具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“上”、“下”、“左右”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

当前粒子加速器的束流引出和分束技术有以下几种：

1)针对各个终端的需求，分别调节加速器的束流参数，单次只满足一个终端的需求，束流在不同终端的切换由偏转磁铁完成。以A，B两个终端为例，现有的技术方案，通常是先根据A的束流需求，调制加速器的束流参数，然后将束流通过偏转磁铁引出到A终端。等A终端的辐照完成后，再根据B终端的束流需求，调整加速器的束流参数，再将束流通过偏转磁铁引出到B终端。这种方案的一个缺点就是束流的利用效率较低，尤其是很多物理实验需要的束流仅仅是加速器所能提供束流的1/10乃至更低，比如利用飞行时间法测量中子能谱时，需要把微束的间距从纳秒量级扩大到微秒量级，实现微束的百里挑一，此时束流的浪费现象就更加显著。

2)在中高能通过射频谐振腔段对束流进行分束，同时满足多个终端的需求。缺点一是分束效率低，需要经过几十到上百米的漂移才能将束流分开；二是在对质子和重离子进行分束时，腔体尺寸大，机械性能差，运行时受外部压力，温度和洛伦兹力的影响较大，束流品质差；三是束流引出能量比较单一，不能满足多种不同能量的需求。

本发明公开的束流分束装置和束流分配方法，从离子源产生的束流，通过射频四极场加速器(RFQ)后，被调制成一个一个的微束团，这些微束团进入一系列的加速模块或减速模块受到逐级加速或减速。束流经历的加速模块或减速模块越多，其能量越高或越低。在每一段加速模块或减速模块后都有束流引出装置，可根据不同实验终端和应用终端的能量需求，选择在不同的加速模块或减速模块后进行分束引出。束流分束装置的组成为射频谐振腔—第一束流管道(漂移段1)—四极铁—第二束流管道(漂移段2)—切割磁铁。束流通过分束装置时，首先经过一套射频偏转腔，在腔内横向电场和横向磁场的共同作用下产生横向的动量。通过调整腔体的频率和束团相对于腔体的相位，可以调节单个束团横向动量的大小和方向。该偏转力可用作将部分束流从主束线上引出，也可用于对引出的束流进行分束。从射频偏转腔出来后，束流进入一段真空的第一束流管道(漂移段1)，在横向动量的作用下，束团开始向不同的方向漂移，而前面在射频偏转腔中没受到横向偏转作用的束团则继续沿着初始轨迹运动。经过漂移段1后，束团的横向间距得到了初步的分离，需要引出的束团已经偏离了原始束流轨道。随后束流进入一组四极磁铁，四极磁铁一方面可以对束团进行聚焦，降低其横向发射度，另一方面可以进一步扩大束团的分离。束流从四极铁出来后，再次经过一段第二真空管道的漂移(漂移段2)，束团的横向间距进一步扩大。最后再经过一组切割磁铁，进入到不同的束流管道，完成分束。

实施例1

本实施例提供一种束流分束装置，下面对其结构进行详细描述。

参考图1，该束流分束装置包括：射频谐振腔；漂移段1；四极铁；漂移段2和切割磁铁，这些部件依次串联在一起。

射频偏转腔采用的是双四分之一波长腔结构，由外导体1，内导体2，端盖4和束流管道3组成。在同样的腔体频率下，双四分之一波长腔的尺寸更小，可以有效降低整个分束装置的空间尺寸；其分路阻抗更高，可在同等的腔耗下给通过腔体的束流提供更大的横向动量，从而缩短整个分束装置的纵向长度；且其内外导体互相支撑，使得其应对外界的温度、压力、洛伦兹力等干扰时腔体的变形更小，腔体频率更稳定，分束更稳定，束流的品质更好。本发明首次将这种射频偏转腔结构用于分束，适用于高流强的加速器中的多能量引出和多终端供束，极大地降低了分束系统的空间尺寸和系统冗余度，且能够有效降低工程造价，对于实际的工业应用具有重要意义。

漂移段1为一段真空的束流管道，从腔体出来的束团，在横向动量的作用下，在漂移管中逐渐分离开。漂移管的尺寸需要考虑束团分离后的束流包络。

四极铁主要发挥两个作用，一个是对束团进行横向的聚焦，提升束流的品质；另一方面是进一步扩大束团的分离。

漂移段2为一段真空的束流管道，从四极铁出来的束流，经过进一步的漂移，束团间距进一步增大。这一段束团的分离比在第一段漂移管里面要大很多，漂移管的尺寸也需要做对应的增大。从漂移管2出来的束流，其束团的分离需要达到切割磁铁的接受的分离间距。

从切割磁铁出来后，被分离的束流将沿着新的束流管道前行，去往终端或再次进行进一步的分束。

本发明的束流分束装置可用于直线加速器和环形加速器的束流引出和调制。

根据各终端不同的束流需求，在不同能量上将加速器的束流引出并分配到各终端；

射频偏转腔可通过常温射频结构来实现，也可通过超导射频结构来实现，取决于束流能量和分束角度。

偏转腔以ns级上升沿和下降沿实现快分束，在分束的同时不影响相邻束团的品质。

实施例2

实施例2提供一种束流分配方法，采用实施例1提供的一种束流分束装置，该方法包括以下步骤：

步骤A：从离子源产生的束流，通过射频四极场加速器后，被调制成一个一个的微束团，这些微束团进入加速模块或减速模块(加速模块或减速模块1，加速模块或减速模块2，...,加速模块或减速模块N)受到逐级加速。在每个加速模块或减速模块后都有分束装置(分束装置1，分束装置2，...分束装置(N+1))和次级分束装置(分束装置1-1，分束装置1-2，...分束装置N-2)，实现多个不同终端(终端1-1-1，终端1-1-2，...终端(N+1)-3)的同时供束。束流经历的加速模块或减速模块越多，其能量越高或越低。根据不同实验终端和应用终端的能量需求，可选择在不同的加速模块或减速模块后进行分束引出。

步骤B：束流通过分束装置时，首先经过一套射频偏转腔，在腔内横向电场和横向磁场的共同作用下产生横向的动量。通过调整腔体的频率和束流相对于腔体的相位，可以调节单个束团横向动量的大小和方向。该偏转力可用作将部分束团从主束线上引出，也可用于对引出的束流进行分束。从射频偏转腔出来后，束流进入一段真空的束流管道(漂移段1)，在横向动量的作用下，束团开始向不同的方向漂移，而前面在射频谐振腔中没受到横向偏转作用的束团则继续沿着初始轨迹运动。经过漂移段1后，束团的横向间距得到了初步的分离，需要引出的束团已经偏离了原始束流轨道。随后束流进入一组四极磁铁，四极磁铁一方面可以对束团进行聚焦，降低其横向发射度，另一方面可以进一步扩大束团的分离。从四极铁出来后，束流再次经过一段真空管道(漂移段2)的漂移，束团的横向间距进一步扩大。最后再经过一组切割磁铁，进入到不同的束流管道，完成分束。

步骤C：从原始束流轨道上引出的束流进入束流管道后，可进一步通过次级的分束装置来实现进一步的分束，实现多终端的同时供束。

步骤D:分束装置的核心是射频偏转腔，通过调节腔体的频率可获得不同的分束效果，既可以得到平均的分束，也可以得到不平均的分束组合。

步骤E：通过单组分束装置，最多可以有效将束流分成三束。要得到更多的束线，可通过多组分束装置联合起来实现。例如，通过3种类型共计7套分束装置，可以获得8路平均束流(如图7所示)；通过两种类型共计4套分束装置，可以获得9路平均束流(如图6所示)。通过对束流的相位进行更加复杂的调整和采用更多的腔型，可以得到更加复杂的束线。

实施例3

实施例3提供一种束流分配方法的应用，采用实施例2提供的束流分配方法，该应用包括一些内容：

不同的工业应用和物理实验对束流能量的需求各不相同，且现代强流高功率粒子加速器可提供的束流流强要远远高于单个工业应用的需求，如果可以根据不能的工业和科研需求，在不同能量上通过快速的分束装置引出部分束流进行应用和实验，并通过进一步的分束装置实现多终端的同时供束，将极大地提高强流束流地利用效率。

该束流分配方法可应用于医疗粒子加速器，同位素生产加速器，核孔膜生产加速器，材料辐照加速器，缪子产生加速器，中子源等，同时为多个不同的应用终端提供束流。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。