一种消色差双磁铁偏转装置

摘要

本发明属于加速器设计技术，具体涉及一种消色差双磁铁偏转装置。该装置包括两个对称设置的偏转磁铁，束流从两个偏转磁铁相对的磁极面之间的空间范围内穿过，第一偏转磁铁的出口边缘角β2、第二偏转磁铁的入口边缘角β3实现消色差功能，第一偏转磁铁的入口边缘角β1、第二偏转磁铁的出口边缘角β4对束流进行横向聚焦，实现束流的匹配传输。本发明能够实现束流的长距离、多次偏转传输，以及大孔径、大发射度的束流传输与筛选，同时降低系统复杂度和工程难度。

说明书

技术领域

本发明属于加速器技术，具体涉及一种消色差双磁铁偏转装置。

背景技术

加速器被广泛应用于科学研究、国防军事、安保反恐、工农业生产、环境保护、医疗卫生、食品安全等领域，是一种高新技术装备。加速器的种类很多，其主要功能是带电粒子吸收静电场或电磁场的能量后，形成高能带电粒子束流，再将其应用到各种领域。

带电粒子吸收能量的过程称之为加速过程，没有加速的粒子运动过程称之为传输过程。为了实现对带电粒子的加速与应用，往往需要对带电粒子束流的运动方向进行偏转。带电粒子的加速过程中，不同粒子所感受到的加速电场往往是不同的，使得加速后的粒子能量不同。不同能量的粒子经过同一个偏转磁场时，其运动轨迹是不同的，我们称这种现象为色差。色差会导致粒子的加速和应用时的束包络或束斑扩大，对加速器的稳定与高效运行，以及束流的正常应用带来不利影响。因此，在加速器的设计与调试过程中，需要实现束流偏转的消色差效果。

目前，消色差的方法与装置是比较多的，主要包括对称系统和非对称系统两大类。对称系统的消色差装置是常用的，其种类很多，包括chicane结构、Varian结构、K.L.Brown结构、α磁铁等。chicane结构采用三个偏转角度和半径都相同的均匀场偏转磁铁，每块磁铁的出入口边缘角为零，即粒子入射和出射方向垂直于磁铁边界，三个磁铁中，中间的对粒子的偏转方向与两边的相反，两边的磁铁的偏转方向相同。Varian结构也采用三个偏转角度 和半径都相同的均匀场偏转磁铁，不同于chicane结构的有两点，一是三个磁铁的偏转方向都相同，二是每块磁铁的出入口边缘角不为零，即粒子入射和出射方向不垂直于磁铁边界。K.L.Brown结构采用二个偏转角度、方向和半径都相同的均匀场偏转磁铁，中间夹一个四极磁铁，每块偏转磁铁的出入口边缘角可以为零，也可以不为零。α磁铁为单个偏转磁铁，磁场为非均匀磁场，磁场梯度指数一般为1，束流偏转角度为固定的278.58°。上述的对称系统都是关于面对称的，即在X-Z偏转平面上是关于一条直线对称的。还有一种反对称消色差系统，其在三维空间是关于一条直线对称的，而在X-Z偏转平面上是关于一个点对称的。由于反对称系统要求束斑在对称点处缩小为一个点，可能对束流品质的影响不好，应用较少。除了α磁铁，对称系统和反对称系统都是由三个及三个以上的磁铁组成的。如果束流只需要一次或几次偏转，消色差系统由三块以上的磁铁组成是可以接受的，但是如果需要偏转几十次，乃至上百次，希望降低消色差偏转系统的磁铁数量，以便减小工程复杂度和难度。α磁铁虽然只有一个磁铁，但其偏转角度只能在270度左右，另外其能够接收的束流孔径不大，对于大尺寸的束斑难以偏转，并且其对束流的横向匹配不够灵活，此外α磁铁对机械加工和安装精度要求很高，工程实施难度很大。非对称消色差装置有ACEL偏转系统和Philips型偏转系统。ACEL偏转系统由Hutcheon发明，采用2块偏转磁铁，主要用于270度偏转，并且需要额外配置四极透镜完成光路的匹配传输；Philips型偏转系统由3块偏转磁铁组成。非对称系统虽然也可以采用两块偏转磁铁，但其不能用于束流的多次偏转。

在某些科学实验或工程应用中，需要收集与筛选大散角、大发射度的粒子，如果采用三块及以上的偏转磁铁，其传输空间大，边缘场效应复杂，并且存在粒子筛选不充分等缺陷，使得设计难度极大，乃至难以完成。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种消色差双磁铁偏转装置，从而实现束流的长距离、多次偏转传输，以及大孔径、大发射度的束流传输与筛选，同时降低系统复杂度和工程难度。

本发明的技术方案如下：一种消色差双磁铁偏转装置，包括两个对称设置的偏转磁铁，束流从两个偏转磁铁相对的磁极面之间的空间范围内穿过，第一偏转磁铁的出口边缘角β₂、第二偏转磁铁的入口边缘角β₃实现消色差功能，第一偏转磁铁的入口边缘角β₁、第二偏转磁铁的出口边缘角β₄对束流进行横向聚焦，实现束流的匹配传输。

进一步，如上所述的消色差双磁铁偏转装置，其中，所述的两个偏转磁铁形状相同，第一偏转磁铁的出口边缘角β₂与第二偏转磁铁的入口边缘角β₃大小相等。

进一步，如上所述的消色差双磁铁偏转装置，为实现光路完全消色差，偏转磁铁的边缘角与束流的偏转角度应满足如下关系：

(cos(ε_xα)-1)tanβ₂＝ε_xsin(ε_xα)

式中，

n为偏转磁铁的场梯度指数；

α为偏转磁铁对束流的偏转角度；

β₂为第一偏转磁铁的出口边缘角；

当n＝0时，

β₂＝α/2-π。

进一步，如上所述的消色差双磁铁偏转装置，其中，当需要对小发射度束流进行多次偏转传输时，沿束流传输线多次布置所述的两个对称设置的偏转磁铁。采用多套次双磁铁偏转装置的光路，每次双磁铁偏转装置的传输矩阵的色差项可以不为零，即不必完全满足上述公式。只要单次双磁铁偏转装置的传输矩阵色差项小于0.1，经过多次偏转后，整个光路的传输矩阵的色差项有减小的作用，偏转次数越多，减小得越多，即色差效应可以忽略。

进一步，如上所述的消色差双磁铁偏转装置，其中，针对大发射度的束流偏转，通过增加两个偏转磁铁相对的磁极面之间的距离实现对束流的偏转。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的双磁铁偏转装置可以实现束流横向X和Y方向的同时聚焦，从而可以取消四极磁铁等其它横向聚焦元件，减少了磁铁的数量，整个偏转传输系统只有偏转磁铁。该双磁铁偏转装置可以实现束流传输的消色差，或接近消色差，提高了束流的传输效率。本发明采用的两个偏转磁铁可以是对称的，即两个磁铁是完全相同的，多次偏转的整个传输系统仅需要一种偏转磁铁，大大降低了磁铁的加工复杂度。

附图说明

图1为双偏转磁铁消色差原理结构图；

图2为偏转磁铁磁极面与束流运动轨迹的三维空间关系示意图；

图3为双偏转磁铁束流包络图；

图4为四次偏转束流包络图；

图5为大间隙偏转磁铁束流包络图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出的一种消色差双磁铁偏转装置，采用两个偏转磁铁1对称放置，两个偏转磁铁1的形状可以完全相同，束流4从两个偏转磁铁相对的磁极面之间的空间范围内穿过，利用第一偏转磁铁的出口边缘角β₂和第二偏转磁铁的入口边缘角β₃实现消色差功能。第一偏转磁铁的入口边缘角β₁、第二偏转磁铁的出口边缘角β₄对束流进行横向聚焦，实现束流的匹配传输，如图1所示。偏转磁铁的边缘角是指偏转磁铁边缘平面的法线与入射束流线之间的夹角，也既是偏转磁铁的边缘平面与出入口处束流半径之间的夹角。由于两个偏转磁铁形状相同且对称放置，所以第一偏转磁铁的出口边缘角β₂与第二偏转磁铁的入口边缘角β₃大小相等，第一偏转磁铁的入口边缘角β₁与第二偏转磁铁的出口边缘角β₄大小相等。

偏转磁铁的场梯度指数n可以为零，即为均匀偏转场，也可以不为零，甚至大于1，由此实现束流的横向匹配。

色差的产生是在其偏转方向上由于动量的弥散造成的，考虑边缘场后的偏转磁铁在三维相空间内的传输矩阵为：

$R_x=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left({ϵ}_x\alpha \right)+\sin \left({ϵ}_x\alpha \right){\mathrm{tan\beta }}_1/{ϵ}_x& \rho \sin \left({ϵ}_x\alpha \right)/{ϵ}_x& \rho (1-\cos ({ϵ}_x\alpha \left)\right)/{ϵ}_x^2\\ \frac{\cos \left({ϵ}_x\alpha \right)({\mathrm{tan\beta }}_1+{\mathrm{tan\beta }}_2)-\sin \left({ϵ}_x\alpha \right)({ϵ}_x-{\mathrm{tan\beta }}_1{\mathrm{tan\beta }}_2/{ϵ}_x)}{\rho }& \cos \left({ϵ}_x\alpha \right)+\sin \left({ϵ}_x\alpha \right){\mathrm{tan\beta }}_2/{ϵ}_x& \frac{(1-\cos ({ϵ}_x\alpha \left)\right){\mathrm{tan\beta }}_2}{{ϵ}_x^2}+\frac{\sin \left({ϵ}_x\alpha \right)}{{ϵ}_x}\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

其中，下标x表示直角坐标系的x方向，是束流的偏转方向，ρ为偏转半径，α为偏转磁铁对束流的偏转角度。如果图1的光路是对称性的，只要上述X-X'子相空间传输矩阵R_x的R_x13矩阵元为零即可实现消色差，即(cos(ε_xα)-1)tanβ₂＝ε_xsin(ε_xα)。R_x13矩阵元为零意味着出口粒子的位 置坐标与入口粒子的能散无关，这就意味着位置坐标的消色差的实现，角度坐标消色差是通过系统的对称性实现的。当n＝0时，边缘角与偏转角度的关系满足β₂＝α/2-π即可实现消色差。

对于小发射度束流，可以实现完全消色差，也可以不完全消色差，只要其总传输矩阵的矩阵元R₁₆和R₂₆的绝对值小于0.1即可，因为只要小于0.1，色差对束流包络的影响就很小了。某些应用场合需要对小发射度束流进行多次偏转传输，只需要沿束流传输线多次布置消色差双磁铁偏转装置即可，不再需要增加聚焦四极磁铁等其它横向聚焦元件。

某些应用场合是首先利用加速器输出的粒子束轰击靶材料，产生次级粒子，所需要收集与传输的次级粒子的发射度很大。大发射度束流所需要的束流孔道横向尺寸很大，由此所需要的偏转磁铁的磁极间距就很大。采用两个偏转磁铁的消色差系统可以较好地解决这个问题。

实施例1

图1所示的是采用两个偏转磁铁的原理结构二维示意图，其中α是偏转磁铁对束流的偏转角度，β₁、β₂、β₃和β₄是偏转磁铁边缘角，图中所示的β₁和β₄为正值，β₂和β₃为负值，实际设计的边缘角可正可负，亦可为零。图2是一个偏转磁铁的极面与束流运动轨迹的三维空间关系图，束流4从两个偏转磁铁1相对的磁极面之间的空间范围内穿过，励磁线包5用于磁场激励。

图3所示的是设计计算的偏转磁铁束流光路的包络图。设计所采用的偏转角度α为45度，β₁和β₄为-18.66度，β₂和β₃为20.34度，磁铁偏转半径为50mm，偏转磁场场指数为n＝-0.16。偏转磁铁极头间隙为20mm左右。入口和出口束流都是平行束。总束流传输矩阵元R₁₆＝0.086，R₂₆＝-0.013，即虽然光路不是完全消色差，其色散也是很小的。前文的公式中所计算的边缘角小于零，而本 设计的β₂和β₃值大于零也可基本上实现消色差。图中1为偏转磁铁，2为X方向束流包络，3为Y方向束流包络，4为束流中心轨迹。图1中的束流中心轨迹为曲线，在模拟计算时，将其设为直线。

采用4组偏转磁铁系统的模拟计算光路如图4所示，该光路可用于电子螺旋加速器(可参见中国专利申请201410202889.1)，其束流包络的大小得到很好的控制。束流传输矩阵元R₁₆＝0.025，R₂₆＝0.015，即经过多次偏转后，色差项变小。

实施例2

对于很大发射度的束流偏转，需要采用大磁极间隙对束流进行偏转，图5所示的束流光路包络图采用的磁极间隙为700mm。图中1为偏转磁铁，2为束流偏转的X方向包络，3为Y方向束流包络，4为束流中心轨迹。

对于大磁极间隙，其非线性边缘场的影响突出。由于偏转系统仅通过边缘角实现消色差的功能，如果偏转角度α较小时，所需要的边缘角很大，虽然能够实现X方向的消色差和束流包络的控制，但对Y方向产生很大的散焦作用，Y方向束流包络扩散非常大。为此，本实施例采用的偏转角度α为90度，消色差边缘角β₂和β₃为-52.07度，β₁和β₄为零，磁铁偏转半径为1.59米，偏转磁场场指数为n＝1.027。束流传输矩阵元R₁₆和R₂₆为零，即实现了束流的完全消色差。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。