一种四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角的方法

技术领域

本发明涉及一种四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角的方法，属于粒子束技术领域。

背景技术

高能电子束在加速器出口发射时的发射度一般为mm·mrad，即电子束半径在毫米量级，发散角在毫弧度量级，需要进行扩束及压缩发散角才能够进行远距离传输，进而应用于同步辐射光源产生或电子束辐照等。

电子束由于自身带负电，电荷之间会产生库伦力，推动电子束团半径迅速膨胀。分析表明，mm量级半径的电子束如果任由其自由扩散，其由于库伦力产生的发散角增量将会达到几个毫弧度量级，这也意味着电子束在传输1km以后，其半径将会增大至1米。一般情况下，高能电子束需要在储能环中长期连续运动，储能环周长通常达到百米以上，有的甚至达到公里量级。而储能环半径通常为几十厘米，因此，如果不能消除电子束库伦力的影响，电子束在极短的运行时间内就会打到储能环的内壁上，难以实现更进一步的能量保持，更无法实现同步辐射光源产生等重要应用。

加速器出口电子束发射时的发射度一般为mm·mrad，意味着毫米量级的束斑半径对应的初始发散角为毫弧度，如果不进行压缩，电子束在传输1km以后，其半径也将会增大至1米左右，电子束在极短的运行时间同样会打到储能环的内壁上，难以实现更进一步的能量保持。

当然，以上的分析结果的前提是假设储能环上没有任何束流控制装置，在实际应用中，储能环上有各类磁铁实现对电子束控制，但总的要求是进入储能环的电子发散角越小越好，通常需要控制在0.1mrad以内。此外，如果电子束用于外层空间探测，例如利用电子束产生X射线用于空间飞行器成像等，电子束的在外层空间的传输距离通常会达到百公里量级，如果不对电子束进行扩束及压缩发散角处理，则到达被探测目标处的束斑会达到几百米量级，电子通量密度将会大大下降，产生X射线的总积分能量将会非常弱，很难进行目标成像。

将电子束半径在极短距离内由毫米量级扩大至厘米量级，可以将库伦力的影响降低1～2个量级，带来的发散角增量控制在0.01mrad量级。将电子束初始发散角由1mrad量级压缩至0.1mrd量级，理论上电子束在传输1km距离时束斑可以由米级压缩至10厘米量级，大大增加了电子束的传输距离。

当前，最为普遍采用的扩散与压缩发散角方法为多组磁铁控制法，十几组磁铁组合控制，束线控制装置长度通常会达到十余米，结构复杂，调试效率低，不利于系统小型化。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角的方法，在米级长度以内实现电子束厘米量级扩束及10倍以上的发散角压缩，简化了现有的扩束及压缩发散角系统，为电子束未来空间探测应用奠定基础。

本发明的技术解决方案是：一种高能电子束扩束及压缩发散角系统，包括：

永磁铁模块，包括若干永磁铁，用于形成均匀磁场将输入电子束向正负X方向和正负Y方向扩束和电子发散角压缩；所述X方向和Y方向为永磁铁径向平面上相互垂直的方向；

电磁铁模块，用于通过控制电流大小，压缩入射电子束的发散角。

进一步地，所述永磁铁模块包括四块环形永磁铁；其中，

第一环形永磁体形成均匀磁场使输入电子束向正负X方向扩束；

第二环形永磁体使扩束后的X方向电子发散角压缩；

第三环形永磁体形成均匀磁场使电子束向正负Y方向扩束；

第四环形永磁体使扩束后的Y方向电子发散角压缩。

进一步地，所述电磁铁模块包括螺线管电磁铁和可控电流源及线圈绕制的环形电磁铁，用于进行X方向和Y方向电子束的发散角的压缩。

进一步地，所述环形电磁铁为通过电流控制的环形多极磁铁。

进一步地，所述螺线管电磁铁包括电流源、环形圆柱状永磁铁和电螺线管；

所述环形圆柱状永磁铁的励磁方向与束流传输方向一致；

电螺线管套在环形圆柱状永磁铁外，电螺线管连接电流源，用于将电子束的发散角由mrad量级压缩至0.1mrad以内。

进一步地，所述螺线管电磁铁沿束流传输方向的末端设有与螺线管电磁铁共形设计的环形流强测试线圈，用于测试出入射电子束的电流。

一种利用所述的一种高能电子束扩束及压缩发散角系统实现的束流扩大及压散角的方法，包括：

选择一个固定安装平面，设置用于测量扩束半径大小及扩束的均匀性的环形电流探测器；在距离加速器出口安装荧光靶，通过荧光靶测量电子束的发散角；

将永磁铁安装到位：围绕中心轴调整环形永磁铁的角度以及相邻永磁铁之间的间距，使X方向和Y方向电子束扩束达到第一预设量级；

将电磁铁模块安装到位：调整修正电磁铁模块磁场大小、围绕中心轴的角度以及与永磁铁之间的间距，将X方向和Y方向电子束扩束发散角调制成一致，并进行压缩至第二预设量级；

固定永磁铁和电磁铁模块的位置，构成电子束扩束及压缩发散角系统，同时将电子束扩束及压缩发散角系统置于磁屏蔽环境下，并与加速器连接。

进一步地，在所述电磁铁模块沿束流传输方向的末端设置与螺线管电磁铁模块共形设计的环形流强测试线圈，用于测试出入射电子束的电流。

进一步地，所述第一预设量级为若干个mrad量级，第二预设量级为0.1mrad量级以下。

进一步地，所述将电磁铁模块安装到位包括：

将环形电磁铁模块安装到位：调整修正电磁铁磁场大小、围绕中心轴的角度以及与相邻永磁铁的间距，将X方向和Y方向电子束扩束发散角调制成一致，并将束流发散角二次压缩至1mrad；

将螺线管电磁铁安装到位：调整修正螺线管电磁铁的磁场大小、围绕中心轴的角度以及与环形电磁铁的间距，将X方向和Y方向电子束扩束发散角压缩至0.1mrad以下。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)当前普遍采用的扩散与压发散角方法为多组磁铁控制法，十几组磁铁组合控制，束线控制装置长度通常会达到十余米，结构复杂，调试效率低，不利于系统小型化。本发明所提出的四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角系统可以在米级长度以内实现电子束厘米量级扩束及10倍以上的发散角压缩，组成结构简单，工作可靠，具有小型化、轻质量、调试效率高等特点；

(2)本发明首次将螺线管电磁铁应用于电子束发散角后压缩处理，具有冗余度高，调节范围大及电子束能散要求宽松的优点；

(3)本发明首次提出复合式永磁螺线管、电螺线管和束流刘强测试一体化设计，一方面大大降低了螺线管电磁铁的功耗、重量和尺寸，另一方面可实时监测通过电子束扩束及压缩发散角系统的电子束电流；

(4)本发明通过X/Y方向束流综合修正电磁铁模块及电磁螺线管联合控制电子束发散角大小，可以进行远程修正调节，为电子束设备未来空间应用奠定了技术基础。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角系统示意图；

图2为本发明的四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角方法实施过程的束流相空间图谱示意图

图3为本发明涉及到的螺线管电磁铁结构示意图；

图4为发明涉及到的测量设备荧光靶示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角的方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：

一种高能电子束扩束及压缩发散角系统，包括X方向扩束永磁铁及X方向束流修正永磁铁模块、Y方向扩束永磁铁及Y方向束流修正永磁铁模块、X/Y方向束流综合修正电磁铁模块及压缩发散角螺线管电磁铁模块等；

其中，所述X方向扩束永磁铁及X方向束流修正永磁铁模块有两块环形永磁体组成，第一块环形永磁体形成均匀磁场使电子束向正负X扩束，此时，电子发散角由初始mrad量级迅速扩大至百mrad量级，经过几十厘米的轴向漂移，X方向电子束半径扩大至cm量级；第二块永磁体使扩束后的X方向电子发散角迅速压缩，将发散角由百mrad量级压缩至几个mrad量级。

所述Y方向扩束永磁铁及Y方向束流修正永磁铁模块有两块环形永磁体组成，第一块环形永磁体形成均匀磁场使电子束向正负Y扩束，此时，电子发散角由初始mrad量级迅速扩大至百mrad量级，经过几十厘米的轴向漂移，Y方向电子束半径扩大至cm量级；第二块永磁体使扩束后的Y方向电子发散角迅速压缩，将发散角由百mrad量级压缩至几个mrad量级。

所述X/Y方向束流综合修正电磁铁模块由精密可控电流源及线圈绕制的环形电磁铁构成。电子束经过X方向扩束永磁铁及X方向束流修正永磁铁模块进行X方向扩束，经过Y方向扩束永磁铁及Y方向束流修正永磁铁模块进行Y方向扩束，此后束斑半径由mm量级扩大至cm量级，发散角理论上可以压缩至0.1mrad量级。但是，由于加工误差及装配误差，在几十厘米的距离内，电子束的发散角很难控制在1mrad以内，实际情况是经过扩束后电子束的发散角通常会达到几个mrad量级，此时需要利用X/Y方向束流综合修正电磁铁模块将电子束的发散角进一步压缩至mrad量级。

所述压缩发散角螺线管电磁铁模块由功率为几十～几百W的精密电流源、环形圆柱状环形螺线管、电螺线管和流强测试线圈构成，螺线管电磁铁的内部嵌入环形圆柱状的永磁铁，永磁铁励磁方向与束流传输方向一致，承担了螺线管电磁铁大部分的磁场强度，永磁铁的外部均匀缠绕金属丝，构成了一组电螺线管，通过控制励磁电流幅值可以精确调节磁场强度，从而获得所设计的磁场类型。流强测试线圈位于螺线管电磁铁的末端，外部缠绕单独的线圈，通过电磁感应原理，能够准确测量出入射电子束的流强。如前所述，电子束经过扩束后，发散角通常在几个mrad量级，利用X/Y方向束流综合修正电磁铁模块将电子束的发散角进一步压缩至mrad量级，仍然不能满足实际应用需求，压缩发散角螺线管电磁铁模块的作用是将电子束的发散角由mrad量级压缩至0.1mrad以内，工程上在米级距离上最优可达0.05mrad。

所述四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角方法，实现步骤如下：

(1)选择一个固定安装平面，在2米距离处设置环形电流探测器，分辨率可达mm量级，可以认为该探测器由从内到外一个个互相绝缘的金属环构成，每一金属环又分为上下(Y向)左右(X向)四个部分，四个部分是互相绝缘的，也即是说，通过一个环面即可以获取X正向、X负向、Y正向及Y负向四个方向的电流大小，通过一组环面即可对电子束在X方向及Y方向扩束半径进行测量，同时经过比对不同环面的电流大小，即可实现对电子束扩束均匀性进行分析。荧光靶的主要功能是测量扩束半径大小及扩束的均匀性；

(2)选择与上述环形电流探测器同一固定安装平面，在距离加速器出口10米距离处安装荧光靶，荧光靶的分辨率可达0.1mm量级，通过荧光靶测量电子束的发散角；

(3)将X方向扩束永磁铁安装到位，其中心轴线与加速器电子束出口共轴。调整环形扩束永磁铁的角度(围绕中心轴)，使X方向电子束扩束达到cm量级；将X方向束流修正永磁铁安装到位，其中心轴线与加速器电子束出口共轴，调整X方向修正永磁铁的角度(围绕中心轴)及与前面X方向扩束永磁铁的间距，将X方向电子束扩束发散角压缩至几个mrad量级；

(4)将Y方向扩束永磁铁安装到位，其中心轴线与加速器电子束出口共轴。调整环形扩束永磁铁的角度(围绕中心轴)及与前面X方向修正永磁铁的间距，使Y方向电子束扩束达到cm量级；将Y方向束流修正永磁铁安装到位，其中心轴线与加速器电子束出口共轴，调整Y方向修正永磁铁的角度(围绕中心轴)及与前面Y方向扩束永磁铁的间距，将Y方向电子束扩束发散角压缩至几个mrad量级；

(5)将X/Y方向束流综合修正电磁铁模块安装到位，其中心轴线与加速器电子束出口共轴。调整修正电磁铁磁场大小、角度(围绕中心轴)及与前面Y方向修正永磁铁的间距，将X/Y方向电子束扩束发散角压缩至mrad量级；

(6)将压缩发散角螺线管电磁铁模块安装到位，其中心轴线与加速器电子束出口共轴。调整修正电螺线管的磁场大小、角度(围绕中心轴)及与前面X/Y方向束流综合修正电磁铁的间距，将X/Y方向电子束扩束发散角压缩至0.1mrad以下。

(7)所有磁铁组调整到位以后，进行位置固定，同时将整个扩束压发散角装置置于磁屏蔽环境下，系统与加速器连接，实现cm量级的扩束及10倍以上的发散角压缩。

在本申请实施例所提供的方案中，本发明针对当前高能电子束加速器出口电子束束斑直径小及初始发散角较大问题，在深入调研了现有电子束扩束及压缩发散角技术基础上，提出了一种固定环形磁铁组与螺线管电磁铁相结合实现扩束及压发散角的新方法：通过一组X方向扩束永磁铁及X方向束流修正永磁铁实现X方向电子束扩束及发散角修正；通过一组Y方向扩束永磁铁及Y方向束流修正永磁铁实现Y方向电子束扩束及发散角修正；通过X/Y方向束流综合修正电磁铁模块实现电子束发散角的进一步压缩，通过螺线管电磁铁最终将电子束的发散角压缩至0.1mrad量级。

如图1所示，本发明提出一种高能电子束扩束及压缩发散角系统，包括X方向扩束永磁铁及X方向束流修正永磁铁模块、Y方向扩束永磁铁及Y方向束流修正永磁铁模块、X/Y方向束流综合修正电磁铁模块及压缩发散角电螺线管模块等。

1)X方向扩束永磁铁及X方向束流修正永磁铁模块

该模块分为X方向扩束永磁铁和X方向束流修正永磁铁两个部分。X方向扩束永磁铁置于整个系统的最前端，实现电子束X方向扩束，将电子束束斑在X方向由mm量级扩大到cm量级；X方向束流修正永磁铁置于X方向扩束永磁铁后端，实现电子束大发散角压缩修正，将电子束X方向发散角由百mrad量级压缩至几个mrad量级；

2)Y方向扩束永磁铁及Y方向束流修永正磁铁模块

该模块分为Y方向扩束永磁铁和Y方向束流修正永磁铁两个部分。Y方向扩束永磁铁置于X方向束流修正永磁铁后端，实现电子束Y方向扩束，将电子束束斑在Y方向由mm量级扩大到cm量级；Y方向束流修正永磁铁置于Y方向扩束永磁铁后端，实现电子束大发散角压缩修正，将电子束Y方向发散角由百mrad量级压缩至几个mrad量级；

3)X/Y方向束流综合修正电磁铁模块

X/Y方向束流综合修正电磁铁模块由精密可控电流源及线圈绕制的环形电磁铁构成。该模块置于Y方向束流修正永磁铁的后端。电子束经过X方向扩束永磁铁及X方向束流修正永磁铁模块进行X方向扩束及压缩发散角，经过Y方向扩束永磁铁及Y方向束流修正永磁铁模块进行Y方向扩束及压缩发散角，由于加工误差及装配误差，在几十厘米的距离内，电子束的发散角通常会达到几个mrad量级，利用X/Y方向束流综合修正电磁铁模块将电子束的发散角进一步压缩至mrad量级。

4)压缩发散角螺线管电磁铁模块

述压缩发散角螺线管电磁铁模块由功率为几百瓦的精密电流源、环形圆柱状永磁铁、电螺线管和流强测试线圈构成，螺线管电磁铁内部嵌入环形圆柱状的永磁铁，其外壁均匀缠绕金属丝。该模块位于X/Y方向束流综合修正电磁铁模块后端，其作用是将电子束的发散角由mrad量级压缩至0.1mrad以内，工程上在米级距离上最优可达0.05mrad。在螺线管电磁铁的末端配置有独立的绕制线圈，通过电磁耦合原理，可以实现对入射电子束流强的精确测试。

如图2所示，一种四极磁铁与螺线管组合实现束流扩大及压散角方法，实施步骤如下：

(1)选择一个固定安装平面，在2米距离处设置环形电流探测器(图3)，该探测器的主要功能是测量扩束半径大小及扩束的均匀性；在距离加速器出口10米距离处安装荧光靶(图4)，通过荧光靶测量电子束的发散角；

(2)将X方向扩束永磁铁安装到位。调整环形扩束永磁铁的角度(围绕中心轴)，使X方向电子束扩束达到cm量级；将X方向束流修正永磁铁安装到位。调整X方向修正永磁铁的角度(围绕中心轴)及与前面X方向扩束永磁铁的间距，将X方向电子束扩束发散角压缩至几个mrad量级；

(3)将Y方向扩束永磁铁安装到位。调整环形扩束永磁铁的角度(围绕中心轴)及与前面X方向修正永磁铁的间距，使Y方向电子束扩束达到cm量级；将Y方向束流修正永磁铁安装到位。调整Y方向修正永磁铁的角度(围绕中心轴)及与前面Y方向扩束永磁铁的间距，将Y方向电子束扩束发散角压缩至几个mrad量级；

(4)将X/Y方向束流综合修正电磁铁模块安装到位。调整修正电磁铁磁场大小、角度(围绕中心轴)及与前面Y方向修正永磁铁的间距，将X/Y方向电子束扩束发散角压缩至mrad量级；

(6)将压缩发散角螺线管电磁铁模块安装到位。调整修正螺线管电磁铁的磁场大小、角度(围绕中心轴)及与前面X/Y方向束流综合修正电磁铁的间距，将X/Y方向电子束扩束发散角压缩至0.1mrad以下；

(7)所有磁铁组调整到位以后，进行位置固定，同时将整个扩束压缩发散角装置放置于磁屏蔽环境中，系统与加速器连接，实现系统正常工作。

本发明涉及一种高能电子束扩束及压缩发散角的方法，用于对加速器产生的高能电子束进行控制，消除电子束自身库伦力影响，减弱电子束的发散角。将电子束半径在极短距离内由毫米量级扩大至厘米量级，可以将库伦力的影响降低1～2个量级，带来的发散角增量控制在0.01mrad量级。将电子束初始发散角由1mrad量级压缩至0.1mrd量级，理论上电子束在传输1km距离时束斑可以由米级压缩至10cm量级，大大增加了电子束的传输距离。电子束空间通信及X射线成像是未来重要的应用方向，该方法将传统扩束与压缩发散角装置的总长度由10米量级缩短至米级。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。