一種用于束流脈沖控制的預切束器的制造方法
【專利摘要】本申請公開了一種用于束流脈沖控制的預切束器。本申請的預切束器包括安裝在磁聚焦、匹配結構的低能傳輸線末端的靜電偏轉板，為靜電偏轉板提供電壓的電源，以及與靜電偏轉板配套使用的附屬器件；所述附屬器件安裝于低能傳輸線的末端，且位于靜電偏轉板之前；靜電偏轉板由兩塊平整的電極板組成，兩塊電極板鏡像對稱安裝，并且兩塊電極板的寬度和安裝距離都隨束流包絡的直徑呈正相關的線性變化。本申請的預切束器，設計隨束流包絡而變化的電極板，作為靜電偏轉板，首次在中國散裂中子源磁聚焦、匹配結構的低能傳輸線上使用靜電切束，切束束流上升/下降沿時間小于15ns；為散裂中子源的預切束提供了一種新的設備和方法。
【專利說明】
一種用于束流脈沖控制的預切束器
技術領域
[0001]本申請涉及束流控制領域，特別是涉及一種用于束流脈沖控制的預切束器。
【背景技術】
[0002]在中國散裂中子源(縮寫CSNS)中，粒子加速裝置是一種使帶電粒子增加能量的設備，包括直線加速器和環形加速器。直線加速器將質子束流加速到80Mev，環形加速器將質子束流加速到1.6Gev，然后通過束流引出系統將質子束流引出，引出的束流轟擊重金屬鎢靶，獲得中子，中子作為探針檢測各種材料的微觀結構。
[0003]其中，直線加速器又包括兩段傳輸線，低能傳輸線(縮寫LEBT)和中能傳輸線(縮寫MEBT) eLEBT位于離子源和四極子加速器(縮寫RFQ)之間，MEBT位于RFQ和漂移管加速器(縮寫DTL)之間。預切束器是安裝在LEBT末端，位于RFQ之前的一個束流控制元件，其功能是切割出符合使用要求的脈沖束流，以避免和減少注入時的束流損失。
[0004]美國散裂中子源(縮寫SNS)的預切束器是一個分成四瓣結構的單透鏡靜電切束器，原理是按照一定時序給各瓣結構加載電壓，將束流偏轉到不同的四個靶點，減小靶點的功率密度。SNS的LEBT采用的是靜電聚焦、匹配結構，長度只有12cm，沒有空間電荷中和。實驗表明其切束束流上升沿和下降沿都在50ns以內。盡管切除的束流理論上都應該打在束靶上，但由于實際所需要的切束電壓比設計值大，而特別高的高壓脈沖電源實現起來很困難，以至于預切束器不能有效的實現其切束功能，使得部分不滿足使用需求的束流也進入到RFQ，并損失在RFQ腔里，對RFQ造成不利影響。
[0005]日本散裂中子源(縮寫J-PARC)的LEBT為雙螺線管的磁聚焦、匹配結構，長度約為50cm。其預切束器為磁合金感應式腔式結構，本質上是一個變壓器，當初級加高壓方波時，調制電壓為8.5kV，就在陶瓷加速間隙感應出等電壓方波，束流經過陶瓷間隙時得到加速或減速，能量變高或變低，使得其不滿足RFQ的能量接收度，束流損失在RFQ腔內，實現束流脈沖化。日本的預切束器，其變壓器鐵心材料采用磁合金材料(FINEMET)，腔耗大，預切束器本身制造難度大，且價格非常昂貴；同時，其需要采用8.5kV的調制電壓對束流進行能量調制，電源很難實現。更為重要的是，實驗表明，其上升/下降沿加上尾巴約有100ns，實驗結果并不理想。因此，日本的預切束器基本已經棄用。
【發明內容】
[0006]本申請的目的是提供一種新束流脈沖控制的預切束器，并且，該預切束器已經實際運用于中國散裂中子源，并取得良好效果。
[0007]本申請采用了以下技術方案:
[0008]本申請公開了一種用于束流脈沖控制的預切束器，包括安裝在磁聚焦、匹配結構的低能傳輸線末端的靜電偏轉板，為靜電偏轉板提供電壓的電源，以及與靜電偏轉板配套使用的附屬器件;附屬器件安裝于低能傳輸線的末端，且位于靜電偏轉板之前;靜電偏轉板由兩塊平整的電極板組成，兩塊電極板鏡像對稱安裝，并且兩塊電極板的寬度和安裝距離都隨束流包絡的直徑呈正相關的線性變化。
[0009]需要說明的是，散裂中子源是一個大型的基礎科研設備，預切束器是控制粒子束流的一個重要器件;但是，現有的美國和日本的預切束器結構都無法很好的滿足中國散裂中子源的使用，因此，需要重新設計一個新型結構的預切束器。本申請的預切束器，為了得到更加均勻的場強和盡量小的板間及板對地間的電容，設計兩塊電極板的寬度和安裝距離都隨束流包絡的直徑呈正相關的線性變化。
[0010]其中，隨束流包絡的直徑呈正相關的線性變化是指，兩塊電極板的寬度隨著束流包絡直徑變大而變大、縮小而縮小，并且是呈η倍變大或縮小，η為正數，在一個具體的預切束器中，根據具體的使用需求，η是大于I的正數，并且在一個具體的預切束器中η值是確定的，例如本申請的一種應用方式中，安裝于散裂中子源的預切束器η為1.2-1.8之間的任意值，優選為1.5，即兩塊電極板的寬度為束流包絡直徑的1.2-1.8倍，優選為1.5倍。同樣的，兩塊電極板的安裝距離，或者兩塊電極板之間的距離是隨束流包絡的直徑呈正相關的η’倍變大或縮小，安裝于散裂中子源的預切束器η’為1.0-1.4之間的任意值，優選為1.2，即兩塊電極板之間的距離為束流包絡直徑的1.0-1.4倍，優選為1.2倍。
[0011]還需要說明的是，在散裂中子源的應用中，由于束流包絡直徑是逐漸變小的，因此，兩塊電極板的寬度也是逐漸變小的，使得兩塊電極板呈梯形結構；同時，兩塊電極板之間的距離也是逐漸縮小的，使得兩塊電極板短底邊靠攏，兩塊電極板傾斜呈“八”字結構。其中，短底邊al是指梯形電極板中較短的一個底邊，側邊是指梯形的兩腰，長底邊a2是指梯形中較長的一個底邊。
[0012]此外，本申請中，設置與靜電偏轉板配套的附屬器件的目的是協助靜電偏轉板更好的完成控制脈沖束流，其主要作用包括，1.將靜電場局域化，以避免對預切束器上游的低能傳輸線空間電荷中和作用的破壞。2.刮掉半徑偏大束流粒子，保護抑制電極和預切束器免遭粒子束流的轟擊而引起高壓打火。只要能夠起到這些作用的附屬器件都可以用于本申請，在此不做具體限定。但是，本申請的優選方案中，對附屬器件進行了詳細描述，詳見后續的技術方案。
[0013]優選的，兩塊電極板的寬度為束流包絡直徑的1.2-1.8倍，兩塊電極板的距離為束流包絡直徑的1.0-1.4倍。
[0014]優選的，兩塊電極板的寬度為束流包絡直徑的1.5倍，兩塊電極板的距離為束流包絡直徑的1.2倍，并且束流包絡為束流強度40mA的束流包絡。
[0015]需要說明的是，1.5倍束流包絡直徑的電極板，兩塊電極板的距離為束流包絡直徑的1.2倍，以及束流強度40mA的束流包絡，這些都是本申請的一種具體實現方式中所采用的優選方案，具體的，就是安裝到散裂中子源上的預切束器所采用的優選參數。可以理解，本申請的預切束器不僅可以用于散裂中子源，也可以用于其它需要對束流進行脈沖控制的設備上，因此，只要滿足兩塊電極板的寬度和距離隨束流包絡的直徑而變化都在本申請的保護范圍內；而具體的電極板寬度和距離，可以根據使用需求和應用環境而調整，在此不做具體限定。
[0016]優選的，電源的最大輸出電壓小于6kV，電壓輸出上升/下降沿小于10納秒。
[0017]優選的，本申請的電源的工作電壓為3.7kV。
[0018]需要說明的是，本申請的預切束器，可以采用較低的電壓實現粒子束流的預脈沖化切割，降低了電源制造難度。
[0019]優選的，電極板的邊緣曲率半徑為2.5mm。
[0020]需要說明的是，電極板邊緣曲率半徑的限定是為了避免高壓打火，該邊緣曲率半徑是由偏轉板的厚度決定的。
[0021]優選的，靜電偏轉板上并聯一個過壓保護電阻52。
[0022]優選的，過保護電阻的電阻為20kQ。
[0023]需要說明的是，過壓保護電阻的作用是，確保打在電極板上的束流在電源脈沖間隙期間對電極板的電位提高可以被忽略，進而確保粒子束流不會產生誤偏轉。可以理解，本申請的一種實現方式中，即安裝到散裂中子源的預切束器中，過保護電阻優選為20k Ω，但是，本申請的預切束器并不只限用于散裂中子源，因此，在其它設備中，可以采用更低或更高電阻的過保護電阻，只要能夠起到忽略電源脈沖間隙期間電極板的電位變化即可。在安裝到散裂中子源的預切束器中，過壓保護電阻是直接設計在為靜電偏轉板提供電壓的電源里面的。
[0024]優選的，附屬器件包括依序設置的準直器2、抑制電極3和地電極4，準直器2、抑制電極3和地電極4依序安裝于低能傳輸線的末端，且位于靜電偏轉板I之前，抑制電極3和地電極4通過絕緣件固定連接，地電極4和靜電偏轉板I也通過絕緣件固定連接。
[0025]需要說明的是，準直器和抑制電極的作用是將靜電場局域化，以避免對預切束器上游的LEBT空間電荷中和作用的破壞。地電極4的作用是屏蔽抑制電極產生的場對切束器的影響。
[0026]優選的，準直器2和地電極4的孔徑與束流包絡相同。
[0027]需要說明的是，準直器2和地電極4的孔徑與束流包絡相同，其目的是，保護抑制電極和預切束器免遭粒子束流的轟擊而引起高壓打火。
[0028]優選的，每塊電極板的長底邊上設置由左右兩個凸起的安裝孔11，其中一塊電極板的一個安裝孔上開設有用于安裝銅線的豁口 12。
[0029]本申請的有益效果在于:
[0030]本申請的預切束器，設計隨束流包絡而變化的電極板，作為靜電偏轉板，首次在CSNS磁聚焦、匹配結構的LEBT上使用靜電切束，并得到了切束束流上升/下降沿時間小于15ns;為散裂中子源的預切束提供了一種新的設備和方法。
【附圖說明】
[0031]圖1是本申請實施例中兩塊電極板的組裝結構示意圖；
[0032]圖2是本申請實施例中其中一塊電極板的結構示意圖，其中A為正面視圖、B為側面視圖、C為束流入口端視圖、D為立體視圖；
[0033]圖3是本申請實施例中預切束器的安裝結構示意圖；
[0034]圖4是本申請實施例中安裝預切束器的爆炸圖，圖中I為靜電偏轉板、2為準直器、3為抑制電極、4為地電極、5為第一絕緣件、6為第二絕緣件、7為第三絕緣件、11為安裝孔和12為豁口 ；
[0035]圖5是本申請實施例中為靜電偏轉板提供電壓的電源的電路設計圖，圖中51為靜電偏轉板、52為過壓保護電阻；
[0036]圖6和圖7是本申請實施例中安裝預切束器的散裂中子源的預切束測試結果圖；
[0037]圖8和圖9是本申請實施例中安裝預切束器的散裂中子源的預切束測試結果圖。
【具體實施方式】
[0038]本申請的預切束器率先在散裂中子源磁聚焦匹配結構的低能傳輸線上使用靜電切束，并實現了切束束流上升/下降沿時間小于15ns，達到世界第一的水平。
[0039]相應的，本申請的粒子加速裝置，在裝配本申請的預切束器的時候，還配置了一些匹配器件，包括準直器、抑制電極和地電極等，最終達到切束束流上升/下降沿時間世界第一的水平。
[0040]需要說明的是，本申請的預切束器主要是針對中國散裂中子源而研制的，因此，各優選方案中的具體參數都是相對散裂中子源的應用環境和條件的。可以理解，本申請的預切束器，其關鍵的設計方案是，使靜電偏轉板的兩塊電極板的寬度和安裝距離隨束流包絡的直徑呈正相關的線性變化，這樣可以獲得更加均勻的場強，以及更小的板間及板對地間的電容，并且，可以采用更低電壓的電源，減小制造難度；因此，本申請的預切束器不僅限用于散裂中子源，還可以用于任意想要實現控制束流脈沖結構的地方。
[0041]下面通過具體實施例對本申請作進一步詳細說明。以下實施例僅對本申請進行進一步說明，不應理解為對本申請的限制。
[0042]實施例
[0043]本例的預切束器包括安裝在磁聚焦、匹配結構的低能傳輸線末端的靜電偏轉板，為靜電偏轉板提供電壓的電源，以及與靜電偏轉板配套使用的附屬器件;靜電偏轉板由兩塊平整的電極板組成，兩塊電極板鏡像對稱安裝，并且兩塊電極板的寬度和安裝距離都隨束流包絡的直徑呈正相關的線性變化。因為散裂中子源是一項龐大的工程，為了節省安裝和系統測試的時間，本例利用仿真計算，設置相同的束流形狀，加載相同的電壓條件下，比較平行板電極、傾斜板電極、半圓筒電極的偏轉效果。其中平行板電極是指將兩塊電極片完全平行安裝，即兩塊電極板的安裝距離保持一樣;傾斜板電極是指將兩塊電極片傾斜安裝，如圖1所示;半圓筒電極是指將電極片設計呈弧形結構。
[0044]經過仿真計算，得出有效場強最強為傾斜板電極。即兩塊電極片呈鏡像對稱的傾斜安裝。并且，經過計算，電極片的寬度和距離隨著束流包絡呈連續變化，這樣結構的靜電偏轉板效果最好。電容計算公式C=e*eQ*S/d，其中C為電容，ε為相對介電常數，εο為真空介電常數，S為板件正對面積，d為板間距。電容的大小跟兩板之間的橫截面積成正比。但又希望偏轉板寬度范圍內偏轉場基本相同，通過計算當偏轉板寬度是I.5倍束流包絡直徑時，束團邊沿的偏轉場還是小于束團中間的偏轉場，但已基本接近;如果寬度采用I倍束流包絡直徑，那么束團邊沿的偏轉場更小，偏轉板寬度范圍內的偏轉場更加不均一。至于兩塊電極板的距離是束流包絡直徑的1.2倍效果最佳。本例的仿真計算采用的是仿真模擬束流流強為40mA時的情況。
[0045]通過仿真計算，最終獲得本例的預切束器，其中，靜電偏轉板如圖1所示，由兩塊梯形的平整的電極板組成，兩塊電極板鏡像對稱安裝，并且兩塊電極板的短底邊靠攏，使兩塊電極板傾斜呈“八”字結構;兩塊電極板的寬度a和距離d隨束流包絡的直徑而變化，具體的，電極板的寬度a為束流強度40mA的束流包絡直徑的1.5倍，兩塊電極板的距離d為束流強度40mA的束流包絡直接的1.2倍。本例的電極板如圖2所示，圖中A圖為正面視圖、B圖為側面視圖、C圖為束流入口端視圖、D圖為立體視圖；電極板呈梯形結構，電極板的邊緣曲率半徑為2.5mm，電極板的長度h為50mm，每塊電極板的長底邊上設置由左右兩個凸起的安裝孔11，其中一塊電極板的一個安裝孔上開設有用于安裝銅線的豁口 12。本例的電源，其工作電壓為3.7kV，電壓輸出上升/下降沿為10納秒，如圖5所示，本例在靜電偏轉板51上并聯一個20k Ω的過壓保護電阻52，具體的將該過保護電阻設計到電源中。
[0046]為了進一步降低脈沖電源的輸出電壓和研制難度，同時減小被偏轉束流進入RFQ腔體所產生的不良效應，只要求束流不通過RFQ，切除束流損失在RFQ腔內，這時，只需將束流偏轉越出RFQ的橫向接收度，那么就可以進一步減小偏轉電壓且省去切束靶。經過計算，當偏轉電壓為3.8kV，束流在RFQ的通過率可以可靠為零。輸出電壓3.8kV，這樣的脈沖電源相對比較容易制備，并且，其束流能量低，功率小，對RFQ的不良影響也較小。
[0047]本例的預切束器主要是針對散裂中子源而設計的，粒子加速裝置包括直線加速器和環形加速器，直線加速器自離子源之后依序包括低能傳輸線、四極子加速器、中能傳輸線和漂移管加速器;本例的預切束器安裝于低能傳輸線最末端，位于四極子加速器的入口處。預切束器的安裝如圖3和圖4所示，預切束器安裝在LEBT最末端，并位于RFQ入口處，預切束器的靜電偏轉板I之前還依序加裝有準直器2、抑制電極3和地電極4等附屬器件，抑制電極3和地電極4通過第一絕緣件5固定連接，地電極4和靜電偏轉板I通過第二絕緣件6固定連接，靜電偏轉板4通過第三絕緣件7固定在安裝支架上。
[0048]其中，準直器2的孔徑與束流包絡相同，以保護抑制電極和預切束器免遭粒子束流的轟擊而引起高壓打火。準直器2和抑制電極3的作用是將靜電場局域化，以避免對預切束器上游的LEBT空間電荷中和作用的破壞。因為準直器和抑制電極可以加電壓，在其籠罩的區域范圍內產生一個新電場，粒子束流在局域場和非局域場的狀態不同。
[0049]中國散裂中子源加速器前端系統設備，即粒子加速裝置，于2015年4月6日完成安裝，4月21日，經各個相關系統的通力合作，加班加點搶時間進度，完成各個分系統設備調試，僅用15天的時間，RFQ加速器便成功出束，在RFQ出口處得到3MeV，脈沖寬度50ys的負氫離子束流，峰值流強達到28mA。
[0050]出束過程中，靜電預切束器切束加載的切束電壓為3.7kV，而之前的理論值為3.8kV，切束結果如圖6和圖7所示，該靜電預切束器將重復頻率IHZ，宏脈沖10us切成重復頻率IMHz，脈沖長度為500ns的束團。進一步的，從圖8和圖9中，可以看出，切束束流無論是上升沿還是下降沿長度大約有4到5個射頻周期，一個射頻周期為3.086ns，因此，切束束流上升/下降沿時間均小于15ns。
[0051]可見，本例制備的預切束器，以及安裝本例的預切束器的粒子加速裝置，采用較低的電源電壓，有效的實現了預切束的功能，并且達到了切束束流上升/下降沿時間小于15ns的世界第一水平。較低的電源電壓也降低了電源的生產難度和制造成本，為散裂中子源的預切束提供了一種新的設備和方案。
[0052]以上內容是結合具體的實施方式對本申請所作的進一步詳細說明，不能認定本申請的具體實施只局限于這些說明。對于本申請所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本申請的保護范圍。
【主權項】
1.一種用于束流脈沖控制的預切束器，其特征在于:包括安裝在磁聚焦、匹配結構的低能傳輸線末端的靜電偏轉板，為靜電偏轉板提供電壓的電源，以及與靜電偏轉板配套使用的附屬器件;所述附屬器件安裝于低能傳輸線的末端，且位于靜電偏轉板之前;所述靜電偏轉板由兩塊平整的電極板組成，兩塊電極板鏡像對稱安裝，并且兩塊電極板的寬度和安裝距離都隨束流包絡的直徑呈正相關的線性變化。2.根據權利要求1所述的預切束器，其特征在于:兩塊電極板的寬度為束流包絡直徑的1.2-1.8倍，兩塊電極板的距離為束流包絡直徑的1.0-1.4倍。3.根據權利要求1所述的預切束器，其特征在于:兩塊電極板的寬度為束流包絡直徑的1.5倍，兩塊電極板的距離為束流包絡直徑的1.2倍，所述束流包絡為束流強度40mA的束流包絡。4.根據權利要求1所述的預切束器，其特征在于:所述電源的最大輸出電壓小于6kV，電壓輸出上升/下降沿小于10納秒。5.根據權利要求1所述的預切束器，其特征在于:所述電源的工作電壓為3.7kV。6.根據權利要求1-5任一項所述的預切束器，其特征在于:所述靜電偏轉板上并聯一個過壓保護電阻(52)。7.根據權利要求6所述的預切束器，其特征在于:所述過壓保護電阻的電阻為20kΩ。8.根據權利要求1-5任一項所述的預切束器，其特征在于:所述附屬器件包括依序設置的準直器(2)、抑制電極(3)和地電極(4)，抑制電極(3)和地電極(4)通過絕緣件固定連接，地電極(4)和靜電偏轉板(I)也通過絕緣件固定連接。9.根據權利要求8所述的預切束器，其特征在于:所述準直器(2)和地電極(4)的孔徑與束流包絡相同。10.根據權利要求1-5任一項所述的預切束器，其特征在于:每塊電極板的長底邊上設置由左右兩個凸起的安裝孔(11)，其中一塊電極板的一個安裝孔上開設有用于安裝銅線的豁口(12)。
【文檔編號】H05H7/22GK105979694SQ201610268957
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】歐陽華甫, 劉華昌, 黃濤, 呂永佳, 劉盛進, 肖永川, 曹秀霞, 薛康佳, 沈莉, 何泳成
【申請人】東莞中子科學中心