CN105979694A - 一种用于束流脉冲控制的预切束器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于束流脉冲控制的预切束器。本申请的预切束器包括安装在磁聚焦、匹配结构的低能传输线末端的静电偏转板，为静电偏转板提供电压的电源，以及与静电偏转板配套使用的附属器件；所述附属器件安装于低能传输线的末端，且位于静电偏转板之前；静电偏转板由两块平整的电极板组成，两块电极板镜像对称安装，并且两块电极板的宽度和安装距离都随束流包络的直径呈正相关的线性变化。本申请的预切束器，设计随束流包络而变化的电极板，作为静电偏转板，首次在中国散裂中子源磁聚焦、匹配结构的低能传输线上使用静电切束，切束束流上升/下降沿时间小于15ns；为散裂中子源的预切束提供了一种新的设备和方法。
Description
技术领域
本申请涉及束流控制领域，特别是涉及一种用于束流脉冲控制的预切束器。
背景技术
在中国散裂中子源(缩写CSNS)中，粒子加速装置是一种使带电粒子增加能量的设备，包括直线加速器和环形加速器。直线加速器将质子束流加速到80Mev，环形加速器将质子束流加速到1.6Gev，然后通过束流引出***将质子束流引出，引出的束流轰击重金属钨靶，获得中子，中子作为探针检测各种材料的微观结构。
其中，直线加速器又包括两段传输线，低能传输线(缩写LEBT)和中能传输线(缩写MEBT)。LEBT位于离子源和四极子加速器(缩写RFQ)之间，MEBT位于RFQ和漂移管加速器(缩写DTL)之间。预切束器是安装在LEBT末端，位于RFQ之前的一个束流控制元件，其功能是切割出符合使用要求的脉冲束流，以避免和减少注入时的束流损失。
美国散裂中子源(缩写SNS)的预切束器是一个分成四瓣结构的单透镜静电切束器，原理是按照一定时序给各瓣结构加载电压，将束流偏转到不同的四个靶点，减小靶点的功率密度。SNS的LEBT采用的是静电聚焦、匹配结构，长度只有12cm，没有空间电荷中和。实验表明其切束束流上升沿和下降沿都在50ns以内。尽管切除的束流理论上都应该打在束靶上，但由于实际所需要的切束电压比设计值大，而特别高的高压脉冲电源实现起来很困难，以至于预切束器不能有效的实现其切束功能，使得部分不满足使用需求的束流也进入到RFQ，并损失在RFQ腔里，对RFQ造成不利影响。
日本散裂中子源(缩写J-PARC)的LEBT为双螺线管的磁聚焦、匹配结构，长度约为50cm。其预切束器为磁合金感应式腔式结构，本质上是一个变压器，当初级加高压方波时，调制电压为8.5kV，就在陶瓷加速间隙感应出等电压方波，束流经过陶瓷间隙时得到加速或减速，能量变高或变低，使得其不满足RFQ的能量接收度，束流损失在RFQ腔内，实现束流脉冲化。日本的预切束器，其变压器铁心材料采用磁合金材料(FINEMET)，腔耗大，预切束器本身制造难度大，且价格非常昂贵；同时，其需要采用8.5kV的调制电压对束流进行能量调制，电源很难实现。更为重要的是，实验表明，其上升/下降沿加上尾巴约有100ns，实验结果并不理想。因此，日本的预切束器基本已经弃用。
发明内容
本申请的目的是提供一种新束流脉冲控制的预切束器，并且，该预切束器已经实际运用于中国散裂中子源，并取得良好效果。
本申请采用了以下技术方案：
本申请公开了一种用于束流脉冲控制的预切束器，包括安装在磁聚焦、匹配结构的低能传输线末端的静电偏转板，为静电偏转板提供电压的电源，以及与静电偏转板配套使用的附属器件；附属器件安装于低能传输线的末端，且位于静电偏转板之前；静电偏转板由两块平整的电极板组成，两块电极板镜像对称安装，并且两块电极板的宽度和安装距离都随束流包络的直径呈正相关的线性变化。
需要说明的是，散裂中子源是一个大型的基础科研设备，预切束器是控制粒子束流的一个重要器件；但是，现有的美国和日本的预切束器结构都无法很好的满足中国散裂中子源的使用，因此，需要重新设计一个新型结构的预切束器。本申请的预切束器，为了得到更加均匀的场强和尽量小的板间及板对地间的电容，设计两块电极板的宽度和安装距离都随束流包络的直径呈正相关的线性变化。
其中，随束流包络的直径呈正相关的线性变化是指，两块电极板的宽度随着束流包络直径变大而变大、缩小而缩小，并且是呈n倍变大或缩小，n为正数，在一个具体的预切束器中，根据具体的使用需求，n是大于1的正数，并且在一个具体的预切束器中n值是确定的，例如本申请的一种应用方式中，安装于散裂中子源的预切束器n为1.2-1.8之间的任意值，优选为1.5，即两块电极板的宽度为束流包络直径的1.2-1.8倍，优选为1.5倍。同样的，两块电极板的安装距离，或者两块电极板之间的距离是随束流包络的直径呈正相关的n’倍变大或缩小，安装于散裂中子源的预切束器n’为1.0-1.4之间的任意值，优选为1.2，即两块电极板之间的距离为束流包络直径的1.0-1.4倍，优选为1.2倍。
还需要说明的是，在散裂中子源的应用中，由于束流包络直径是逐渐变小的，因此，两块电极板的宽度也是逐渐变小的，使得两块电极板呈梯形结构；同时，两块电极板之间的距离也是逐渐缩小的，使得两块电极板短底边靠拢，两块电极板倾斜呈“八”字结构。其中，短底边a1是指梯形电极板中较短的一个底边，侧边是指梯形的两腰，长底边a2是指梯形中较长的一个底边。
此外，本申请中，设置与静电偏转板配套的附属器件的目的是协助静电偏转板更好的完成控制脉冲束流，其主要作用包括，1.将静电场局域化，以避免对预切束器上游的低能传输线空间电荷中和作用的破坏。2.刮掉半径偏大束流粒子，保护抑制电极和预切束器免遭粒子束流的轰击而引起高压打火。只要能够起到这些作用的附属器件都可以用于本申请，在此不做具体限定。但是，本申请的优选方案中，对附属器件进行了详细描述，详见后续的技术方案。
优选的，两块电极板的宽度为束流包络直径的1.2-1.8倍，两块电极板的距离为束流包络直径的1.0-1.4倍。
优选的，两块电极板的宽度为束流包络直径的1.5倍，两块电极板的距离为束流包络直径的1.2倍，并且束流包络为束流强度40mA的束流包络。
需要说明的是，1.5倍束流包络直径的电极板，两块电极板的距离为束流包络直径的1.2倍，以及束流强度40mA的束流包络，这些都是本申请的一种具体实现方式中所采用的优选方案，具体的，就是安装到散裂中子源上的预切束器所采用的优选参数。可以理解，本申请的预切束器不仅可以用于散裂中子源，也可以用于其它需要对束流进行脉冲控制的设备上，因此，只要满足两块电极板的宽度和距离随束流包络的直径而变化都在本申请的保护范围内；而具体的电极板宽度和距离，可以根据使用需求和应用环境而调整，在此不做具体限定。
优选的，电源的最大输出电压小于6kV，电压输出上升/下降沿小于10纳秒。
优选的，本申请的电源的工作电压为3.7kV。
需要说明的是，本申请的预切束器，可以采用较低的电压实现粒子束流的预脉冲化切割，降低了电源制造难度。
优选的，电极板的边缘曲率半径为2.5mm。
需要说明的是，电极板边缘曲率半径的限定是为了避免高压打火，该边缘曲率半径是由偏转板的厚度决定的。
优选的，静电偏转板上并联一个过压保护电阻52。
优选的，过保护电阻的电阻为20kΩ。
需要说明的是，过压保护电阻的作用是，确保打在电极板上的束流在电源脉冲间隙期间对电极板的电位提高可以被忽略，进而确保粒子束流不会产生误偏转。可以理解，本申请的一种实现方式中，即安装到散裂中子源的预切束器中，过保护电阻优选为20kΩ，但是，本申请的预切束器并不只限用于散裂中子源，因此，在其它设备中，可以采用更低或更高电阻的过保护电阻，只要能够起到忽略电源脉冲间隙期间电极板的电位变化即可。在安装到散裂中子源的预切束器中，过压保护电阻是直接设计在为静电偏转板提供电压的电源里面的。
优选的，附属器件包括依序设置的准直器2、抑制电极3和地电极4，准直器2、抑制电极3和地电极4依序安装于低能传输线的末端，且位于静电偏转板1之前，抑制电极3和地电极4通过绝缘件固定连接，地电极4和静电偏转板1也通过绝缘件固定连接。
需要说明的是，准直器和抑制电极的作用是将静电场局域化，以避免对预切束器上游的LEBT空间电荷中和作用的破坏。地电极4的作用是屏蔽抑制电极产生的场对切束器的影响。
优选的，准直器2和地电极4的孔径与束流包络相同。
需要说明的是，准直器2和地电极4的孔径与束流包络相同，其目的是，保护抑制电极和预切束器免遭粒子束流的轰击而引起高压打火。
优选的，每块电极板的长底边上设置由左右两个凸起的安装孔11，其中一块电极板的一个安装孔上开设有用于安装铜线的豁口12。
本申请的有益效果在于：
本申请的预切束器，设计随束流包络而变化的电极板，作为静电偏转板，首次在CSNS磁聚焦、匹配结构的LEBT上使用静电切束，并得到了切束束流上升/下降沿时间小于15ns；为散裂中子源的预切束提供了一种新的设备和方法。
附图说明
图1是本申请实施例中两块电极板的组装结构示意图；
图2是本申请实施例中其中一块电极板的结构示意图，其中A为正面视图、B为侧面视图、C为束流入口端视图、D为立体视图；
图3是本申请实施例中预切束器的安装结构示意图；
图4是本申请实施例中安装预切束器的***图，图中1为静电偏转板、2为准直器、3为抑制电极、4为地电极、5为第一绝缘件、6为第二绝缘件、7为第三绝缘件、11为安装孔和12为豁口；
图5是本申请实施例中为静电偏转板提供电压的电源的电路设计图，图中51为静电偏转板、52为过压保护电阻；
图6和图7是本申请实施例中安装预切束器的散裂中子源的预切束测试结果图；
图8和图9是本申请实施例中安装预切束器的散裂中子源的预切束测试结果图。
具体实施方式
本申请的预切束器率先在散裂中子源磁聚焦匹配结构的低能传输线上使用静电切束，并实现了切束束流上升/下降沿时间小于15ns，达到世界第一的水平。
相应的，本申请的粒子加速装置，在装配本申请的预切束器的时候，还配置了一些匹配器件，包括准直器、抑制电极和地电极等，最终达到切束束流上升/下降沿时间世界第一的水平。
需要说明的是，本申请的预切束器主要是针对中国散裂中子源而研制的，因此，各优选方案中的具体参数都是相对散裂中子源的应用环境和条件的。可以理解，本申请的预切束器，其关键的设计方案是，使静电偏转板的两块电极板的宽度和安装距离随束流包络的直径呈正相关的线性变化，这样可以获得更加均匀的场强，以及更小的板间及板对地间的电容，并且，可以采用更低电压的电源，减小制造难度；因此，本申请的预切束器不仅限用于散裂中子源，还可以用于任意想要实现控制束流脉冲结构的地方。
下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例
本例的预切束器包括安装在磁聚焦、匹配结构的低能传输线末端的静电偏转板，为静电偏转板提供电压的电源，以及与静电偏转板配套使用的附属器件；静电偏转板由两块平整的电极板组成，两块电极板镜像对称安装，并且两块电极板的宽度和安装距离都随束流包络的直径呈正相关的线性变化。因为散裂中子源是一项庞大的工程，为了节省安装和***测试的时间，本例利用仿真计算，设置相同的束流形状，加载相同的电压条件下，比较平行板电极、倾斜板电极、半圆筒电极的偏转效果。其中平行板电极是指将两块电极片完全平行安装，即两块电极板的安装距离保持一样；倾斜板电极是指将两块电极片倾斜安装，如图1所示；半圆筒电极是指将电极片设计呈弧形结构。
经过仿真计算，得出有效场强最强为倾斜板电极。即两块电极片呈镜像对称的倾斜安装。并且，经过计算，电极片的宽度和距离随着束流包络呈连续变化，这样结构的静电偏转板效果最好。电容计算公式C＝ε*ε0*S/d，其中C为电容，ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，S为板件正对面积，d为板间距。电容的大小跟两板之间的横截面积成正比。但又希望偏转板宽度范围内偏转场基本相同，通过计算当偏转板宽度是1.5倍束流包络直径时，束团边沿的偏转场还是小于束团中间的偏转场，但已基本接近；如果宽度采用1倍束流包络直径，那么束团边沿的偏转场更小，偏转板宽度范围内的偏转场更加不均一。至于两块电极板的距离是束流包络直径的1.2倍效果最佳。本例的仿真计算采用的是仿真模拟束流流强为40mA时的情况。
通过仿真计算，最终获得本例的预切束器，其中，静电偏转板如图1所示，由两块梯形的平整的电极板组成，两块电极板镜像对称安装，并且两块电极板的短底边靠拢，使两块电极板倾斜呈“八”字结构；两块电极板的宽度a和距离d随束流包络的直径而变化，具体的，电极板的宽度a为束流强度40mA的束流包络直径的1.5倍，两块电极板的距离d为束流强度40mA的束流包络直接的1.2倍。本例的电极板如图2所示，图中A图为正面视图、B图为侧面视图、C图为束流入口端视图、D图为立体视图；电极板呈梯形结构，电极板的边缘曲率半径为2.5mm，电极板的长度h为50mm，每块电极板的长底边上设置由左右两个凸起的安装孔11，其中一块电极板的一个安装孔上开设有用于安装铜线的豁口12。本例的电源，其工作电压为3.7kV，电压输出上升/下降沿为10纳秒，如图5所示，本例在静电偏转板51上并联一个20kΩ的过压保护电阻52，具体的将该过保护电阻设计到电源中。
为了进一步降低脉冲电源的输出电压和研制难度，同时减小被偏转束流进入RFQ腔体所产生的不良效应，只要求束流不通过RFQ，切除束流损失在RFQ腔内，这时，只需将束流偏转越出RFQ的横向接收度，那么就可以进一步减小偏转电压且省去切束靶。经过计算，当偏转电压为3.8kV，束流在RFQ的通过率可以可靠为零。输出电压3.8kV，这样的脉冲电源相对比较容易制备，并且，其束流能量低，功率小，对RFQ的不良影响也较小。
本例的预切束器主要是针对散裂中子源而设计的，粒子加速装置包括直线加速器和环形加速器，直线加速器自离子源之后依序包括低能传输线、四极子加速器、中能传输线和漂移管加速器；本例的预切束器安装于低能传输线最末端，位于四极子加速器的入口处。预切束器的安装如图3和图4所示，预切束器安装在LEBT最末端，并位于RFQ入口处，预切束器的静电偏转板1之前还依序加装有准直器2、抑制电极3和地电极4等附属器件，抑制电极3和地电极4通过第一绝缘件5固定连接，地电极4和静电偏转板1通过第二绝缘件6固定连接，静电偏转板4通过第三绝缘件7固定在安装支架上。
其中，准直器2的孔径与束流包络相同，以保护抑制电极和预切束器免遭粒子束流的轰击而引起高压打火。准直器2和抑制电极3的作用是将静电场局域化，以避免对预切束器上游的LEBT空间电荷中和作用的破坏。因为准直器和抑制电极可以加电压，在其笼罩的区域范围内产生一个新电场，粒子束流在局域场和非局域场的状态不同。
中国散裂中子源加速器前端***设备，即粒子加速装置，于2015年4月6日完成安装，4月21日，经各个相关***的通力合作，加班加点抢时间进度，完成各个分***设备调试，仅用15天的时间，RFQ加速器便成功出束，在RFQ出口处得到3MeV，脉冲宽度50μs的负氢离子束流，峰值流强达到28mA。
出束过程中，静电预切束器切束加载的切束电压为3.7kV，而之前的理论值为3.8kV，切束结果如图6和图7所示，该静电预切束器将重复频率1HZ，宏脉冲100us切成重复频率1MHz，脉冲长度为500ns的束团。进一步的，从图8和图9中，可以看出，切束束流无论是上升沿还是下降沿长度大约有4到5个射频周期，一个射频周期为3.086ns，因此，切束束流上升/下降沿时间均小于15ns。
可见，本例制备的预切束器，以及安装本例的预切束器的粒子加速装置，采用较低的电源电压，有效的实现了预切束的功能，并且达到了切束束流上升/下降沿时间小于15ns的世界第一水平。较低的电源电压也降低了电源的生产难度和制造成本，为散裂中子源的预切束提供了一种新的设备和方案。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于束流脉冲控制的预切束器，其特征在于：包括安装在磁聚焦、匹配结构的低能传输线末端的静电偏转板，为静电偏转板提供电压的电源，以及与静电偏转板配套使用的附属器件；所述附属器件安装于低能传输线的末端，且位于静电偏转板之前；所述静电偏转板由两块平整的电极板组成，两块电极板镜像对称安装，并且两块电极板的宽度和安装距离都随束流包络的直径呈正相关的线性变化。
2.根据权利要求1所述的预切束器，其特征在于：两块电极板的宽度为束流包络直径的1.2-1.8倍，两块电极板的距离为束流包络直径的1.0-1.4倍。
3.根据权利要求1所述的预切束器，其特征在于：两块电极板的宽度为束流包络直径的1.5倍，两块电极板的距离为束流包络直径的1.2倍，所述束流包络为束流强度40mA的束流包络。
4.根据权利要求1所述的预切束器，其特征在于：所述电源的最大输出电压小于6kV，电压输出上升/下降沿小于10纳秒。
5.根据权利要求1所述的预切束器，其特征在于：所述电源的工作电压为3.7kV。
6.根据权利要求1-5任一项所述的预切束器，其特征在于：所述静电偏转板上并联一个过压保护电阻(52)。
7.根据权利要求6所述的预切束器，其特征在于：所述过压保护电阻的电阻为20kΩ。
8.根据权利要求1-5任一项所述的预切束器，其特征在于：所述附属器件包括依序设置的准直器(2)、抑制电极(3)和地电极(4)，抑制电极(3)和地电极(4)通过绝缘件固定连接，地电极(4)和静电偏转板(1)也通过绝缘件固定连接。
9.根据权利要求8所述的预切束器，其特征在于：所述准直器(2)和地电极(4)的孔径与束流包络相同。
10.根据权利要求1-5任一项所述的预切束器，其特征在于：每块电极板的长底边上设置由左右两个凸起的安装孔(11)，其中一块电极板的一个安装孔上开设有用于安装铜线的豁口(12)。
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