CN112616237A - 一种产生准正弦波脉冲电子束的方法、***和可读介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生准正弦波脉冲电子束的方法、***和可读介质，包括以下步骤：S1根据离子储存环中离子束的回旋频率计算对电子冷却装置中的电子束进行调制的正弦波电压的频率；S2采用步骤S1中获得的频率对应的正弦波电压对电子束进行调整，产生准正弦波脉冲电子束团；S3获取离子储存环中的离子束的波形图；S4判断准正弦波脉冲电子束团的波形与离子束的波形是否匹配，若否，则对正弦波电压的频率进行调整，重复上述步骤，直至获得与离子束的波形匹配的准正弦波脉冲电子束团，并输出。改变电子冷却装置中的电子束与储存环中的离子束相互作用方式，从而解决了离子束损失、离子束存储寿命短的技术问题。

Description

一种产生准正弦波脉冲电子束的方法、***和可读介质

技术领域

本发明涉及一种产生准正弦波脉冲电子束的方法、***和可读介质，属于加速器离子束发射技术领域。

背景技术

离子储存环是一种提高离子束流强、能量和束流品质并长时间存储离子束的加速器装置。电子冷却装置是用于改善离子储存环中离子束束流品质的关键装置。电子冷却装置能够降低储存环中离子束的横向发射度，缩小离子束的横向尺寸和发散角；同时也能够降低储存环中离子束的纵向动量分散，缩小储存环中离子束中离子之间的速度差，从而缩小离子束的纵向束团长度。但电子冷却装置在与离子储存环相互作用时会产生束流不稳定的现象，现有技术中主要采用非对称脉冲电压调制直流电子束的方法进行抑制。

非对称脉冲电压波形如图1所示，脉冲电压序列中正脉冲p₁，p₂……p_n打开电子冷却装置，发射电子束，负脉冲n₁，n₂……n_n关闭电子冷却装置。在电子冷却装置发射的脉冲电子束中，脉冲电子束是均匀分布的，产生脉冲电子束的每一个脉冲电压幅值在该脉冲时域长度内的每个时刻是不变的，即在时域上从tp₀、tp₁......到tp_n的每一时刻的脉冲电压幅值都等于+Vp₁，由于电子束流强与脉冲电压幅值正相关，故每一个时刻产生的电子束流强是相等的，电子束团每一时刻对离子束的冲击作用力也是相等的。由于离子储存环中的离子束具有高斯分布形态，均匀分布的脉冲电子束与高斯分布的离子束相互作用时无法克服离子束团边缘离子损失对离子束寿命的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种产生准正弦波脉冲电子束的方法、***和可读介质，其利用电子束每一时刻对离子束冲击作用力具有单调变化的特征，分析电子束对离子束在离子储存环中的存储寿命的影响。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种产生准正弦波脉冲电子束的方法，包括以下步骤：S1根据离子储存环中离子束的回旋频率计算对电子冷却装置中的电子束进行调制的正弦波电压的频率；S2采用步骤S1中获得的频率对应的正弦波电压对电子束进行调整，产生准正弦波脉冲电子束团；S3获取离子储存环中的离子束的波形图；S4判断准正弦波脉冲电子束团的波形与离子束的波形是否匹配，若是，则输出目前的准正弦波脉冲电子束团，若否，则返回步骤S1，对正弦波电压的频率进行调整，再重复步骤S1-S4，直至获得与离子束的波形匹配的准正弦波脉冲电子束团，并输出。

进一步，对S1中离子储存环中离子束的回旋频率f_i采用下式获得：

β为相对论因子，C为光速3×10⁸m/s，L为储存环周长。

进一步，S2中产生准正弦波脉冲电子束团的具体过程为：触发步骤S1中获得的频率对应的正弦波发生电路，将频率的正弦波电压施加在电子冷却装置的电子枪的控制电极上，产生准正弦波脉冲电子束团。

进一步，通过设置正弦波电压的阈值对准正弦波脉冲电子束团的长度和电流强度进行调整，在正弦波电压的频率超过预设阈值时，输出准正弦波脉冲电子束团。

进一步，阈值越低电子束团的长度越长，电流强度越低；阈值越高电子束团的长度越短，电流强度越高。

本发明公开了一种产生准正弦波脉冲电子束的***，包括：频率计算模块，用于根据离子储存环中离子束的回旋频率计算对电子冷却装置中的电子束进行调制的正弦波电压的频率；电子束团生成模块，用于根据频率计算模块中获得的频率对应的正弦波电压对电子束进行调整，产生准正弦波脉冲电子束团；离子束波形获取模块，用于获取离子储存环中的离子束的波形图；匹配调整模块，用于判断准正弦波脉冲电子束团的波形与离子束的波形是否匹配，若是，则输出目前的准正弦波脉冲电子束团，若否，则返回频率计算模块，对正弦波电压的频率进行调整，直至获得与离子束的波形匹配的准正弦波脉冲电子束团，并输出。

进一步，电子束团生成模块中产生准正弦波脉冲电子束团的具体过程为：触发频率计算模块中获得的频率对应的正弦波发生电路，将频率的正弦波电压施加在电子冷却装置的电子枪的控制电极上，产生准正弦波脉冲电子束团。

进一步，通过设置正弦波电压的阈值对准正弦波脉冲电子束团的长度和电流强度进行调整，在正弦波电压的频率超过预设阈值时，输出准正弦波脉冲电子束团。

进一步，阈值越低电子束团的长度越长，电流强度越高；阈值越高电子束团的长度越短，电流强度越低。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任一项的产生准正弦波脉冲电子束的方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过高频率高压正弦波电压调制电子冷却装置产生的直流电子束，将连续的直流电子束调制为一系列准正弦波分布的脉冲电子束团，改变引出电子束的形状分布及流强大小，电子束与离子储存环中离子束发生作用时，由于正弦波电压产生的电子束电流是按照正弦波曲线变化的，故每一个电子束团对离子束产生的冲击作用力也是按照正弦波曲线形状变化的，电子束团在时域任一时刻以不同的冲击力作用于离子束，利用电子束团每一时刻对离子束冲击作用力具有单调变化的特征研究分析电子束对离子束在储存环中的存储寿命的影响。

2、本发明使高频率高压正弦波电压产生的准正弦波分布的脉冲电子束形态与高斯分布的离子束形态紧密匹配，改变电子冷却装置中的电子束与储存环中的离子束相互作用方式，探索离子束团在储存环中的运动规律，从而解决了离子束损失、离子束存储寿命短的技术问题。

附图说明

图1是现有技术中非对称脉冲电压的波形图；

图2是本发明一实施例中正弦波电压的整体的波形图；

图3是本发明一实施例中正弦波电压的0-2π范围内的波形图；

图4是本发明一实施例中正弦波电压的阈值与电子束电流的对应关系图，其中图4(a)是正弦波电压的波形图，图中线段CD为正弦波电压的阈值；图4(b)是对应的电子束电流的强度；

图5是本发明另一实施例中正弦波电压的阈值与电子束电流的对应关系图，其中图5(a)是正弦波电压的波形图，图中线段CD为正弦波电压的阈值；图5(b)是对应的电子束电流的强度；

图6是本发明一实施例中产生的准正弦波脉冲电子束的时域波形图；

图7是本发明一实施例中准正弦波分布的脉冲电子束波形与离子束波形的比较图；

图8是本发明一实施例中经过正弦波电压参数调整后，准正弦波分布的脉冲电子束波形与离子束波形的比较图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明采用高频率高压正弦波电压将直流电子束调制为准正弦波脉冲电子束团，将生成的准正弦波分布的脉冲电子束团的波形与离子束的波形进行对比，根据对比结果对正弦波电压的参数进行调整，从而得到与离子束波形吻合的准正弦波脉冲电子束团。其通过电子束团在离子束分布的边缘施加较弱的冲击作用，在离子束分布的中心施加较强的冲击作用来研究电子束对离子束的作用效果，探索离子束团损失的内在机理，从而达到减少离子束损失、延长离子束在离子储存环中的寿命效果。

本发明根据离子储存环中不同能量、不同回旋频率的离子束流设计高频率高压正弦波调制发生器，可以通过调节高频率高压正弦波发生器触发驱动信号的频率或幅值来实现输出不同频率及幅值的高压正弦波电压，正弦波电压施加在电子枪控制极上将直流电子束调制为一系列准正弦波分布的非连续的脉冲电子束团。

实施例一

本实施例公开了一种产生准正弦波脉冲电子束的方法，包括以下步骤：

S1根据离子储存环中离子束的回旋频率计算对电子冷却装置中的电子束进行调制的正弦波电压的频率。

离子储存环中离子束的回旋频率f_i采用下式获得：

其中，β为相对论因子，C为光速3×10⁸m/s，L为储存环周长。

例如，若一离子储存环的储存环周长为161米，能量为7MeV/u的离子束回旋频率为0.227MHz。由于注入离子储存环离子的能量不同，回旋频率也存在一个分布区间，对回旋频率为0.2MHz～1.6MHz离子束，准正弦波分布的电子束都可以对其形成有效的纵向冲击。

S2采用步骤S1中获得的频率对应的正弦波电压对电子束进行调整，产生准正弦波脉冲电子束团。

产生准正弦波脉冲电子束团的具体过程为：触发步骤S1中获得的频率对应的正弦波发生电路，将频率的正弦波电压施加在电子冷却装置的电子枪的控制电极上，产生准正弦波脉冲电子束团。

图2是本发明一实施例中正弦波电压的整体的波形图；图3是本发明一实施例中正弦波电压的0-2π范围内的波形图。如图2所示，正弦波相位从0到π相对应的正弦波电压由0上升到最大值再由最大值降为0，正弦波电压正半轴波形p₁，p₂……p_n开启电子枪，负半轴波形n₁，n₂……n_n关闭电子枪。如图3所示，从0到π时，对应的正弦波电压波形在正半轴，正弦波电压由0上升到π/2时刻的最大值为+vp_n，再由最大值+vp_n降为π时的0，为开启电子枪周期；π～2π时，对应的正弦波电压波形在负半轴，为关闭电子枪周期。

正弦波电压的一个周期T＝1/f中：

(1)0～π/2为正弦波电压上升阶段：

如图3所示，从tp₀......到tp_n的每一个时刻，正弦波电压按照正弦波曲线由0上升到最大值+vp_n，正弦波电压产生的电子束流强也按照正弦波曲线由0上升到最大值，电子束对离子束的冲击作用力也按照正弦波曲线由0上升到最大值。

(2)π/2～π为正弦波电压下降阶段：

如图3所示，从tp_n......到tp_m的每一个时刻，正弦波电压按照正弦波曲线下降由最大值+vp_n下降到0，正弦波电压产生的电子束流强也按照正弦波曲线由最大值下降到0，电子束对离子束的冲击作用力也按照正弦波曲线由最大值下降到0。

(3)π～2π，正弦波电压在负半轴关闭电子枪。

由于每一个电子束团对离子束产生的冲击作用力也按照正弦波形状变化，电子束以流强渐变模式对离子束产生冲击作用，准正弦波脉冲电子束与离子束纵向呈现的高斯分布形态相匹配时，在离子束分布的边缘产生较弱的作用，在离子束分布的中心产生较强的作用，对离子束产生均匀、对称、集中的冲击效果。利用高频率高压正弦波电压产生的准正弦波分布的脉冲电子束团每一时刻对离子冲击作用随时间变化的这一特性研究储存环中离子束的损失情况及存储寿命问题。

引出的准正弦波分布的脉冲电子束团的长度以及电子束团的电流强度与正弦波电压的阈值相关，因此可以通过调节正弦波电压的阈值对脉冲电子束团的长度以及电流强度进行调整。在正弦波电压的频率超过预设阈值时，输出准正弦波脉冲电子束团。

图4是本发明一实施例中正弦波电压的阈值与电子束电流的对应关系图，其中图4(a)是正弦波电压的波形图，图中线段CD为正弦波电压的阈值；图4(b)是对应的电子束电流的强度。其中，当正弦波电压阈值为U_t1时，正弦波电压在A点时开启电子枪，继续上升经过C点时大于阈值电压U_t1后产生电子束，沿正弦波曲线上升到最大值后下降到D点，小于阈值电压U_t1后电子束截止，继续降低到B点时关闭电子枪；引出脉冲电子束团的长度为Δt1，脉冲电子束流强最大值为I_t1。

图5是本发明另一实施例中正弦波电压的阈值与电子束电流的对应关系图，其中图5(a)是正弦波电压的波形图，图中线段CD为正弦波电压的阈值；图5(b)是对应的电子束电流的强度。其中，当正弦波电压阈值为U_t2时，高频率正弦波电压在A点时开启电子枪，继续上升经过C点，大于阈值电压U_t2后引出电子束，沿正弦波曲线上升到最大值后下降到D点，小于阈值电压U_t2后电子束截止，继续降低到B点关闭电子枪；引出脉冲电子束团的长度为Δt2，脉冲电子束流强最大值为I_t2。

设U_t1<U_t2，U_t1产生的电子束团长度为Δt1，电子束电流为I_t1；U_t2产生的电子束团长度为Δt2，电流为I_t2，低阈值电压U_t1时，每一个电子束团的长度长，正弦波电压产生的电子束流强大；高阈值电压U_t2时，每一个电子束团的长度短，正弦波电压产生的电子束流强小。即阈值越低电子束团的长度越长，电流强度越高；阈值越高电子束团的长度越短，电流强度越低。调节正弦波电压阈值时电子束团的长度、流强可以随着阈值的变化而变化。

如图6所示，为正弦波电压将直流电子束调制成的一系列不连续的准正弦波脉冲电子束团的时域波形图。

S3获取离子储存环中的离子束的波形图。

S4判断准正弦波脉冲电子束团的波形与离子束的波形是否匹配，若是，则输出目前的准正弦波脉冲电子束团，若否，则返回步骤S1，对正弦波电压的频率进行调整，再重复步骤S1-S4，直至获得与离子束的波形匹配的准正弦波脉冲电子束团，并输出。

以扫描模式改变步骤S1中正弦波电压频率与幅值参数使电子束的准正弦波分布形态与离子束的高斯分布形态紧密匹配，达到电子冷却装置中电子枪引出的准正弦波分布的脉冲电子束对储存环中高斯分布的离子束产生均匀、对称、集中的冲击效果。

具有特定能量的离子束，设其半高宽为FWHM-i，在离子储存环中分布是一定的，正弦波电压波形具有类似高斯分布形态的特征，采用高频率高压正弦波将直流电子束调制为准正弦波脉冲电子束团，改变高频率高压正弦波电压参数使电子束分布形态紧密匹配离子束分布形态，对离子束产生均匀、对称、集中的作用效果。

如图7所示，半高宽为FWHM-e的准正弦波电子束的包络大于高斯分布的离子束包络，即电子束的半高宽大于离子束的半高宽，FWHM-e>FWHM-i，准正弦波脉冲电子束的波形与高斯分布的离子束的波形处于非匹配状态，此时返回步骤S1，对正弦波电压的参数进行调整，使准正弦波脉冲电子束分布不断趋近于高斯分布的离子束，最终获得的准正弦波脉冲电子束的波形图如图8所示，从图8中可以看出，准正弦波脉冲电子束的波形与高斯分布的离子束的波形基本匹配，二者的半高宽也基本相同。

上述实施例描述了高频率高压正弦波发生器电路输出正弦波电压波形及电子枪引出的脉冲电子束信号波形的特征，所列举例子的参数可以根据实验测试需求进行相应的改变。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种产生准正弦波脉冲电子束的***，包括：

频率计算模块，用于根据离子储存环中离子束的回旋频率计算对电子冷却装置中的电子束进行调制的正弦波电压的频率；

电子束团生成模块，用于根据频率计算模块中获得的频率对应的正弦波电压对电子束进行调整，产生准正弦波脉冲电子束团；

离子束波形获取模块，用于获取离子储存环中的离子束的波形图；

匹配调整模块，用于判断准正弦波脉冲电子束团的波形与离子束的波形是否匹配，若是，则输出目前的准正弦波脉冲电子束团，若否，则返回频率计算模块，对正弦波电压的频率进行调整，直至获得与离子束的波形匹配的准正弦波脉冲电子束团，并输出。

电子束团生成模块中产生准正弦波脉冲电子束团的具体过程为：触发频率计算模块中获得的频率对应的正弦波发生电路，将频率的正弦波电压施加在电子冷却装置的电子枪的控制电极上，产生准正弦波脉冲电子束团。

其中，可以通过设置正弦波电压的阈值对准正弦波脉冲电子束团的长度和电流强度进行调整，在正弦波电压的频率超过预设阈值时，输出准正弦波脉冲电子束团。阈值越低电子束团的长度越长，电流强度越高；阈值越高电子束团的长度越短，电流强度越低。

实施例三

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现实施例一中任一种的产生准正弦波脉冲电子束的方法。

本发明中电子束团在时域任一时刻以不同的冲击力作用于离子束，利用电子束团每一时刻对离子束冲击作用力具有单调变化的特征研究分析电子束对离子束在储存环中的存储寿命的影响。且本发明通过将准正弦波分布的脉冲电子束形态与高斯分布的离子束形态紧密匹配，改变电子冷却装置中的电子束与储存环中的离子束相互作用方式，探索离子束团在储存环中的运动规律，从而实现减少离子束损失、延长离子束存储寿命的效果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种产生准正弦波脉冲电子束的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1根据离子储存环中离子束的回旋频率计算对电子冷却装置中的电子束进行调制的正弦波电压的频率；

S2采用步骤S1中获得的频率对应的正弦波电压对所述电子束进行调整，产生准正弦波脉冲电子束团；

S3获取离子储存环中的离子束的波形图；

S4判断所述准正弦波脉冲电子束团的波形与所述离子束的波形是否匹配，若是，则输出目前的所述准正弦波脉冲电子束团，若否，则返回步骤S1，对所述正弦波电压的频率进行调整，再重复步骤S1-S4，直至获得与所述离子束的波形匹配的准正弦波脉冲电子束团，并输出。

2.如权利要求1所述的产生准正弦波脉冲电子束的方法，其特征在于，对所述S1中离子储存环中离子束的回旋频率f_i采用下式获得：

其中，β为相对论因子，C为光速3×10⁸m/s，L为储存环周长。

3.如权利要求1所述的产生准正弦波脉冲电子束的方法，其特征在于，所述S2中产生准正弦波脉冲电子束团的具体过程为：触发步骤S1中获得的频率对应的正弦波发生电路，将所述频率的正弦波电压施加在所述电子冷却装置的电子枪的控制电极上，产生准正弦波脉冲电子束团。

4.如权利要求3所述的产生准正弦波脉冲电子束的方法，其特征在于，通过设置所述正弦波电压的阈值对所述准正弦波脉冲电子束团的长度和电流强度进行调整，在所述正弦波电压的频率超过预设阈值时，输出所述准正弦波脉冲电子束团。

5.如权利要求4所述的产生准正弦波脉冲电子束的方法，其特征在于，所述阈值越低所述电子束团的长度越长，电流强度越高；所述阈值越高所述电子束团的长度越短，电流强度越低。

6.一种产生准正弦波脉冲电子束的***，其特征在于，包括：

频率计算模块，用于根据离子储存环中离子束的回旋频率计算对电子冷却装置中的电子束进行调制的正弦波电压的频率；

电子束团生成模块，用于根据所述频率计算模块中获得的频率对应的正弦波电压对所述电子束进行调整，产生准正弦波脉冲电子束团；

离子束波形获取模块，用于获取离子储存环中的离子束的波形图；

匹配调整模块，用于判断所述准正弦波脉冲电子束团的波形与所述离子束的波形是否匹配，若是，则输出目前的所述准正弦波脉冲电子束团，若否，则返回频率计算模块，对所述正弦波电压的频率进行调整，直至获得与所述离子束的波形匹配的准正弦波脉冲电子束团，并输出。

7.如权利要求6所述的产生准正弦波脉冲电子束的***，其特征在于，所述电子束团生成模块中产生准正弦波脉冲电子束团的具体过程为：触发频率计算模块中获得的频率对应的正弦波发生电路，将所述频率的正弦波电压施加在所述电子冷却装置的电子枪的控制电极上，产生准正弦波脉冲电子束团。

8.如权利要求7所述的产生准正弦波脉冲电子束的***，其特征在于，通过设置所述正弦波电压的阈值对所述准正弦波脉冲电子束团的长度和电流强度进行调整，在所述正弦波电压的频率超过预设阈值时，输出所述准正弦波脉冲电子束团。

9.如权利要求8所述的产生准正弦波脉冲电子束的***，其特征在于，所述阈值越低所述电子束团的长度越长，电流强度越高；所述阈值越高所述电子束团的长度越短，电流强度越低。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-5任一项所述的产生准正弦波脉冲电子束的方法。

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