[发明专利]高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器

说明书

本发明公开了高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器，属于强流质子回旋加速器电磁场特性、电场分布测量技术领域；本发明测量方法为：强流负氢离子束产生过程的测量；强流负氢离子束传输过程的测量；强流负氢离子束注入过程的测量；强流负氢离子束加速过程的测量；强流负氢离子束引出过程的测量；本发明还公开了基于高精密电磁组合测量方法的紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，本测量方法贯穿了强流负氢离子产生、传输、强注入、加速、引出全过程，通过主磁铁组件与高频子系统、注入引出子系统、双层密封真空室的等系统整体集成过程中安装、组合、调试各环节配合技术，解决了从束流注入、到加速、到引出各环节束流损失问题。

技术领域

本发明属于强流质子回旋加速器电磁场特性、电场分布测量技术领域，具体涉及一种高精密电磁组合测量方法及基于该方法的负氢回旋加速器。

背景技术

紧凑型高平均流强负氢回旋加速器是指的加速离子种类为负氢（H^-）的连续波等时性紧凑型回旋加速器，加速器引出的最终平均束流流强200μA以上。紧凑型高平均流强负氢回旋加速器，可以产生强流质子束、打靶产生高通量中子和放射性核束（RIB）以用于国防核技术、核物理基础与核技术应用研究，如核数据测量、辐射物理、中子物理、核结构、材料科学与生命科学等，是核科学技术领域开展基础和应用研究的重要平台。

紧凑型高平均流强负氢回旋加速器是一个非常庞大的电磁装置组合系统，其工作基础就是要对组成回旋加速器的各个电磁装置进行电变量和磁变量的精确测量以及电磁组合的高精密测量。负氢回旋加速器最终要产生负氢和质子等带电粒子束流，其束流信号本身就是一个大小为μA量级的弱电信号，束流流强大小的测量实质上就是对弱电信号的直接测量。负氢回旋加速器的最终要达到的性能指标，就是要依靠高精密电磁组合的测量来保证的。

紧凑型高平均流强负氢回旋加速器核心组件中高频、真空、离子源注入线、剥离引出等与主磁铁的安装调试配合技术以达到最终的高平均流强束流，则要求束流从注入、到加速、到引出各个环节的电磁装置组合、匹配、高精密测量，在组合匹配过程中遇到几大挑战：

其一、实现基于同轴同心的以加速器主磁铁磁体形成的磁场均匀性和对称性是实现高平均流强的束流注入、加速和引出的难点之一。同轴同心是指离子源注入轴线与主磁铁轴线同轴、以及主磁铁中心与加速器中心的中心点重合。由于带电粒子是在磁场和电场共同作用下作回旋运动，为使高平均流强紧凑型负氢回旋加速器能够连续提供200μA以上的强流质子束，需要给带电粒子提供高度均匀对称的磁场，但均匀对称的磁场在加工和安装调试过程中实现起来非常困难。由于主磁铁为8块，上下各4块分在两个平面布设，8块磁铁其中任何一个尺寸高低不同或半径不同都会出现组合以后在轴向和同心度方面大于0.1mm的误差，而误差超出范围最终导致磁场非均匀和非对称，而非均匀和非对称的磁场将会明显降低加速和引出的束流流强。现有技术一般采用8块磁铁批量生产以后再进行组装的常规方法，但是该方法到目前为止始终没有一个成功案例。解决这个难点的测量，涉及到通过霍尔效应器件来测量磁场的分布，测量主磁铁磁体形成的磁场均匀性和对称性。

其二、加速器多场耦合紧凑区域内的中心区与离子源注入线6D相空间束流匹配技术，这是实现综合调试获得200μA以上的高平均流强束流的难点之二。多场耦合紧凑区域内的中心区D相空间束流匹配是由产生强流负氢离子源产生的高亮度负氢离子束流分别与纵向相空间的高频聚束器匹配、横向聚焦力的螺线管透镜和三单元四极透镜匹配、纵向和横向深度耦合的螺旋形静电高压偏转板匹配、回旋加速器中心区静态磁场等效的6D相空间稳定区之间的6D相空间匹配技术来共同协调组合完成的。解决这个难点的测量，涉及到中心区电磁场特性的测量；基于霍尔效应器件（或者探头）测量匹配磁场；通过X射线探测法进行中心区电场的电场分布测量；进行螺旋形静电高压偏转板的电压测量和电压分布测量；通过频谱测量装置测量聚束器的高频频率和回旋加速器的高频频率；通过核磁共振仪测量主磁场的磁场变化；通过弱信号电流测量方法进行束流强度的测量。