[发明专利]场稳定性调谐方法

说明书

本发明涉及一种阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的场稳定性调谐方法，其中，所述阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的各个加速间隙分别构成一个加速单元，该方法包括：步骤S1：为阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器构建传输线模型，所述传输线模型将漂移管、支撑杆和杆耦合器结构等效为传输线等效电路中的阻抗参量，能够根据各杆耦合器插入深度得出直线加速器腔体的工作模式频率以及各加速单元的电场分布；步骤S2：将杆耦合器插入直线加速器的腔体，不断测量腔体的倾斜敏感度并根据基于所构建的传输线模型从当前杆耦合器插入深度出发向倾斜敏感度最小的方向进行的迭代计算结果调节杆耦合器插入深度，直至得出倾斜敏感度达到要求时的各杆耦合器插入深度。

技术领域

本发明涉及一种场稳定性调谐方法，尤其是一种用于阿尔瓦列兹 (Alvarez)型漂移管直线加速器(DTL)的场稳定性调谐方法。

背景技术

阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器能够对低能质子束或重离子束进行加速，是质子重离子加速器领域常用的低能直线加速器之一。阿尔瓦兹型漂移管直线加速器通常接在射频四极(RFQ)加速器后对质子重离子束进一步加速，常用于同步加速器的注入器。

阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器通过在圆柱形谐振腔内沿射束前进方向配置两个以上中空圆柱形状的漂移管电极来构成，如图1所示。对圆柱形谐振腔内提供高频功率，以漂移管电极之间产生的高频电场对质子重离子沿射束前进方向进行加速。将漂移管电极的配置设计成当高频电场的朝向与射束前进方向相反时，带电粒子存在于漂移管电极之内。各个漂移管电极及两侧的半个漂移管之间的加速间隙分别构成一个加速单元。

阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的谐振腔工作模式为横磁(TM)模式，由于射频结构的特殊性，阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器具有场分布不稳定的特性，即腔体场分布对腔体内部尺寸变化敏感，容易激发其它接近频率的谐振模式。目前国际上主流提高场稳定性的方法是在漂移管直线加速器腔体中引入杆耦合器结构。由于阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器通常含有大量的杆耦合器并且杆耦合器之间的作用效果相互影响，因此需要依赖场稳定性调谐方法实现场稳定性调谐。如图2所示。在腔体的冷测调谐过程中通过调整杆耦合器在腔体中的插入深度(即改变杆耦合器与漂移管之间的距离)实现场稳定性调谐。

阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器谐振腔的工作模式为横磁模式中的 TM010模式，实际上阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器谐振腔中还可以存在其它横磁模式，其中与工作模式相邻的横磁模式为工作模式相邻横磁模式 (TM011)模式。在杆耦合器插入腔体后杆耦合器之间共振形成杆耦合器(PC) 模式，其中所有杆耦合器(PC)模式中频率最高的模式为最高杆耦合器模式 (PC01)模式。

当前，以倾斜敏感度作为阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的场稳定性的表征指标，倾斜敏感度的测量方式为：测量各加速单元的电压分布V₁，在阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器入口端和出口端分别引入频率微扰δf和-δf，再测量扰动后各加速单元的电压分布V₂，然后以下式计算倾斜敏感度：

T＝(V₂-V₁)/(δfV₁)。 (1)

其中，倾斜敏感度越大表明场稳定性越差。

目前国际上现有的主流阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器的场稳定性调谐方法是试错法。顾名思义，试错法需要人为地在调谐过程中对杆耦合器与场稳定性之间的关系进行总结，根据各个加速单元当前的场稳定性及杆耦合器对场稳定性的作用趋势进行插入深度的估计，在调谐过程中需要调谐人员反复试错，直到场稳定性达到指标要求。对于杆耦合器数量较多的阿尔瓦列兹型漂移管直线加速器，试错法会使调谐人员的工作时间和工作量线性增加。

发明内容