一种紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种斩波装置，特别是关于一种高可靠紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置及其使用方法。

背景技术

离子加速器是将带电离子加速到高能的大型装置，包括高功率离子加速器、面向肿瘤治疗的民用医用离子加速器、面向材料改性及生物辐照研究的高通量中子生产离子加速器等。离子加速器运行模式包括连续波及脉冲束流模式，其中脉冲束流的产生主要是通过束流斩波器斩波所得。

无论是运行在连续波模式的高功率离子加速器，还是运行在脉冲模式下的离子加速器，在加速器运行调试期间均需要从较短脉冲开始调试，直至到达目标脉宽或连续波模式。目前离子加速器的斩波系统几乎都装配于低能传输线或中能传输线，利用高压电源对静电偏转板充放电实现对束流偏转及选择，从而得到所需束流脉冲长度。但是采用静电偏转逻辑实现束流脉宽斩波装置的可靠性完全基于高压脉冲电源，当高压电源故障无法对静电偏转板充电时，束流将无法被斩断，而进入下游加速器。对于高功率加速器而言，由于束流斩波器是快机器保护中唯一的执行元件，当斩波器失效时将造成不可预期的加速器事故。因此，传统的束流斩波器从工作原理上便存在固有的不可靠性，使得高功率加速器的机器保护逻辑存在漏洞。

紧凑型电磁场协同作用的高可靠束流斩波装置旨在设计一种具有高可靠性的加速器束流切断设备。该装置基于电场与磁场协同作用使束流保持原有轨道或产生偏离，从而从原理上保证斩波器系统的固有高可靠性。类似电磁斩波装置包括法国Franz(法兰克福中子源)加速器，其主要针对高频脉冲束流时间结构实现，利用电磁二极铁结构与静电偏转器协同对质子束流脉宽进行操作，但由于其采用电磁二极铁导致装置较大，不便于推广使用；美国阿贡国家实验室LEUTL(低能波荡器测试束线)利用永磁二极铁与静电偏转器实现对电子束的时间结构操作，但由于其磁场与电场未在同一位置，导致束流轨道存在振荡，导致束流品质变差。目前针对质子及重离子束的高功率加速器快机器保护，基于永磁铁与静电偏转器协同作用的紧凑型斩波装置鲜有报道。

束流斩波器是离子加速器在运行过程中产生束流脉冲时间结构的装置，同时也是离子加速器发生故障时快保护执行元件，通过加载持续高压实现束流偏离，切断束流进入下游加速器。传统的静电偏转板在加载高压充电时，带电离子在电场中感受电场力而发生偏转，偏离原轨道的束流在下游被束流阻挡器所拦截；当静电偏转板断电期间，束流保持原有路径进入下游加速单元。静电偏转板的充放电依赖于高压电源，因此，加速器机器保护系统的可靠性是与高压电源的可靠性直接相关。

现有的传统斩波器系统在承担机器保护执行元件时，由于其固有保护逻辑预计高压电源对静电偏转板的充放电，因此该保护方案存在安全漏洞。目前已存在的电磁斩波器系统中，美国阿贡实验室的电磁斩波器由于采用分离结构，会导致束流存在质心轨道振荡，束流品质变差；而法国法兰克福中子源所用的电磁斩波器由于采用电磁二极铁，导致占用空间较大，难以推广到目前大部分离子加速器中。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高可靠紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置，其能保证在加速器机器保护中承担逻辑上绝对安全的束流斩断元件。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置，其包括：永磁磁铁，用于提供束流横向偏转磁场，集成在离子加速器的真空泵室上；静电偏转板，与所述永磁磁铁垂直安装在所述离子加速器的真空泵室内，与所述永磁磁铁配合用于产生抵消束流横向踢轨的电场；高压电源，通过真空馈管实现与所述静电偏转板连接，用于为所述静电偏转板供电。

进一步，还包括机械支撑结构；所述机械支撑结构用于支撑所述真空泵室，将所述真空泵室安装在所述离子加速器内。

进一步，所述永磁磁铁采用便于定向励磁的钕铁硼材料制成。

进一步，所述永磁磁铁通过支撑架安装在所述离子加速器上。

进一步，所述永磁磁铁采用紧凑型永磁二极铁结构。

进一步，所述静电偏转板与所述永磁磁铁配合用于产生抵消束流横向踢轨的电场，包括：

束流所受洛伦兹力中磁场力与电场力大小相等、方向相反，使得束流在经过斩波器时不会产生横向踢轨。

进一步，所述高压电源为快脉冲电源。

进一步，所述高压电源在高压加载中0～6000V的上升沿时间不超过百纳秒到亚纳秒之间，电压稳定度不差于1‰。

一种紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置使用方法，所述使用方法基于上述紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置实现，包括：

所述永磁磁铁提供持续的磁场，所述静电偏转板由所述高压电源充电加载高压产生电场，所述磁场提供持续的束流偏转，保证束流持续性偏离轨道无法进入下游加速器；

当加载与所述永磁磁铁所产生磁场场型一致、使得束流所受洛伦兹力平衡的垂直方向电场时，束流能够顺利通过斩波器，此时为束流正常运行状态；

当离子加速器的保护起作用时，高压电源停止供电，束流仅受磁场作用而无法进入下加速器；

当高压电源故障时，会导致束流无法进入下游加速器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在原理上保证在加速器机器保护中承担逻辑上绝对安全的束流斩断元件。

2、本发明利用永磁铁结构提供磁场使束流产生横向踢轨偏离原轨道，致使束流无法进入下游加速器；在同一位置与磁铁垂直方向装配静电偏转板，通过优化实现电场场型与磁场场型一致，保证束流在运行方向上感受的电场力与磁场力大小相等、方向相反，此时束流可无偏转顺利通过，进入下游加速器。

3、本发明采用的电磁协同作用斩波器，在静电偏转板上电时才能保证束流进入下游加速器，当需要对束流时间结构进行斩波时，通过高压电源为静电偏转板提供所需时间结构的建场电压保证束流顺利通过。当高压电源故障时，束流在斩波器中仅感受磁场作用，无法进入下游加速器；当离子加速器故障连锁时，可通过切断高压电源达到束流保护的作用，从而保证了加速器的绝对安全。

附图说明

图1是本发明实施例中电磁斩波器结构示意图；

图2是图1的垂直剖视图；

图3是图1的水平剖视图；

图4a是本发明实施例中电磁斩波器的两永磁磁组合结构图；

图4b是本发明实施例中电磁斩波器的C型永磁铁结构图；

图5是本发明实施例中沿束流方向，电场及磁场三维结构图；

图6是本发明实施例中管道中心沿线斩波器内电场与磁场分布图；

图7是本发明实施例中充磁后的钕铁硼磁铁场型；

图8是本发明实施例中单磁场作用下束流包络图；

图9是本发明实施例中单磁场作用下束流质心轨道图；

图10是本发明实施例中参照钕铁硼磁铁场型优化后的静电偏转板电场分布；

图11是本发明实施例中电磁场协同作用下斩波器内束流包络图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明涉及一种高可靠紧凑性电磁协同作用的束流斩波装置及其使用方法，该装置利用永磁铁(不限于与永磁铁进行绕线实现对磁场强度调整的组合磁铁)与垂直方向装配的静电偏转板协同作用实现对束流的开关。其中，永磁铁提供束流横向偏转磁场，与永磁铁垂直装配的静电偏转板提供经过优化后可与磁场场型完全一致，抵消束流横向踢轨的电场。该装置不仅可用作离子加速器的传统时间斩波装置，同时承担加速器快机器保护执行元件具有高可靠性，可有效保障加速器失效故障时的安全性。

在本发明的一个实施例中，提供一种高可靠紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置，设置在离子加速器上，本实施例中，如图1至图3所示，该装置包括：

永磁磁铁1，用于提供束流横向偏转磁场，集成在离子加速器上需要进行束流脉冲形成段的真空泵室上；具体设置位置不限于放置于泵室之外，可以置于真空环境中；

在本实施例中，永磁磁铁1距离束流中心的位置与最终实现束流横向踢轨抵消的优化设计有关。由于永磁磁铁1本身不需要上电，故对置于泵室内外无特别的工艺设计要求。

静电偏转板2，与永磁磁铁1垂直安装在离子加速器的真空泵室内，与永磁磁铁1配合用于产生抵消束流横向踢轨的电场；

高压电源U，通过真空馈管实现与静电偏转板2连接，用于为静电偏转板2供电。

上述实施例中，该装置还包括机械支撑结构3；机械支撑结构3用于支撑真空泵室，将真空泵室安装在离子加速器内。

在本实施例中，机械支撑结构3及真空馈通的结果需保证斩波器内径不小于4倍束流RMS尺寸，同时满足基本的物理支撑及对地绝缘。

上述实施例中，永磁磁铁1采用便于定向励磁的钕铁硼材料制成。永磁磁铁1通过支撑架4安装在离子加速器上。

在本实施例中，永磁磁铁1沿束流方向的长度及所需励磁大小与斩波器作用束流有关。如特定束流的磁刚度为Bρ，设计斩波器所产生的踢轨量为θ，永磁磁铁1沿束流方向的积分磁场为∫B

上述实施例中，永磁磁铁1优选采用紧凑型永磁二极铁结构。在本实施例中，如图4a、图4b所示，永磁磁铁1采用两永磁磁组合结构或C型永磁铁结构，该结构不限于与永磁磁铁1进行绕线实现对磁场强度调整的组合磁铁。

上述实施例中，静电偏转板2与永磁磁铁1垂直装配，为了使得束流在电场、磁场协同作用时能够顺利通过斩波器，需要对电场、磁场的场型进行优化，使得束流在经过斩波器时不会产生横向踢轨。静电偏转板2与永磁磁铁1配合用于产生抵消束流横向踢轨的电场，具体为：

束流所受洛伦兹力中磁场力q*v×B与电场力q*E大小相等、方向相反，使得束流在经过斩波器时不会产生横向踢轨。其中，q表示电荷量,v代表带电粒子速度，B代表感受到磁场强度，E代表所感受到电场强度。

上述实施例中，高压电源为快脉冲电源。其中，高压电源在高压加载中0～6000V的上升沿时间不超过百纳秒到亚纳秒之间，例如优选为不超过20ns，电压稳定度不差于1‰。

综上，本发明结构紧凑，在满足所需的束流踢轨量下，兼顾静电偏转板所能充电电压，提高永磁铁磁场强度来缩短斩波器长度；为了满足电磁场协同作用时，束流能够顺利通过斩波器，要求电场与磁场场型进行优化，如图5所示斩波器内电磁场分布结构；如图6所示为沿管道中心方向，斩波器内电场与磁场分布。

在本发明的一个实施例中，提供一种紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置使用方法，该使用方法基于上述实施例中的紧凑型电磁协同作用的束流斩波装置实现，包括以下步骤：

1)永磁磁铁1提供持续的磁场，静电偏转板2由高压电源充电加载高压产生电场，磁场提供持续的束流偏转，保证束流持续性偏离轨道无法进入下游加速器；

2)当加载与永磁磁铁1所产生磁场场型一致、使得束流所受洛伦兹力平衡的垂直方向电场时，束流能够顺利通过斩波器，此时为束流正常运行状态；

3)当离子加速器的保护起作用时，高压电源U停止供电，束流仅受磁场作用而无法进入下加速器；

4)当高压电源U故障时，会导致束流无法进入下游加速器。

实施例：

以20keV质子束的斩波为例进行详细介绍。

在20keV的质子束线上，需要利用斩波器实现加速器的机器保护。斩波器由提供持续磁场的永磁铁与需要充电加载高压的静电偏转板组成，磁场提供持续的束流偏转，保证束流持续性偏离轨道无法进入下游加速器，当加载与磁铁所产生磁场场型一致，而使得束流所受洛伦兹力平衡的垂直方向电场时，束流能够顺利通过斩波器，此时为束流正常运行状态。当加速器机器保护起作用时，高压电源停止供电，束流仅受磁场作用而无法进入下加速器，另一方面，当高压电源故障时，也会导致束流无法进入下游加速器，从而从原理上保证了加速器机器保护的绝对安全性。

斩波器的参数设计：20keV的质子束，其磁刚度为204.35Gs.m，当需要产生100mrad的束流踢轨量时，需要的积分磁场为20.435Gs.m，若磁铁的有效长度为40mm，则需要励磁的钕铁硼磁铁最高磁场为510.875Gs。但由于磁铁有漏场效应，为了保证积分磁场的准确性充磁后磁铁的磁场场型如图7所示，在磁场中束流动力学包络图如图8所示，束流质心轨道如图9所示。

以上作用在束流偏转及机器保护作用其作用时。当需要束流进入下游加速器时，为静电偏转板2充电加载电场。为了保证束流顺利进入下游加速器，则需要优化电场场型与磁场一致，避免束流质心轨道的振荡。若设计斩波器静电偏转板为±20mm，则此时优化后的电场分布如图10所示。

其中，为了补偿磁场所产生的磁场力，保证束流的洛伦兹力合力为0，加载到静电偏转板最高电压为4316V，此时束流在斩波器内包络图如图11所示。

综上，本发明利用电磁场协同作用的斩波器用于束流机器保护。利用紧凑型永磁二极铁结构实现束流横向踢轨，避免束流进入下游加速器；利用提供与磁场力相反的电场力抵消磁场产生的横向偏转，使束流顺利进入下游加速器，从原理上保证了高压电源故障时，加速器机器保护失效。通过对永磁铁二极铁磁场及静电偏转板电场迭代优化，消除束流横向踢轨量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。