[发明专利]一种激光加速质子束流的均匀化方法

权利要求书

1.一种激光加速质子束流的均匀化方法，其特征在于，所述均匀化方法包括以下步骤：

1)设置激光加速质子束流均匀化系统：

沿着束流传输方向依次设置束流收集段、能量选择段、束流均匀化传输线和束流整形传输线；激光打靶产生的束流经过束流收集段与能量选择段，获得理想能量的质子束流；理想能量的质子束流的横向分布为高斯分布，理想能量粒子经过束流均匀化传输线，完成束流均匀分布的操作，最后通过束流整形传输线，获得截面为矩形的均匀质子束流；经过束流收集段以及能量拓展选择段后的质子束流进入束流均匀化输运线中，沿Z方向进行运动；传输至束流均匀化输运线中的质子束流是在XOY平面高斯分布的圆形束流，束流中心为同步粒子，即理想状态运动的粒子；

在束流均匀化传输线中依次设置第一X方向扁平磁场转置四极磁铁、第二X方向扁平磁场转置四极磁铁、第一高阶磁铁、第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁、第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁和第二高阶磁铁；第一和第二X方向扁平磁场转置四极磁铁产生的磁场对质子束流均为在X方向散焦且在Y方向聚焦；第二X方向扁平磁场转置四极磁铁与第一块四极磁铁的摆放距离尽可能短，仅预留出安装位置；第一高阶磁铁与第二X方向扁平磁场转置四极磁铁之间有距离；第一和第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁产生的磁场对质子束流均为在Y方向散焦且在X方向聚焦；第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁与第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的摆放距离尽可能短，仅预留出安装位置；第二高阶磁铁与第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁之间有距离；第一X方向扁平磁场转置四极磁铁与第二X方向扁平磁场转置四极磁铁的安装中心的距离为第一束流漂移段，第二X方向扁平磁场转置四极磁铁与第一高阶磁铁之间的距离为第二束流漂移段，第一高阶磁铁与第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁之间的距离为第三束流漂移段，第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁与第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的安装中心的距离为第四束流漂移段，第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁与第二高阶磁铁的距离为第五束流漂移段；

2)束流进入束流均匀化传输线前的运动状态为：

其中，R_x0、x₀和x′₀分别为进入束流均匀化传输线前的X方向的运动状态矩阵、位置和动量；R_y0、y₀和y′₀分别为进入束流均匀化传输线前的Y方向的运动状态矩阵、位置和动量；R_z0、z₀和z′₀分别为进入束流均匀化传输线前的Z方向的运动状态矩阵、位置和动量；

3)以同步粒子为中心的质子束流沿Z轴方向通过第一X方向扁平磁场转置四极磁铁的磁中心，质子束流在磁场的作用下将沿X方向拉伸的同时沿Y方向压缩，X方向拉伸的程度分别与磁场的强度和漂移距离成正比，磁场的强度与施加的电流成正比，拉伸的尺寸随着质子束流的漂移距离的增加和磁铁电流的增加而增加，束流经过第一X方向扁平磁场转置四极磁铁后的运动状态为：

其中，R_x1、R_y1和R_z1分别为经过第一X方向扁平磁场转置四极磁铁后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，和分别为经过第一X方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，f_x1和f_y1分别为第一X方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度，x₁、y₁和z₁分别为经过第一X方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₁、y′₁和z′₁分别为经过第一X方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的动量；

4)质子束流通过第一X方向扁平磁场转置四极磁铁后经过第一束流漂移段进入第二X方向扁平磁场转置四极磁铁，束流经过第一束流漂移段进入第二X方向扁平磁场转置四极磁铁前的运动状态为：

其中，R_x2、R_y2和R_z2分别为经过第一束流漂移段后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，R_xx1、R_yy1和R_zz1分别为经过第一束流漂移段的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，x₂、y₂和z₂分别为经过第一束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₂、y′₂和z′₂分别为经过第一束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的动量，Δs₁为第一束流漂移段的距离，γ为束流的相对速度；

5)束流通过第一束流漂移段后进入第二X方向扁平磁场转置四极磁铁，同步粒子通过第二X方向扁平磁场转置四极磁铁的磁中心，质子束流在磁场的作用下继续沿X方向拉伸的同时沿Y方向压缩，经过第一和第二X方向扁平磁场转置四极磁铁将质子束流X方向拉伸且Y方向压缩，质子束流的X方向具有扁平化趋势，束流经过第二X方向扁平磁场转置四极磁铁后的运动状态为：

其中，R_x3、R_y3和R_z3分别为经过第二X方向扁平磁场转置四极磁铁后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，和分别为经过第二X方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，f_x2和f_y2分别为第二X方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度，x₃、y₃和z₃分别为经过第二X方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₃、y′₃和z′₃分别为经过第二X方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的动量；

6)从第二X方向扁平磁场转置四极磁铁出来后，质子束流经过第二束流漂移段漂移，质子束流在漂移的过程中横纵比逐渐变大，束流经过第二束流漂移段进入第一高阶磁铁前的运动状态为：

其中，R_x4、R_y4和R_z4分别为经过第二束流漂移段后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，R_xx2、R_yy2和R_zz2分别为经过第二束流漂移段的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，x₄、y₄和z₄分别为经过第二束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₄、y′₄和z′₄分别为经过第二束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的动量，Δs₂为第二束流漂移段的距离；

7)当质子束流漂移至横纵比大于等于4:1时，穿过第一高阶磁铁的磁中心；第一高阶磁铁产生的磁场沿X方向在接近磁中心位置时呈线性缓慢变化，远离磁中心时会迅速增大，从而使得X方向远离磁中心的质子束流受到更大的磁场力进而导致丝化，并逐步向中心的同步粒子靠拢；束流经过第一高阶磁铁前的运动状态为：

其中，R_x5、R_y5和R_z5分别为经过第一高阶磁铁后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，和分别为经过第一高阶磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，f_x3和f_y3分别为第一高阶磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度，x₅、y₅和z₅分别为经过第一高阶磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₅、y′₅和z′₅分别为经过第一高阶磁铁后的沿X方向、Y方向和Z方向的动量；

8)在经过第一高阶磁铁后，质子束流经过第三束流漂移段漂移，在漂移的过程中，远离质子束流中心的粒子受到更强的力而向中心运动，使得原本呈高斯分布的质子束流，沿X方向分布逐渐均匀，束流经过第三束流漂移段进入第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁前的运动状态为：

其中，R_x6、R_y6和R_z6分别为经过第三束流漂移段后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，R_xx3、R_yy3和R_zz3分别为经过第三束流漂移段的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，x₆、y₆和z₆分别为经过第三束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₆、y′₆和z′₆分别为经过第三束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的动量，Δs₃为第三束流漂移段的距离；

9)沿X方向均匀分布后的质子束流进入第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁，进行Y方向解耦合；同步粒子通过第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁的磁中心，质子束流在磁场的作用下沿Y方向拉伸的同时沿X方向压缩，Y方向拉伸的程度分别与磁场的强度和漂移距离成正比，拉伸的尺寸随着质子束流的漂移距离的增加和磁铁电流的增加而增加，束流经过第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁后的运动状态为：

其中，R_x7、R_y7和R_z7分别为经过第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，和分别为经过第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，f_x4和f_y4分别为第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度，x₇、y₇和z₇分别为经过第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₇、y′₇和z′₇分别为经过第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的动量；

10)质子束流经过第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁后经过第四束流漂移段进入第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁，束流经过第四束流漂移段进入第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁前的运动状态为：

其中，R_x8、R_y8和R_z8分别为经过第四束流漂移段后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，R_xx4、R_yy4和R_zz4分别为经过第四束流漂移段的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，x₈、y₈和z₈分别为经过第四束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₈、y′₈和z′₈分别为经过第四束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的动量，Δs₄为第四束流漂移段的距离；

11)同步粒子通过第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的磁中心，质子束流在磁场的作用下继续沿Y方向拉伸的同时沿X方向压缩，经过第一和第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁将质子束流Y方向拉伸且X方向压缩，质子束流的Y方向具有扁平化趋势，束流经过第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁后的运动状态为：

其中，R_x9、R_y9和R_z9分别为经过第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，和分别为经过第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，f_x5和f_y5分别为第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度，x₉、y₉和z₉分别为经过第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₉、y′₉和z′₉分别为经过第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的动量；

12)从第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁出来后，质子束流经过第五束流漂移段漂移，质子束流在漂移的过程中横纵比逐渐变小，束流经过第五束流漂移段进入第二高阶磁铁前的运动状态为：

其中，R_x10、R_y10和R_z10分别为经过第五束流漂移段后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，R_xx5、R_yy5和R_zz5分别为经过第五束流漂移段的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，x₁₀、y₁₀和z₁₀分别为经过第五束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′₁₀、y′₁₀和z′₁₀分别为经过第五束流漂移段后的沿X方向、Y方向和Z方向的动量，Δs₅为第五束流漂移段的距离；

13)当质子束流漂移至横纵比小于等于1:4时，通过第二段高阶磁铁的磁中心；第二高阶磁铁产生的磁场沿Y方向在接近磁中心位置时呈线性缓慢变化，远离磁中心时会迅速增大，从而使得Y方向远离磁中心的质子束流受到更大的磁场力进而导致丝化，并逐渐向中心的同步粒子靠拢，；在经过第二高阶磁铁后，质子束流漂移，在漂移的过程中，远离质子束流中心的粒子受到更强的力而向中心运动，使得原本呈高斯分布的质子束流，沿Y方向分布逐渐均匀，束流经过后的第二段高阶磁铁的运动状态为：

其中，R_x、R_y和R_z分别为经过第二高阶磁铁后的X方向、Y方向和Z方向的运动状态矩阵，和分别为经过第二高阶磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的传输矩阵，f_x6和f_y6分别为第二高阶磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度，x、y和z分别为经过第二高阶磁铁的沿X方向、Y方向和Z方向的位置，x′、y′和z′分别为经过第二高阶磁铁后的沿X方向、Y方向和Z方向的动量；

通过分别设置第一X方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度f_x1和f_y1，第二X方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度f_x2和f_y2，第一高阶磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度f_x3和f_y3，第一Y方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度f_x4和f_y4，第二Y方向扁平磁场转置四极磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度f_x5和f_y5，第二高阶磁铁的X方向与Y方向的聚焦强度f_x6和f_y6，第一束流漂移段的距离Δs₁，第二束流漂移段的距离Δs₂第三束流漂移段的距离，Δs₃，第四束流漂移段的距离Δs₄，第五束流漂移段的距离Δs₅，使得X方向和Y方向的束流均匀化，实现经过第二高阶磁铁后的质子束流横截面逐渐变为均匀分布的矩形束流。