能等时性和工作路径稳定的方法，包括以下步骤：步骤一、根据注入能量、中间能量、引出能量和加速器尺寸范围要求，采用两扇正向磁铁的单元周期结构，设计满足等时性的回旋加速器整体结构；步骤二、在每个周期单元的两个正向磁铁间，插入相同形状的反向磁铁；步骤三、调节正向磁铁和反向磁铁的磁场；步骤四、调整磁铁的螺旋角。本发明在圆型加速器中引入了反向磁铁和螺旋角，在实现等时性的同时，稳定加速器在高能时的工作路径，避免了传统回旋加速器中工作路径不稳定带来的整数共振穿越问题，从而在加速器中实现高能连续束流的引出，解决目前圆型加速器束流难以达到多个MW以上的技术困难。

技术领域

本发明属于加速器技术领域，尤其涉及一种圆型加速器中实现高能等时性和工作路径稳定的方法。

背景技术

高功率质子束应用在多个重要的核技术应用领域：例如乏燃料后处理、先进核能系统的材料辐射损伤、军民两用同位素研发等国民经济领域、以及在中子和介子科学、中微子和暗物质等基础研究领域，均有巨大的应用潜力。圆型加速器是输出高功率质子束流的主要装置之一，其引出质子束流的功率P＝E×I×f,其中E为质子能量，I为质子脉冲流强,f为质子束流的重复频率、即单位时间内输出质子脉冲束流的个数。圆型加速器中影响重复频率和质子能量的主要有以下两项物理特性：等时性和工作路径的稳定性。满足等时性的加速器可以实现MHz以上的束流重复频率、即连续束流引出，而工作路径稳定可以避免共振的穿越，有利于控制束流品质，减小束流损失，这点对高功率圆型加速器十分关键。

目前的圆型加速器主要有回旋加速器和同步加速器，回旋加速器满足等时性，引出质子束流的重复频率达到MHz以上，即输出连续束，但这种回旋加速器存在一个缺点：由于径向工作点tune值υ_r主要由弱聚焦项决定，质子能量达到1GeV以上时，回旋加速器将穿越整数共振υ_r＝2带来大量束流损失,因而无法实现更高能量粒子的加速；同步加速器必须同时调节磁场和高频频率，因为磁场可调节，工作路径保持稳定，避免共振穿越，可以实现高能束流的引出，但由于磁场调节过程较慢，因而只能输出脉冲束，引出束流平均流强低。根据目前的技术水平，虽然目前世界上最高功率的圆型加速器可达到1MW以上，但输出多个MW以上的束流面临巨大的困难。

综上所述，现有技术回旋加速器虽然满足等时性要求，但当实现更高能量粒子的加速时，将会产生共振穿越和工作路径不稳定问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种圆型加速器中实现高能等时性和工作路径稳定的方法，目的在于解决当回旋加速器实现更高能量粒子的加速时，为了保证等时性，将会产生工作路径不稳定、进而穿越整数共振的问题。

本发明为解决其技术问题，采用以下技术方案：

一种圆型加速器中实现高能等时性和工作路径稳定的方法，其特点是：包括以下步骤：

步骤一、根据注入能量、中间能量、引出能量和加速器尺寸范围要求，采用两扇正向磁铁的单元周期结构，设计满足等时性的回旋加速器整体结构；

步骤二、在每个周期单元的两个正向磁铁间，插入相同形状的反向磁铁；

步骤三、调节正向磁铁和反向磁铁的磁场；

步骤四、调整磁铁的螺旋角。

所述步骤一的设计满足等时性的回旋加速器整体结构，具体为：对应注入能量、中间能量和引出能量范围内每个能量的粒子，对应每条轨道上的平均磁场满足：

其中，γ为与粒子能量相关的相对论因子，B₀为与加速器整体磁场相关的一不变常数。

所述步骤三的调节正向磁铁和反向磁铁的磁场，具体为：计算注入、中间和引出能量的平衡轨道，对三条平衡轨道上磁铁上的磁场均作如下调整：