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一种粒子注入系统及环形粒子加速器

阅读：309发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种粒子注入系统及环形粒子加速器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请公开了一种粒子注入系统及环形粒子加速器，其中，粒子注入系统利用跳变磁铁为注入束流提供预设周期的脉冲磁场，以使注入束流经过跳变磁铁的入射间隙时，传输速度方向发生跳变，也就是使注入束流的发射度相椭圆发生跳变，从而使得注入束流的发射度相椭圆落入环形粒子加速器接受度相椭圆内，进而完成注入束流的注入过程。并且由于跳变磁铁提供的脉冲磁场的脉冲宽度与环形粒子加速器的储存束流的回旋周期之比小于设定值，从而使得注入束流在进入环形粒子加速器后可以借助横向振荡振幅阻尼振荡衰减过程，被环形粒子加速器的射频加速电场捕获，同样由于脉冲磁场的脉冲宽度较小这一特点，使得该脉冲磁场不会对环形粒子加速器的储存束流产生扰动。，下面是一种粒子注入系统及环形粒子加速器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种粒子注入系统，其特征在于，应用于环形粒子加速器，所述粒子注入系统包括：
单向磁铁和跳变磁铁；其中，
所述单向磁铁设置于所述环形粒子加速器的注入束流管道朝向闭轨一侧，用于向朝向所述闭轨一侧提供磁场，以改变注入束流的传输角度；
所述跳变磁铁具有入射间隙，所述入射间隙设置于所述环形粒子加速器的注入点下游的预设距离处，用于提供预设周期的脉冲磁场，所述脉冲磁场的脉冲宽度与所述环形粒子加速器的储存束流的回旋周期之比小于设定值，所述设定值小于1，以使所述注入束流经过所述入射间隙时，传输速度的方向发生跳变；
所述单向磁铁朝向所述跳变磁铁一侧与所述注入点重合。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述设定值小于百分之一。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设周期与所述注入束流的粒子注入周期相同。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单向磁铁为跳变磁铁。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单向磁铁为直流二极磁铁。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述单向磁铁为扇形直流二极磁铁或平行边二极磁铁。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲磁场为梯形脉冲磁场。
8.一种环形粒子加速器，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的粒子注入系统。

说明书全文

一种粒子注入系统及环形粒子加速器

技术领域

[0001] 本申请涉及加速器物理技术领域，更具体地说，涉及一种粒子注入系统及环形粒子加速器。

背景技术

[0002] 环形粒子加速器不仅是探索粒子物理的重要装备之一，也是现代先进光源重要装备之一，向环形粒子加速器中注入粒子的过程也是环形粒子加速器工作的一个重要阶段。现有技术中向环形粒子加速器中注入粒子的过程，大多为采用冲击磁铁或凸轨磁铁组合移动环形粒子加速器接受度相椭圆，使得此接受度相椭圆覆盖注入束流发射度相椭圆的过程，俗称凸轨注入过程，具体过程参考图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(b)；图1(a)表示环形粒子加速器相椭圆被移动之前的示意图，图1(b)表示环形粒子加速器相椭圆中心大到最大凸轨之后的示意图，图1(c)表示环形粒子加速器相椭圆的移动中间过程的示意图，图1(d)表示环形粒子加速器相椭圆返回储存束流之后的示意图；在图1(a)-(d)中，标号A1表示所述环形粒子加速器的动力学孔径(Dynamic aperture)，标号A2表示储存束流，标号A3表示切割磁铁磁场(Septum magnetic field)。

[0003] 显然，这样的注入过程，从机制上可称为移动环形粒子加速器接受度相椭圆的注入过程。此过程是借助一组冲击磁铁或凸轨磁铁移动环形粒子加速器横向接受度相椭圆，使得环形粒子加速器的闭轨(理想粒子轨道)在注入点邻域发生局部凸起，同时使得储存束流随着凸轨也在注入点上、下游邻域向来自注入器的束流轨道靠拢，使得环形粒子加速器的横向接受度相椭圆包含了入射束流的横向发射度相椭圆。或者因此我们说，此过程中入射束流的横向发射度相椭圆落入已经移位的环型环形粒子加速器横向接受度相椭圆内。以移动横向发射度相椭圆来实现入射束流(没有进入环形粒子加速器的注入束流)对环型环形粒子加速器注入，设计精确的凸轨注入系统对储存束流是没有扰动的。但是，多个冲击磁铁的组合运行时，来自多个冲击磁铁的脉冲启动时刻抖动与脉冲幅值跳动，会对储存束流产生扰动，严重时会导致储存束流丢失。

[0004] 因此总的来说，凸轨注入过程存在一些问题，例如：移动环形粒子加速器接受度相椭圆的过程一般会对存储束流产生扰动，引起储存束流的不稳定；特别是为了维持环形粒子加速器的高亮度(或高功率)运行，采用凸轨注入的TOP-off注入模式，会持续增大对储存束流的扰动，从而可能造成存储束流的丢失。发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种粒子注入系统及环形粒子加速器，以达到消除粒子注入过程中对环形粒子加速器的存储束流造成扰动过程的目的。

[0006] 为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

[0007] 一种粒子注入系统，应用于环形粒子加速器，所述粒子注入系统包括：单向磁铁和跳变磁铁；其中，

[0008] 所述单向磁铁设置于所述环形粒子加速器的注入束流管道朝向闭轨一侧，用于向朝向所述闭轨一侧提供磁场，以改变注入束流的传输角度；

[0009] 所述跳变磁铁具有入射间隙，所述入射间隙设置于所述环形粒子加速器的注入点下游的预设距离处，用于提供预设周期的脉冲磁场，所述脉冲磁场的脉冲宽度与所述环形粒子加速器的储存束流的回旋周期之比小于设定值，所述设定值小于1，以使所述注入束流经过所述入射间隙时，传输速度的方向发生跳变；

[0010] 所述单向磁铁朝向所述跳变磁铁一侧与所述注入点重合。

[0011] 可选的，所述设定值小于百分之一。

[0012] 可选的，所述预设周期与所述注入束流的粒子注入周期相同。

[0013] 可选的，所述单向磁铁为跳变磁铁。

[0014] 可选的，所述单向磁铁为直流二极磁铁。

[0015] 可选的，所述单向磁铁为扇形直流二极磁铁或平行边二极磁铁。

[0016] 可选的，所述脉冲磁场为梯形脉冲磁场。

[0017] 一种环形粒子加速器，包括上述任一项所述的粒子注入系统。

[0018] 从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种粒子注入系统及环形粒子加速器，其中，所述粒子注入系统包括单向磁铁和跳变磁铁，利用跳变磁铁为注入束流提供预设周期的脉冲磁场，以使所述注入束流经过所述跳变磁铁的入射间隙时，传输速度的方向发生跳变，也就是使所述注入束流的发射度相椭圆发生跳变，从而使得注入束流的发射度相椭圆落入环形粒子加速器接受度相椭圆内，进而完成注入束流的注入过程。并且由于所述跳变磁铁提供的脉冲磁场的脉冲宽度与所述环形粒子加速器的储存束流的回旋周期之比小于设定值，从而使得注入束流在进入所述环形粒子加速器后可以借助横向振荡振幅阻尼振荡衰减过程，被所述环形粒子加速器的射频加速电场捕获，同样由于所述脉冲磁场的脉冲宽度较小这一特点，使得该脉冲磁场不会对环形粒子加速器的储存束流产生扰动。

[0019] 进一步的，利用所述粒子注入系统使所述注入束流的传输速度的方向发生跳变的量级只要亚毫弧度(mrad)量级即可完成粒子注入过程，大大降低了对于以往冲击磁铁的磁场作用量的要求，从而降低了所述粒子注入系统的整体设计和制造的难度。附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0021] 图1(a)-图1(d)为现有技术中利用凸轨注入的流程示意图；

[0022] 图2为本申请的一个实施例提供的一种粒子注入系统的结构示意图；

[0023] 图3为本申请的一个实施例提供的粒子注入过程中储存束流发射度、环形加速器接受度与跳变磁铁的示意图。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 本申请实施例提供了一种粒子注入系统，如图2所示，应用于环形粒子加速器，所述粒子注入系统包括：单向磁铁10和跳变磁铁20；其中，

[0026] 所述单向磁铁10设置于所述环形粒子加速器的注入束流管道朝向闭轨一侧，用于向朝向所述闭轨一侧提供磁场，以改变注入束流的传输角度；

[0027] 所述跳变磁铁20具有入射间隙，所述入射间隙设置于所述环形粒子加速器的注入点下游的预设距离处，用于提供预设周期的脉冲磁场，所述脉冲磁场的脉冲宽度与所述环形粒子加速器的储存束流的回旋周期之比小于设定值，所述设定值小于1，以使所述注入束流经过所述入射间隙时，传输速度的方向发生跳变；

[0028] 所述单向磁铁10朝向所述跳变磁铁20一侧与所述注入点重合。

[0029] 图2中的标号30表示所述注入束流，标号40表示构成所述环形粒子加速器的二极磁铁，标号50表示构成所述环形粒子加速器的四极磁铁，标号60表示所述环形粒子加速器的闭轨。

[0030] 需要说明的是，所述单向磁铁10主要用于向朝向所述闭轨一侧提供磁场，其背离所述闭轨一侧的磁场强度需要小于朝向所述闭轨一侧磁场的千分之一。在本申请的其他实施例中，所述单向磁铁10可以是切割磁铁，由于本系统并不特别要求切割磁铁靠近环形粒子加速器真空管道安放，因此完全可以用直流二极磁铁取代，安放在远离环形粒子加速器真空管道的位置。而且用于调整注入束流的入射角度是直流二极磁铁可以采用性能良好的扇形直流二极磁铁，调整入射角度的精度达到0.01mrad的量级，直流二极磁铁的设计制造精度可以优于10-4，是可以达到这样的精度的。另外，在本申请的其他实施例中，所述单向磁铁10还可以为平行边二极磁铁，本申请对所述单向磁铁10的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

[0031] 优选的，所述脉冲磁场为梯形脉冲磁场。

[0032] 本系统是让入射束流(未进入所述环形粒子加速器的注入束流)首次穿越跳变磁铁20的入射间隙时，该跳变磁铁20的脉冲磁场与入射束流首次穿越此脉冲磁入射间隙的时刻同步，在脉冲磁场作用下入射束流的x′坐标跳变，实现缩小注入束流发射度相椭圆的目的，而后借助横向振荡振幅阻尼衰减过程，入射束流被射频加速电场捕获。为了确保入射束流随后再次穿越此磁间隙时不会“看见”此脉冲磁场，要求脉冲磁场的梯形波宽度远小于储存束流的回旋周期。由于本系统中，入射束流发射度相椭圆的跳变缩小的Δx′，只有亚mrad量级，跳变磁铁20的磁场作用量ΔBΔL也非常低，对于目前中国科学家建议的正在Pre-CDR的超级质子对撞机，其注入能量对应的ΔBΔL值为2Tm量级；正在Pre-CDR的合肥国家大科学中心未来先进光源储存环对应的ΔBΔL值不超过40Gm量级。对于这样强度的跳变磁铁20，设计与制造的技术难度很小。

[0033] 我们分析认为，采用类似于小尺寸的跳变磁铁20，将有磁场空间局限于入射束流能够首次穿越的运行Lattice模式动力学孔径的合适位置(以合肥同步辐射光源HLS运行光源切割板对应的物理孔径29mm为入射点的最大边界)，入射束流在注入点(以HLS光源运行模式为例，注入点的径向坐标为33mm)以稍负小角度穿越小尺寸跳变磁铁20磁场中心(本申请称此点为入射点，以HLS光源运行模式为例，距储存束轨道的径向坐标为28.5mm)，磁场波形平顶区域中心与入射束流首次穿越时刻吻合，使得入射束流获得大小等于入射角度的正向偏转角度。这样，入射束以零偏转角度跳变至沿28.5mm径向尺寸对应的相椭圆回旋。以HLS现有运行光源模式为例，入射束团回旋至9圈时返回至28.5mm位置附近。由于跳变磁铁20的磁场波形仅仅40ns，远小于束流回旋时间220ns，入射束流返回入射点时已经感受不到此脉冲磁场作用。入射束流终将在阻尼衰减机制下束流发射度相椭圆继续缩小，最终成为储存束流的一部分。外部注入束流变成储存束流的成份，经历了二个缩小发射度的过程。注入束流首次穿越入射点前在33mm孔径对应的相椭圆上，在入射点受到脉冲磁场作用下跳变至28.5mm孔径对应的相椭圆上，即入射束在33mm孔径对应的相椭圆上跳变至28.5mm孔径对应相椭圆上，入射束的发射度相椭圆由33×1.75πmm·mrad跳变缩小至28×1.56πmm·mrad的相椭圆。显然，入射束的发射度相椭圆，在此脉冲磁场作用下跳变缩小了。所以，我们称此注入过程为，跳变缩小注入束流发射度的注入概念(机制)。其中的关键技术，是采用小尺寸跳变磁铁20的脉冲磁场的作用，安装在仅仅对入射束流首次穿越脉冲磁场起作用的位置，对储存束流没有影响，对入射束流的后续穿越也没有影响。在此之后的入射束发射度相椭圆继续缩小的过程，作用机制是环型加速器的本身的同步辐射阻尼机制或环型加速器的自有Lattice结构在起作用。

[0034] 一般而言，本系统对于较大动力学孔径的环形粒子加速器(动力学孔径在100σ以上的环形粒子加速器)的适用性较好，对于动力学孔径的较小的环形粒子加速器则需要精确的设计单向磁铁10和跳变磁铁20的参数以及设置位置。以180GeV注入能量的质子为例，如果注入点与入射点径向坐标差异约10mm，如果由注入点相椭圆至入射点的相椭圆，轨道方向相差0.2mrad，则质子获得+0.2mrad的偏转角度的脉冲磁场路作用量ΔBΔL是：

[0035] ΔBΔL＝0.12071Tm

[0036] 由此数据可以看出，0.24142T×0.5m跳变磁铁20制造技术是常规脉冲磁场技术。因此，所述粒子注入系统使入射束流方向发生跳变，并进入环型加速器的储存束流前行方向，使得注入束流在环型加速器的接受度相椭圆内继续安全地做横向振荡阻尼衰减运行，在技术上完全是有可能的。

[0037] 还需要说明的是，在具体使用过程中，切割磁铁置放于注入长直线真空盒(或管道)下游的外侧，跳变磁铁20置放于注入点下游足够距离处。此距离与注入粒子的入射角度，足以使得被注入粒子的x或z坐标进入环型加速器的动力学孔径或物理孔径内。脉冲磁场使得被注进的粒子速度方向发生跳变，变得几乎平行于理想闭轨，此时被注进粒子束发射度相椭圆跳变缩小，进入该加速器物理接受度相椭圆以内。

[0038] 这样的单个跳变磁铁20的脉冲磁场作用，跳变缩小注入束流发射度相椭圆的注入过程，是与以往所有环型加速器中移动接受度相椭圆的注入机制是不相同的，是跳变缩小注入束流发射度相椭圆。在环型粒子加速器中，束流中带电粒子的能量在非升能储存状况下，经由切割磁铁磁场进入环型粒子加速器中的入射束流相椭圆，是不会落入环形粒子加速器接受度相椭圆内的，参考图3，在环型加速器坐标系中此时的注入束流发射度相椭圆是一个比加速器接受度更大的相椭圆环。如果施加脉冲磁场作用，使得注入束流的发射度相椭圆跳变收缩变小，使得注入束流的发射度相椭圆与加速器的接受度相椭圆发生重叠，或者让其落入加速器物理接受度相椭圆或动力学孔径相椭圆内。符合此过程的注入过程，我们称为跳变缩小注入束流发射度相椭圆的注入过程。

[0039] 这样的注入过程可以分解为三个子过程。第一个子过程，使用切割磁铁磁场(不妨采用较高磁场的直流二极磁铁)给予注入束流以合适的偏转角度射入环形粒子加速器真空盒(管道)；环形粒子加速器中预留足够长的直线节，使得在束流穿越跳变磁铁20磁间隙时，束流的位置坐标(x或z)已经落入加速器的动力学孔径范围。第二个子过程，入射束流穿越跳变磁铁20入射间隙，在此跳变磁铁20脉冲磁场作用下，注入束流的发射度相椭圆，即x～x'相椭圆或z～z'相椭圆，都跳变缩小至加速器物理接受度相椭圆内。第三个子过程，入射束流的发射度在跳变缩小后，入射束流被随后的高频电场捕获，并随着阻尼过程并入储存束流发射度相椭圆内。这样的跳变缩小注入束流发射度相椭圆的注入过程具有这样的特征。

[0040] 所述粒子注入系统中没有对储存束流有影响的脉冲磁铁，安放在远离储存束闭轨的跳变磁铁20对储存束流没有扰动，即储存束流不会受到此脉冲磁场的扰动，因此储存束流发射度不会受到脉冲磁场的扰动影响。其次，所述粒子注入系统跳变磁铁20，其磁场设计与制造可以达到10-3的精度要求。所述粒子注入系统引入了快速平顶窄脉冲波形单个跳变磁铁20的设计制造要求，磁场与有效长度乘积不高，技术难度不是很大，也不存在多个跳变磁铁20的抖动对储存束的扰动影响。

[0041] 在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述设定值小于百分之一。

[0042] 也就是说，需要脉冲磁场的脉冲宽度远小于所述环形粒子加速器的储存束流的回旋周期，在本申请的其他实施例中，所述设定值可以是千分之一，还可以是万分之一。本申请对所述设定值的具体取值并不做限定，具体视实际情况而定。

[0043] 在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，所述预设周期与所述注入束流的粒子注入周期相同。

[0044] 为了实现连续的粒子注入过程，所述预设周期需要与所述注入束流的粒子注入周期相同，以实现对注入束流发射度的跳变作用。

[0045] 下面仍以图3为例对所述粒子注入系统的原理进行说明，图3中给出了注入束流达到进入环形加速区物理孔径(或动力学孔径)内的整个过程的相粒子轨迹示意图，图中有多种孔径的相椭圆。图中的相椭圆均以储存束流轨道为坐标原点，由外至内为：动力学孔径径向相椭圆，注入束流的发射度径向相椭圆，物理孔径的动力学孔径径向相椭圆，28.5mm孔径径向相椭圆，20σx孔径径向相椭圆；图3中的标号21为所述跳变磁铁20的励磁线圈，标号22为所述跳变磁铁20的C型磁轭，所述励磁线圈21套在所述C型磁轭上，入射间隙内部为陶瓷真空管道，此陶瓷真空管道焊接在薄壁无磁金属真空管道注入点侧，使得跳变磁铁20的磁轭嵌套在真空管道以外。

[0046] 在图3中，横坐标为长度(单位：mm)，纵坐标为速度改变量x′(单位：mrad)。

[0047] 所述跳变磁铁20产生的脉冲磁场为梯形波脉冲磁场，其平顶不超过20ns，前后沿长度约为10ns，此脉冲磁场主要集中于所述入射间隙内，入射间隙外漏磁在10mm位置下降为零。图中计算数据表明，入射束流首次穿越此跳变磁铁20时，受到约60～70Gauss×100mm的脉冲磁场作用，从33mm径向坐标对应的发射度相椭圆跳变至28.5mm径向坐标对应的发射度相椭圆，实现跳变缩小入射束流发射度；然后，入射束流的发射度相椭圆的长短轴以exp(-NTc/τx)速率衰减(其中，N表示粒子回旋圈数，Tc表示回旋周期，τx表示衰减常数)，大约在17.65ms，即回旋约80006圈时衰减至e-1，此值大约是径向坐标±10.48mm处，相当于±13.1σx。这样的缩小注入束流发射度的机制，跳变磁铁20对储存束流没有影响，进入储存环的入射束在没有辐射阻尼衰减前也不受此脉冲磁场影响，计算数据表明可以以20Hz的重复频率进行小流强的TOP-off注入积累储存束。因此，我们说，采用这样的注入系统来改变缩小入射束流发射度至小于环型加速器物理孔径或动力学孔径的注入过程，对储存束的闭轨没有扰动影响。图中，椭圆部分的坐标采用x～x′坐标系，对磁体部分采用的是x～z坐标系。

[0048] 另外，在图3示意的实施例中，所述预设距离为以标号S1的箭头所指位置到标号S2的箭头所指位置的弧线长度。

[0049] 图3中给出由单向磁铁10与跳变磁铁20组成的所述粒子注入系统，及入射束流宏粒子在环形粒子加速器接受度相椭圆(x～x′相椭圆，或z～z′相椭圆)运动过程。入射束流宏粒子在切割磁铁磁场(或直流二极磁铁)作用下沿其注入点对应的发射度相椭圆移动；入射束流宏粒子穿越跳变磁铁20入射点时受到梯形波平顶磁场作用，跳变至28.5mm孔径对应的相椭圆上(标记为0，该点径向坐标小于物理孔径29mm)；该宏粒子回旋1圈时到达标记为1相椭圆点(该点的实际坐标在28.5mm相椭圆内侧)，回旋2圈到达标记为2的相椭圆点(该点的实际坐标也在28.5mm相椭圆内侧)，随后的回旋3圈至8圈宏粒子到达为标记为3至8的相椭圆点(这些点的实际坐标都在28.5mm相椭圆内侧)；回旋完成第9圈时宏粒子到达略小于径向坐标28.5mm点附近。此点径向相移量与4.4448与9的乘积32.0072是一致的。对于脉冲磁场波形40ns宽度而言，在宏粒子回旋0.091圈时脉冲磁铁的磁间隙内已经无磁场；在入射宏粒子回旋至88889圈时，相当回旋经历了17.65ms，该入射宏粒子径向振荡振幅衰减至e-1，即10.485mm；然后，该入射宏粒子回旋43.674ms时，入射宏粒子径向振荡振幅到达3σx(此数值相当于包含了99％的储存粒子)的数值，完成了径向振荡振幅衰减的过程。伴随此振荡振幅衰减过程，入射宏粒子已被射频加速电场捕获。

[0050] 仍然参考图3，下面对所述粒子注入系统中的跳变磁铁20不会对所述环形粒子加速器的储存束流产生不良影响进行说明。

[0051] 跳变缩小注入束流发射度的所述粒子注入系统借助了跳变磁铁20的窄带梯形波脉冲磁场。我们称此过程为跳变，是因为脉冲磁铁的有效长度大约在0.1m量级，入射宏粒子穿越此脉冲磁场的过程大约为0.3336ns，与入射宏粒子在此加速器回旋1圈的时间220.6ns相比仅仅是其1.5×10-3，可以称之为跳变。入射宏粒子的径向相状态，从33mm孔径对应的相椭圆，经历大约Δx′＝0.2836mrad的跳变，等同于脉冲磁场的作用量ΔBΔL＝7.5727mGauss。这样强度的脉冲磁场，梯形波脉冲磁场宽度为40ns，脉冲波形的前后沿分别为10ns，设计制造技术不会很难。脉冲磁场跳变缩小注入束流的发射度，入射束流的发射度相椭圆，由33×1.75πmm·mrad跳变至28.5×1.56πmm·mrad，跳变缩小近30％，进入环型加速器物理孔径内或动力学孔径内才可被高频电场捕获的区域。由于C型脉冲磁场区域远离储存束流轨道，且脉冲磁场波形底宽仅为40ns(远短于入射束的回旋周期220ns)也不会影响入射束回旋过程。因此，储存束流轨道远离脉冲磁铁磁场区域，入射束流其他时刻穿越脉冲磁铁时是无场时段。总之，所述粒子注入系统对储存束流，及对首次穿越入射点后的入射束流都没有扰动作用。

[0052] 由于此跳变磁铁20磁场对入射束流起的作用，相对于入射束流在环型加速器中回旋周期而言极短，且改变的仅仅是入射束流的前行方向发生突变，我们称之为跳变(Jump)，与多个冲击磁铁组成改变储存束流闭轨的作用是不相同的。

[0053] 下面对所述跳变磁铁20不需要较高的磁场作用量即可达到目标要求的原理进行说明。

[0054] 现有的移动环型加速器接受度相椭圆的凸轨注入系统，其脉冲磁铁系统同时具有高电压、大电流、高磁场、波形快速等特征，设计制造的高难技术含量比较多。本申请实施例提供的所述粒子注入系统，是单向磁铁10与单个强度很小的跳变磁铁20的组合。此粒子注入系统并不特别要求单向磁铁10靠近环型加速器真空管道安放，完全可以用直流二极磁铁取代，安放在远离环型加速器真空管道的位置。而且用于调整入射束流入射角度的二极磁铁可以采用性能良好的扇形二极磁铁，调整入射角度的精度达到0.01mrad的量级，直流二极磁铁的设计制造精度可以好于10-4，是可以达到这样的精度。

[0055] 目前国际上处于Pre-CDR的未来圆型对撞机，以及未来先进光源，其同步加速器的注入能量分别在TeV与GeV水平。对于注入束流发射度相椭圆跳变0.2mrad量级的质子加速器或电子加速器，我们分别计算由注入点发射度相椭圆跳变缩小至入射点发射度相椭圆的角度改变量为Δx′，则脉冲磁场作用量为

[0056]

[0057] 其中，W表示带电粒子静止能量，ε0表示带电粒子的动能，Δx′注入束流传输速度跳变量；对于Δx′＝0.2mrad，则跳变磁场作用量ΔBΔL分别为下述表1所列数据，即可实现注入点注入束流发射度相椭圆跳变缩小至入射点入射束流发射度相椭圆的缩小过程。此过程所用跳变磁铁20的设计制造难度，远比凸轨注入脉冲磁铁系统设计制造要小得多。

[0058] 表1电子注入束流发射度相椭圆跳变缩小所需脉冲磁场参数

[0059]W/GeV 1 2 3 4 5 6 7 8
ΔBΔL/G·m 6.6747 13.346 20.017 26.689 33.360 40.031 46.703 53.374[0060] 表2质子注入束流发射度相椭圆跳变缩小所需脉冲磁场参数

[0061]W/TeV 0.01 0.03 0.08 0.1 0.18 1 2 3
ΔBΔL/G·m 72.704 206.30 539.93 673.36 1207.1 6677.6 13349 20020

[0062] 由单向磁铁10和跳变磁铁20组成的所述粒子注入系统，对于HLS现有运行光源，可以20Hz以下的重复频率进行从储存流强零起步的跳变缩小注入束流发射度的单束团注入过程，往哪个相稳定区(Bucket)注入填充束流粒子由控制跳变磁铁20的触发时序确定。

[0063] 其他环型加速器设计建造新颖注入系统，可运行的重复工作频率必须考虑具体运行Lattice模式的横向振荡振幅衰减时间常数，与调控时钟单元的调控精度及跳变磁铁20功率源的设计指标。

[0064] 通过上面的分析，总结如下：

[0065] 1：本申请实施例提供的粒子注入系统的跳变缩小注入束流发射度相椭圆的注入机理，是一种新颖的注入机制，可以适用于环型加速器的注入；

[0066] 2：本申请实施例提供的粒子注入系统，可由传统意义上的切割磁铁与单个跳变磁铁20组合而成；

[0067] 3：本申请实施例提供的粒子注入系统，可以替代通常意义上凸轨注入系统，进行单个相稳定区的填充注入，但是必须配套设计足够调控精度的时钟单元，本申请实施例提供的粒子注入系统的重复工作频率设计要考虑运行Lattice模式的横向振荡衰减常数；

[0068] 4：单向磁铁10可以在与环型加速器真空管道有足够远距离的位置安放直流二极磁铁取代，也可以安放超导二极磁体取代；

[0069] 5：跳变磁铁20宜安放在注入相空间包络函数极大值的纵向位置点或其邻域，以尽量减小脉冲磁场作用量；

[0070] 6：对跳变磁铁20宜采用脉冲磁场屏蔽设计，尽量减少跳变磁场在磁间隙外的漏场；

[0071] 7：采用此新颖注入机理的环型加速器，要有足够大的动力学孔径，以安放所述粒子注入系统的跳变磁铁20；

[0072] 8：跳变磁铁20的磁场空间分布与安放位置，要对环型加速器的储存束流基本没有负作用影响；

[0073] 9：此新颖的注入机理，只有单个比注入束团稍长的脉冲磁场梯形波形，特别适用于TOP-off等能量小束流不间断注入模式，以确保环形粒子加速器稳定亮度与稳定功率工作状态。

[0074] 10：此新颖的注入机理，可以适用于电子环型加速器，也适用于质子环型加速器；

[0075] 11：此新颖的注入机理，同样适于bunchto bunch的注入过程，但是必须与bunch长度配套的好于0.1分辨率时钟系统。

[0076] 相应的，本申请实施例还提供了一种环形粒子加速器，包括上述任一实施例所述的粒子注入系统。

[0077] 综上所述，本申请实施例提供了一种粒子注入系统及环形粒子加速器，其中，所述粒子注入系统包括单向磁铁和跳变磁铁，利用跳变磁铁为注入束流提供预设周期的脉冲磁场，以使所述注入束流经过所述跳变磁铁的入射间隙时，传输速度的方向发生跳变，也就是使所述注入束流的发射度相椭圆发生跳变，从而使得注入束流的发射度相椭圆落入环形粒子加速器接受度相椭圆内，进而完成注入束流的注入过程。并且由于所述跳变磁铁提供的脉冲磁场的脉冲宽度与所述环形粒子加速器的储存束流的回旋周期之比小于设定值，从而使得注入束流在进入所述环形粒子加速器后可以借助横向振荡振幅阻尼振荡衰减过程，被所述环形粒子加速器的射频加速电场捕获，同样由于所述脉冲磁场的脉冲宽度较小这一特点，使得该脉冲磁场不会对环形粒子加速器的储存束流产生扰动。

[0078] 进一步的，利用所述粒子注入系统使所述注入束流的传输速度的方向发生跳变的量级只要亚毫弧度(mrad)量级即可完成粒子注入过程，大大降低了对于以往冲击磁铁的磁场作用量的要求，从而降低了所述粒子注入系统的整体设计和制造难度。

[0079] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0080] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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一种粒子注入系统及环形粒子加速器

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