本申請(qǐng)涉及加速器物理
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地說，涉及一種粒子注入系統(tǒng)及環(huán)形粒子加速器。
背景技術(shù)：
：環(huán)形粒子加速器不僅是探索粒子物理的重要裝備之一，也是現(xiàn)代先進(jìn)光源重要裝備之一，向環(huán)形粒子加速器中注入粒子的過程也是環(huán)形粒子加速器工作的一個(gè)重要階段?，F(xiàn)有技術(shù)中向環(huán)形粒子加速器中注入粒子的過程，大多為采用沖擊磁鐵或凸軌磁鐵組合移動(dòng)環(huán)形粒子加速器接受度相橢圓，使得此接受度相橢圓覆蓋注入束流發(fā)射度相橢圓的過程，俗稱凸軌注入過程，具體過程參考圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)和圖1(b)；圖1(a)表示環(huán)形粒子加速器相橢圓被移動(dòng)之前的示意圖，圖1(b)表示環(huán)形粒子加速器相橢圓中心大到最大凸軌之后的示意圖，圖1(c)表示環(huán)形粒子加速器相橢圓的移動(dòng)中間過程的示意圖，圖1(d)表示環(huán)形粒子加速器相橢圓返回儲(chǔ)存束流之后的示意圖；在圖1(a)-(d)中，標(biāo)號(hào)a1表示所述環(huán)形粒子加速器的動(dòng)力學(xué)孔徑(dynamicaperture)，標(biāo)號(hào)a2表示儲(chǔ)存束流，標(biāo)號(hào)a3表示切割磁鐵磁場(chǎng)(septummagneticfield)。顯然，這樣的注入過程，從機(jī)制上可稱為移動(dòng)環(huán)形粒子加速器接受度相橢圓的注入過程。此過程是借助一組沖擊磁鐵或凸軌磁鐵移動(dòng)環(huán)形粒子加速器橫向接受度相橢圓，使得環(huán)形粒子加速器的閉軌(理想粒子軌道)在注入點(diǎn)鄰域發(fā)生局部凸起，同時(shí)使得儲(chǔ)存束流隨著凸軌也在注入點(diǎn)上、下游鄰域向來自注入器的束流軌道靠攏，使得環(huán)形粒子加速器的橫向接受度相橢圓包含了入射束流的橫向發(fā)射度相橢圓。或者因此我們說，此過程中入射束流的橫向發(fā)射度相橢圓落入已經(jīng)移位的環(huán)型環(huán)形粒子加速器橫向接受度相橢圓內(nèi)。以移動(dòng)橫向發(fā)射度相橢圓來實(shí)現(xiàn)入射束流(沒有進(jìn)入環(huán)形粒子加速器的注入束流)對(duì)環(huán)型環(huán)形粒子加速器注入，設(shè)計(jì)精確的凸軌注入系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)存束流是沒有擾動(dòng)的。但是，多個(gè)沖擊磁鐵的組合運(yùn)行時(shí)，來自多個(gè)沖擊磁鐵的脈沖啟動(dòng)時(shí)刻抖動(dòng)與脈沖幅值跳動(dòng)，會(huì)對(duì)儲(chǔ)存束流產(chǎn)生擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存束流丟失。因此總的來說，凸軌注入過程存在一些問題，例如：移動(dòng)環(huán)形粒子加速器接受度相橢圓的過程一般會(huì)對(duì)存儲(chǔ)束流產(chǎn)生擾動(dòng)，引起儲(chǔ)存束流的不穩(wěn)定；特別是為了維持環(huán)形粒子加速器的高亮度(或高功率)運(yùn)行，采用凸軌注入的top-off注入模式，會(huì)持續(xù)增大對(duì)儲(chǔ)存束流的擾動(dòng)，從而可能造成存儲(chǔ)束流的丟失。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種粒子注入系統(tǒng)及環(huán)形粒子加速器，以達(dá)到消除粒子注入過程中對(duì)環(huán)形粒子加速器的存儲(chǔ)束流造成擾動(dòng)過程的目的。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：一種粒子注入系統(tǒng)，應(yīng)用于環(huán)形粒子加速器，所述粒子注入系統(tǒng)包括：單向磁鐵和跳變磁鐵；其中，所述單向磁鐵設(shè)置于所述環(huán)形粒子加速器的注入束流管道朝向閉軌一側(cè)，用于向朝向所述閉軌一側(cè)提供磁場(chǎng)，以改變注入束流的傳輸角度；所述跳變磁鐵具有入射間隙，所述入射間隙設(shè)置于所述環(huán)形粒子加速器的注入點(diǎn)下游的預(yù)設(shè)距離處，用于提供預(yù)設(shè)周期的脈沖磁場(chǎng)，所述脈沖磁場(chǎng)的脈沖寬度與所述環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流的回旋周期之比小于設(shè)定值，所述設(shè)定值小于1，以使所述注入束流經(jīng)過所述入射間隙時(shí)，傳輸速度的方向發(fā)生跳變；所述單向磁鐵朝向所述跳變磁鐵一側(cè)與所述注入點(diǎn)重合?？蛇x的，所述設(shè)定值小于百分之一?？蛇x的，所述預(yù)設(shè)周期與所述注入束流的粒子注入周期相同?？蛇x的，所述單向磁鐵為跳變磁鐵?？蛇x的，所述單向磁鐵為直流二極磁鐵?？蛇x的，所述單向磁鐵為扇形直流二極磁鐵或平行邊二極磁鐵?？蛇x的，所述脈沖磁場(chǎng)為梯形脈沖磁場(chǎng)。一種環(huán)形粒子加速器，包括上述任一項(xiàng)所述的粒子注入系統(tǒng)。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種粒子注入系統(tǒng)及環(huán)形粒子加速器，其中，所述粒子注入系統(tǒng)包括單向磁鐵和跳變磁鐵，利用跳變磁鐵為注入束流提供預(yù)設(shè)周期的脈沖磁場(chǎng)，以使所述注入束流經(jīng)過所述跳變磁鐵的入射間隙時(shí)，傳輸速度的方向發(fā)生跳變，也就是使所述注入束流的發(fā)射度相橢圓發(fā)生跳變，從而使得注入束流的發(fā)射度相橢圓落入環(huán)形粒子加速器接受度相橢圓內(nèi)，進(jìn)而完成注入束流的注入過程。并且由于所述跳變磁鐵提供的脈沖磁場(chǎng)的脈沖寬度與所述環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流的回旋周期之比小于設(shè)定值，從而使得注入束流在進(jìn)入所述環(huán)形粒子加速器后可以借助橫向振蕩振幅阻尼振蕩衰減過程，被所述環(huán)形粒子加速器的射頻加速電場(chǎng)捕獲，同樣由于所述脈沖磁場(chǎng)的脈沖寬度較小這一特點(diǎn)，使得該脈沖磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流產(chǎn)生擾動(dòng)。進(jìn)一步的，利用所述粒子注入系統(tǒng)使所述注入束流的傳輸速度的方向發(fā)生跳變的量級(jí)只要亞毫弧度(mrad)量級(jí)即可完成粒子注入過程，大大降低了對(duì)于以往沖擊磁鐵的磁場(chǎng)作用量的要求，從而降低了所述粒子注入系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和制造的難度。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。圖1(a)-圖1(d)為現(xiàn)有技術(shù)中利用凸軌注入的流程示意圖；圖2為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的一種粒子注入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例提供的粒子注入過程中儲(chǔ)存束流發(fā)射度、環(huán)形加速器接受度與跳變磁鐵的示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種粒子注入系統(tǒng)，如圖2所示，應(yīng)用于環(huán)形粒子加速器，所述粒子注入系統(tǒng)包括：單向磁鐵10和跳變磁鐵20；其中，所述單向磁鐵10設(shè)置于所述環(huán)形粒子加速器的注入束流管道朝向閉軌一側(cè)，用于向朝向所述閉軌一側(cè)提供磁場(chǎng)，以改變注入束流的傳輸角度；所述跳變磁鐵20具有入射間隙，所述入射間隙設(shè)置于所述環(huán)形粒子加速器的注入點(diǎn)下游的預(yù)設(shè)距離處，用于提供預(yù)設(shè)周期的脈沖磁場(chǎng)，所述脈沖磁場(chǎng)的脈沖寬度與所述環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流的回旋周期之比小于設(shè)定值，所述設(shè)定值小于1，以使所述注入束流經(jīng)過所述入射間隙時(shí)，傳輸速度的方向發(fā)生跳變；所述單向磁鐵10朝向所述跳變磁鐵20一側(cè)與所述注入點(diǎn)重合。圖2中的標(biāo)號(hào)30表示所述注入束流，標(biāo)號(hào)40表示構(gòu)成所述環(huán)形粒子加速器的二極磁鐵，標(biāo)號(hào)50表示構(gòu)成所述環(huán)形粒子加速器的四極磁鐵，標(biāo)號(hào)60表示所述環(huán)形粒子加速器的閉軌。需要說明的是，所述單向磁鐵10主要用于向朝向所述閉軌一側(cè)提供磁場(chǎng)，其背離所述閉軌一側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度需要小于朝向所述閉軌一側(cè)磁場(chǎng)的千分之一。在本申請(qǐng)的其他實(shí)施例中，所述單向磁鐵10可以是切割磁鐵，由于本系統(tǒng)并不特別要求切割磁鐵靠近環(huán)形粒子加速器真空管道安放，因此完全可以用直流二極磁鐵取代，安放在遠(yuǎn)離環(huán)形粒子加速器真空管道的位置。而且用于調(diào)整注入束流的入射角度是直流二極磁鐵可以采用性能良好的扇形直流二極磁鐵，調(diào)整入射角度的精度達(dá)到0.01mrad的量級(jí)，直流二極磁鐵的設(shè)計(jì)制造精度可以優(yōu)于10-4，是可以達(dá)到這樣的精度的。另外，在本申請(qǐng)的其他實(shí)施例中，所述單向磁鐵10還可以為平行邊二極磁鐵，本申請(qǐng)對(duì)所述單向磁鐵10的具體種類并不做限定，具體視實(shí)際情況而定。優(yōu)選的，所述脈沖磁場(chǎng)為梯形脈沖磁場(chǎng)。本系統(tǒng)是讓入射束流(未進(jìn)入所述環(huán)形粒子加速器的注入束流)首次穿越跳變磁鐵20的入射間隙時(shí)，該跳變磁鐵20的脈沖磁場(chǎng)與入射束流首次穿越此脈沖磁入射間隙的時(shí)刻同步，在脈沖磁場(chǎng)作用下入射束流的x′坐標(biāo)跳變，實(shí)現(xiàn)縮小注入束流發(fā)射度相橢圓的目的，而后借助橫向振蕩振幅阻尼衰減過程，入射束流被射頻加速電場(chǎng)捕獲。為了確保入射束流隨后再次穿越此磁間隙時(shí)不會(huì)“看見”此脈沖磁場(chǎng)，要求脈沖磁場(chǎng)的梯形波寬度遠(yuǎn)小于儲(chǔ)存束流的回旋周期。由于本系統(tǒng)中，入射束流發(fā)射度相橢圓的跳變縮小的δx′，只有亞mrad量級(jí)，跳變磁鐵20的磁場(chǎng)作用量δbδl也非常低，對(duì)于目前中國科學(xué)家建議的正在pre-cdr的超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，其注入能量對(duì)應(yīng)的δbδl值為2tm量級(jí)；正在pre-cdr的合肥國家大科學(xué)中心未來先進(jìn)光源儲(chǔ)存環(huán)對(duì)應(yīng)的δbδl值不超過40gm量級(jí)。對(duì)于這樣強(qiáng)度的跳變磁鐵20，設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)難度很小。我們分析認(rèn)為，采用類似于小尺寸的跳變磁鐵20，將有磁場(chǎng)空間局限于入射束流能夠首次穿越的運(yùn)行l(wèi)attice模式動(dòng)力學(xué)孔徑的合適位置(以合肥同步輻射光源hls運(yùn)行光源切割板對(duì)應(yīng)的物理孔徑29mm為入射點(diǎn)的最大邊界)，入射束流在注入點(diǎn)(以hls光源運(yùn)行模式為例，注入點(diǎn)的徑向坐標(biāo)為33mm)以稍負(fù)小角度穿越小尺寸跳變磁鐵20磁場(chǎng)中心(本申請(qǐng)稱此點(diǎn)為入射點(diǎn)，以hls光源運(yùn)行模式為例，距儲(chǔ)存束軌道的徑向坐標(biāo)為28.5mm)，磁場(chǎng)波形平頂區(qū)域中心與入射束流首次穿越時(shí)刻吻合，使得入射束流獲得大小等于入射角度的正向偏轉(zhuǎn)角度。這樣，入射束以零偏轉(zhuǎn)角度跳變至沿28.5mm徑向尺寸對(duì)應(yīng)的相橢圓回旋。以hls現(xiàn)有運(yùn)行光源模式為例，入射束團(tuán)回旋至9圈時(shí)返回至28.5mm位置附近。由于跳變磁鐵20的磁場(chǎng)波形僅僅40ns，遠(yuǎn)小于束流回旋時(shí)間220ns，入射束流返回入射點(diǎn)時(shí)已經(jīng)感受不到此脈沖磁場(chǎng)作用。入射束流終將在阻尼衰減機(jī)制下束流發(fā)射度相橢圓繼續(xù)縮小，最終成為儲(chǔ)存束流的一部分。外部注入束流變成儲(chǔ)存束流的成份，經(jīng)歷了二個(gè)縮小發(fā)射度的過程。注入束流首次穿越入射點(diǎn)前在33mm孔徑對(duì)應(yīng)的相橢圓上，在入射點(diǎn)受到脈沖磁場(chǎng)作用下跳變至28.5mm孔徑對(duì)應(yīng)的相橢圓上，即入射束在33mm孔徑對(duì)應(yīng)的相橢圓上跳變至28.5mm孔徑對(duì)應(yīng)相橢圓上，入射束的發(fā)射度相橢圓由33×1.75πmm·mrad跳變縮小至28×1.56πmm·mrad的相橢圓。顯然，入射束的發(fā)射度相橢圓，在此脈沖磁場(chǎng)作用下跳變縮小了。所以，我們稱此注入過程為，跳變縮小注入束流發(fā)射度的注入概念(機(jī)制)。其中的關(guān)鍵技術(shù)，是采用小尺寸跳變磁鐵20的脈沖磁場(chǎng)的作用，安裝在僅僅對(duì)入射束流首次穿越脈沖磁場(chǎng)起作用的位置，對(duì)儲(chǔ)存束流沒有影響，對(duì)入射束流的后續(xù)穿越也沒有影響。在此之后的入射束發(fā)射度相橢圓繼續(xù)縮小的過程，作用機(jī)制是環(huán)型加速器的本身的同步輻射阻尼機(jī)制或環(huán)型加速器的自有l(wèi)attice結(jié)構(gòu)在起作用。一般而言，本系統(tǒng)對(duì)于較大動(dòng)力學(xué)孔徑的環(huán)形粒子加速器(動(dòng)力學(xué)孔徑在100σ以上的環(huán)形粒子加速器)的適用性較好，對(duì)于動(dòng)力學(xué)孔徑的較小的環(huán)形粒子加速器則需要精確的設(shè)計(jì)單向磁鐵10和跳變磁鐵20的參數(shù)以及設(shè)置位置。以180gev注入能量的質(zhì)子為例，如果注入點(diǎn)與入射點(diǎn)徑向坐標(biāo)差異約10mm，如果由注入點(diǎn)相橢圓至入射點(diǎn)的相橢圓，軌道方向相差0.2mrad，則質(zhì)子獲得+0.2mrad的偏轉(zhuǎn)角度的脈沖磁場(chǎng)路作用量δbδl是：δbδl＝0.12071tm由此數(shù)據(jù)可以看出，0.24142t×0.5m跳變磁鐵20制造技術(shù)是常規(guī)脈沖磁場(chǎng)技術(shù)。因此，所述粒子注入系統(tǒng)使入射束流方向發(fā)生跳變，并進(jìn)入環(huán)型加速器的儲(chǔ)存束流前行方向，使得注入束流在環(huán)型加速器的接受度相橢圓內(nèi)繼續(xù)安全地做橫向振蕩阻尼衰減運(yùn)行，在技術(shù)上完全是有可能的。還需要說明的是，在具體使用過程中，切割磁鐵置放于注入長直線真空盒(或管道)下游的外側(cè)，跳變磁鐵20置放于注入點(diǎn)下游足夠距離處。此距離與注入粒子的入射角度，足以使得被注入粒子的x或z坐標(biāo)進(jìn)入環(huán)型加速器的動(dòng)力學(xué)孔徑或物理孔徑內(nèi)。脈沖磁場(chǎng)使得被注進(jìn)的粒子速度方向發(fā)生跳變，變得幾乎平行于理想閉軌，此時(shí)被注進(jìn)粒子束發(fā)射度相橢圓跳變縮小，進(jìn)入該加速器物理接受度相橢圓以內(nèi)。這樣的單個(gè)跳變磁鐵20的脈沖磁場(chǎng)作用，跳變縮小注入束流發(fā)射度相橢圓的注入過程，是與以往所有環(huán)型加速器中移動(dòng)接受度相橢圓的注入機(jī)制是不相同的，是跳變縮小注入束流發(fā)射度相橢圓。在環(huán)型粒子加速器中，束流中帶電粒子的能量在非升能儲(chǔ)存狀況下，經(jīng)由切割磁鐵磁場(chǎng)進(jìn)入環(huán)型粒子加速器中的入射束流相橢圓，是不會(huì)落入環(huán)形粒子加速器接受度相橢圓內(nèi)的，參考圖3，在環(huán)型加速器坐標(biāo)系中此時(shí)的注入束流發(fā)射度相橢圓是一個(gè)比加速器接受度更大的相橢圓環(huán)。如果施加脈沖磁場(chǎng)作用，使得注入束流的發(fā)射度相橢圓跳變收縮變小，使得注入束流的發(fā)射度相橢圓與加速器的接受度相橢圓發(fā)生重疊，或者讓其落入加速器物理接受度相橢圓或動(dòng)力學(xué)孔徑相橢圓內(nèi)。符合此過程的注入過程，我們稱為跳變縮小注入束流發(fā)射度相橢圓的注入過程。這樣的注入過程可以分解為三個(gè)子過程。第一個(gè)子過程，使用切割磁鐵磁場(chǎng)(不妨采用較高磁場(chǎng)的直流二極磁鐵)給予注入束流以合適的偏轉(zhuǎn)角度射入環(huán)形粒子加速器真空盒(管道)；環(huán)形粒子加速器中預(yù)留足夠長的直線節(jié)，使得在束流穿越跳變磁鐵20磁間隙時(shí)，束流的位置坐標(biāo)(x或z)已經(jīng)落入加速器的動(dòng)力學(xué)孔徑范圍。第二個(gè)子過程，入射束流穿越跳變磁鐵20入射間隙，在此跳變磁鐵20脈沖磁場(chǎng)作用下，注入束流的發(fā)射度相橢圓，即x～x'相橢圓或z～z'相橢圓，都跳變縮小至加速器物理接受度相橢圓內(nèi)。第三個(gè)子過程，入射束流的發(fā)射度在跳變縮小后，入射束流被隨后的高頻電場(chǎng)捕獲，并隨著阻尼過程并入儲(chǔ)存束流發(fā)射度相橢圓內(nèi)。這樣的跳變縮小注入束流發(fā)射度相橢圓的注入過程具有這樣的特征。所述粒子注入系統(tǒng)中沒有對(duì)儲(chǔ)存束流有影響的脈沖磁鐵，安放在遠(yuǎn)離儲(chǔ)存束閉軌的跳變磁鐵20對(duì)儲(chǔ)存束流沒有擾動(dòng)，即儲(chǔ)存束流不會(huì)受到此脈沖磁場(chǎng)的擾動(dòng)，因此儲(chǔ)存束流發(fā)射度不會(huì)受到脈沖磁場(chǎng)的擾動(dòng)影響。其次，所述粒子注入系統(tǒng)跳變磁鐵20，其磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與制造可以達(dá)到10-3的精度要求。所述粒子注入系統(tǒng)引入了快速平頂窄脈沖波形單個(gè)跳變磁鐵20的設(shè)計(jì)制造要求，磁場(chǎng)與有效長度乘積不高，技術(shù)難度不是很大，也不存在多個(gè)跳變磁鐵20的抖動(dòng)對(duì)儲(chǔ)存束的擾動(dòng)影響。在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)定值小于百分之一。也就是說，需要脈沖磁場(chǎng)的脈沖寬度遠(yuǎn)小于所述環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流的回旋周期，在本申請(qǐng)的其他實(shí)施例中，所述設(shè)定值可以是千分之一，還可以是萬分之一。本申請(qǐng)對(duì)所述設(shè)定值的具體取值并不做限定，具體視實(shí)際情況而定。在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)周期與所述注入束流的粒子注入周期相同。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的粒子注入過程，所述預(yù)設(shè)周期需要與所述注入束流的粒子注入周期相同，以實(shí)現(xiàn)對(duì)注入束流發(fā)射度的跳變作用。下面仍以圖3為例對(duì)所述粒子注入系統(tǒng)的原理進(jìn)行說明，圖3中給出了注入束流達(dá)到進(jìn)入環(huán)形加速區(qū)物理孔徑(或動(dòng)力學(xué)孔徑)內(nèi)的整個(gè)過程的相粒子軌跡示意圖，圖中有多種孔徑的相橢圓。圖中的相橢圓均以儲(chǔ)存束流軌道為坐標(biāo)原點(diǎn)，由外至內(nèi)為：動(dòng)力學(xué)孔徑徑向相橢圓，注入束流的發(fā)射度徑向相橢圓，物理孔徑的動(dòng)力學(xué)孔徑徑向相橢圓，28.5mm孔徑徑向相橢圓，20σx孔徑徑向相橢圓；圖3中的標(biāo)號(hào)21為所述跳變磁鐵20的勵(lì)磁線圈，標(biāo)號(hào)22為所述跳變磁鐵20的c型磁軛，所述勵(lì)磁線圈21套在所述c型磁軛上，入射間隙內(nèi)部為陶瓷真空管道，此陶瓷真空管道焊接在薄壁無磁金屬真空管道注入點(diǎn)側(cè)，使得跳變磁鐵20的磁軛嵌套在真空管道以外。在圖3中，橫坐標(biāo)為長度(單位：mm)，縱坐標(biāo)為速度改變量x′(單位：mrad)。所述跳變磁鐵20產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)為梯形波脈沖磁場(chǎng)，其平頂不超過20ns，前后沿長度約為10ns，此脈沖磁場(chǎng)主要集中于所述入射間隙內(nèi)，入射間隙外漏磁在10mm位置下降為零。圖中計(jì)算數(shù)據(jù)表明，入射束流首次穿越此跳變磁鐵20時(shí)，受到約60～70gauss×100mm的脈沖磁場(chǎng)作用，從33mm徑向坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的發(fā)射度相橢圓跳變至28.5mm徑向坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的發(fā)射度相橢圓，實(shí)現(xiàn)跳變縮小入射束流發(fā)射度；然后，入射束流的發(fā)射度相橢圓的長短軸以exp(-ntc/τx)速率衰減(其中，n表示粒子回旋圈數(shù)，tc表示回旋周期，τx表示衰減常數(shù))，大約在17.65ms，即回旋約80006圈時(shí)衰減至e-1，此值大約是徑向坐標(biāo)±10.48mm處，相當(dāng)于±13.1σx。這樣的縮小注入束流發(fā)射度的機(jī)制，跳變磁鐵20對(duì)儲(chǔ)存束流沒有影響，進(jìn)入儲(chǔ)存環(huán)的入射束在沒有輻射阻尼衰減前也不受此脈沖磁場(chǎng)影響，計(jì)算數(shù)據(jù)表明可以以20hz的重復(fù)頻率進(jìn)行小流強(qiáng)的top-off注入積累儲(chǔ)存束。因此，我們說，采用這樣的注入系統(tǒng)來改變縮小入射束流發(fā)射度至小于環(huán)型加速器物理孔徑或動(dòng)力學(xué)孔徑的注入過程，對(duì)儲(chǔ)存束的閉軌沒有擾動(dòng)影響。圖中，橢圓部分的坐標(biāo)采用x～x′坐標(biāo)系，對(duì)磁體部分采用的是x～z坐標(biāo)系。另外，在圖3示意的實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)距離為以標(biāo)號(hào)s1的箭頭所指位置到標(biāo)號(hào)s2的箭頭所指位置的弧線長度。圖3中給出由單向磁鐵10與跳變磁鐵20組成的所述粒子注入系統(tǒng)，及入射束流宏粒子在環(huán)形粒子加速器接受度相橢圓(x～x′相橢圓，或z～z′相橢圓)運(yùn)動(dòng)過程。入射束流宏粒子在切割磁鐵磁場(chǎng)(或直流二極磁鐵)作用下沿其注入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)射度相橢圓移動(dòng)；入射束流宏粒子穿越跳變磁鐵20入射點(diǎn)時(shí)受到梯形波平頂磁場(chǎng)作用，跳變至28.5mm孔徑對(duì)應(yīng)的相橢圓上(標(biāo)記為0，該點(diǎn)徑向坐標(biāo)小于物理孔徑29mm)；該宏粒子回旋1圈時(shí)到達(dá)標(biāo)記為1相橢圓點(diǎn)(該點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)在28.5mm相橢圓內(nèi)側(cè))，回旋2圈到達(dá)標(biāo)記為2的相橢圓點(diǎn)(該點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)也在28.5mm相橢圓內(nèi)側(cè))，隨后的回旋3圈至8圈宏粒子到達(dá)為標(biāo)記為3至8的相橢圓點(diǎn)(這些點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)都在28.5mm相橢圓內(nèi)側(cè))；回旋完成第9圈時(shí)宏粒子到達(dá)略小于徑向坐標(biāo)28.5mm點(diǎn)附近。此點(diǎn)徑向相移量與4.4448與9的乘積32.0072是一致的。對(duì)于脈沖磁場(chǎng)波形40ns寬度而言，在宏粒子回旋0.091圈時(shí)脈沖磁鐵的磁間隙內(nèi)已經(jīng)無磁場(chǎng)；在入射宏粒子回旋至88889圈時(shí)，相當(dāng)回旋經(jīng)歷了17.65ms，該入射宏粒子徑向振蕩振幅衰減至e-1，即10.485mm；然后，該入射宏粒子回旋43.674ms時(shí)，入射宏粒子徑向振蕩振幅到達(dá)3σx(此數(shù)值相當(dāng)于包含了99％的儲(chǔ)存粒子)的數(shù)值，完成了徑向振蕩振幅衰減的過程。伴隨此振蕩振幅衰減過程，入射宏粒子已被射頻加速電場(chǎng)捕獲。仍然參考圖3，下面對(duì)所述粒子注入系統(tǒng)中的跳變磁鐵20不會(huì)對(duì)所述環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流產(chǎn)生不良影響進(jìn)行說明。跳變縮小注入束流發(fā)射度的所述粒子注入系統(tǒng)借助了跳變磁鐵20的窄帶梯形波脈沖磁場(chǎng)。我們稱此過程為跳變，是因?yàn)槊}沖磁鐵的有效長度大約在0.1m量級(jí)，入射宏粒子穿越此脈沖磁場(chǎng)的過程大約為0.3336ns，與入射宏粒子在此加速器回旋1圈的時(shí)間220.6ns相比僅僅是其1.5×10-3，可以稱之為跳變。入射宏粒子的徑向相狀態(tài)，從33mm孔徑對(duì)應(yīng)的相橢圓，經(jīng)歷大約δx′＝0.2836mrad的跳變，等同于脈沖磁場(chǎng)的作用量δbδl＝7.5727mgauss。這樣強(qiáng)度的脈沖磁場(chǎng)，梯形波脈沖磁場(chǎng)寬度為40ns，脈沖波形的前后沿分別為10ns，設(shè)計(jì)制造技術(shù)不會(huì)很難。脈沖磁場(chǎng)跳變縮小注入束流的發(fā)射度，入射束流的發(fā)射度相橢圓，由33×1.75πmm·mrad跳變至28.5×1.56πmm·mrad，跳變縮小近30％，進(jìn)入環(huán)型加速器物理孔徑內(nèi)或動(dòng)力學(xué)孔徑內(nèi)才可被高頻電場(chǎng)捕獲的區(qū)域。由于c型脈沖磁場(chǎng)區(qū)域遠(yuǎn)離儲(chǔ)存束流軌道，且脈沖磁場(chǎng)波形底寬僅為40ns(遠(yuǎn)短于入射束的回旋周期220ns)也不會(huì)影響入射束回旋過程。因此，儲(chǔ)存束流軌道遠(yuǎn)離脈沖磁鐵磁場(chǎng)區(qū)域，入射束流其他時(shí)刻穿越脈沖磁鐵時(shí)是無場(chǎng)時(shí)段?？傊隽Ｗ幼⑷胂到y(tǒng)對(duì)儲(chǔ)存束流，及對(duì)首次穿越入射點(diǎn)后的入射束流都沒有擾動(dòng)作用。由于此跳變磁鐵20磁場(chǎng)對(duì)入射束流起的作用，相對(duì)于入射束流在環(huán)型加速器中回旋周期而言極短，且改變的僅僅是入射束流的前行方向發(fā)生突變，我們稱之為跳變(jump)，與多個(gè)沖擊磁鐵組成改變儲(chǔ)存束流閉軌的作用是不相同的。下面對(duì)所述跳變磁鐵20不需要較高的磁場(chǎng)作用量即可達(dá)到目標(biāo)要求的原理進(jìn)行說明。現(xiàn)有的移動(dòng)環(huán)型加速器接受度相橢圓的凸軌注入系統(tǒng)，其脈沖磁鐵系統(tǒng)同時(shí)具有高電壓、大電流、高磁場(chǎng)、波形快速等特征，設(shè)計(jì)制造的高難技術(shù)含量比較多。本申請(qǐng)實(shí)施例提供的所述粒子注入系統(tǒng)，是單向磁鐵10與單個(gè)強(qiáng)度很小的跳變磁鐵20的組合。此粒子注入系統(tǒng)并不特別要求單向磁鐵10靠近環(huán)型加速器真空管道安放，完全可以用直流二極磁鐵取代，安放在遠(yuǎn)離環(huán)型加速器真空管道的位置。而且用于調(diào)整入射束流入射角度的二極磁鐵可以采用性能良好的扇形二極磁鐵，調(diào)整入射角度的精度達(dá)到0.01mrad的量級(jí)，直流二極磁鐵的設(shè)計(jì)制造精度可以好于10-4，是可以達(dá)到這樣的精度。目前國際上處于pre-cdr的未來圓型對(duì)撞機(jī)，以及未來先進(jìn)光源，其同步加速器的注入能量分別在tev與gev水平。對(duì)于注入束流發(fā)射度相橢圓跳變0.2mrad量級(jí)的質(zhì)子加速器或電子加速器，我們分別計(jì)算由注入點(diǎn)發(fā)射度相橢圓跳變縮小至入射點(diǎn)發(fā)射度相橢圓的角度改變量為δx′，則脈沖磁場(chǎng)作用量為其中，w表示帶電粒子靜止能量，ε0表示帶電粒子的動(dòng)能，δx′注入束流傳輸速度跳變量；對(duì)于δx′＝0.2mrad，則跳變磁場(chǎng)作用量δbδl分別為下述表1所列數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)注入點(diǎn)注入束流發(fā)射度相橢圓跳變縮小至入射點(diǎn)入射束流發(fā)射度相橢圓的縮小過程。此過程所用跳變磁鐵20的設(shè)計(jì)制造難度，遠(yuǎn)比凸軌注入脈沖磁鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造要小得多。表1電子注入束流發(fā)射度相橢圓跳變縮小所需脈沖磁場(chǎng)參數(shù)w/gev12345678δbδl/g·m6.674713.34620.01726.68933.36040.03146.70353.374表2質(zhì)子注入束流發(fā)射度相橢圓跳變縮小所需脈沖磁場(chǎng)參數(shù)w/tev0.010.030.080.10.18123δbδl/g·m72.704206.30539.93673.361207.16677.61334920020由單向磁鐵10和跳變磁鐵20組成的所述粒子注入系統(tǒng)，對(duì)于hls現(xiàn)有運(yùn)行光源，可以20hz以下的重復(fù)頻率進(jìn)行從儲(chǔ)存流強(qiáng)零起步的跳變縮小注入束流發(fā)射度的單束團(tuán)注入過程，往哪個(gè)相穩(wěn)定區(qū)(bucket)注入填充束流粒子由控制跳變磁鐵20的觸發(fā)時(shí)序確定。其他環(huán)型加速器設(shè)計(jì)建造新穎注入系統(tǒng)，可運(yùn)行的重復(fù)工作頻率必須考慮具體運(yùn)行l(wèi)attice模式的橫向振蕩振幅衰減時(shí)間常數(shù)，與調(diào)控時(shí)鐘單元的調(diào)控精度及跳變磁鐵20功率源的設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過上面的分析，總結(jié)如下：1：本申請(qǐng)實(shí)施例提供的粒子注入系統(tǒng)的跳變縮小注入束流發(fā)射度相橢圓的注入機(jī)理，是一種新穎的注入機(jī)制，可以適用于環(huán)型加速器的注入；2：本申請(qǐng)實(shí)施例提供的粒子注入系統(tǒng)，可由傳統(tǒng)意義上的切割磁鐵與單個(gè)跳變磁鐵20組合而成；3：本申請(qǐng)實(shí)施例提供的粒子注入系統(tǒng)，可以替代通常意義上凸軌注入系統(tǒng)，進(jìn)行單個(gè)相穩(wěn)定區(qū)的填充注入，但是必須配套設(shè)計(jì)足夠調(diào)控精度的時(shí)鐘單元，本申請(qǐng)實(shí)施例提供的粒子注入系統(tǒng)的重復(fù)工作頻率設(shè)計(jì)要考慮運(yùn)行l(wèi)attice模式的橫向振蕩衰減常數(shù)；4：單向磁鐵10可以在與環(huán)型加速器真空管道有足夠遠(yuǎn)距離的位置安放直流二極磁鐵取代，也可以安放超導(dǎo)二極磁體取代；5：跳變磁鐵20宜安放在注入相空間包絡(luò)函數(shù)極大值的縱向位置點(diǎn)或其鄰域，以盡量減小脈沖磁場(chǎng)作用量；6：對(duì)跳變磁鐵20宜采用脈沖磁場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)，盡量減少跳變磁場(chǎng)在磁間隙外的漏場(chǎng)；7：采用此新穎注入機(jī)理的環(huán)型加速器，要有足夠大的動(dòng)力學(xué)孔徑，以安放所述粒子注入系統(tǒng)的跳變磁鐵20；8：跳變磁鐵20的磁場(chǎng)空間分布與安放位置，要對(duì)環(huán)型加速器的儲(chǔ)存束流基本沒有負(fù)作用影響；9：此新穎的注入機(jī)理，只有單個(gè)比注入束團(tuán)稍長的脈沖磁場(chǎng)梯形波形，特別適用于top-off等能量小束流不間斷注入模式，以確保環(huán)形粒子加速器穩(wěn)定亮度與穩(wěn)定功率工作狀態(tài)。10：此新穎的注入機(jī)理，可以適用于電子環(huán)型加速器，也適用于質(zhì)子環(huán)型加速器；11：此新穎的注入機(jī)理，同樣適于bunchtobunch的注入過程，但是必須與bunch長度配套的好于0.1分辨率時(shí)鐘系統(tǒng)。相應(yīng)的，本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了一種環(huán)形粒子加速器，包括上述任一實(shí)施例所述的粒子注入系統(tǒng)。綜上所述，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種粒子注入系統(tǒng)及環(huán)形粒子加速器，其中，所述粒子注入系統(tǒng)包括單向磁鐵和跳變磁鐵，利用跳變磁鐵為注入束流提供預(yù)設(shè)周期的脈沖磁場(chǎng)，以使所述注入束流經(jīng)過所述跳變磁鐵的入射間隙時(shí)，傳輸速度的方向發(fā)生跳變，也就是使所述注入束流的發(fā)射度相橢圓發(fā)生跳變，從而使得注入束流的發(fā)射度相橢圓落入環(huán)形粒子加速器接受度相橢圓內(nèi)，進(jìn)而完成注入束流的注入過程。并且由于所述跳變磁鐵提供的脈沖磁場(chǎng)的脈沖寬度與所述環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流的回旋周期之比小于設(shè)定值，從而使得注入束流在進(jìn)入所述環(huán)形粒子加速器后可以借助橫向振蕩振幅阻尼振蕩衰減過程，被所述環(huán)形粒子加速器的射頻加速電場(chǎng)捕獲，同樣由于所述脈沖磁場(chǎng)的脈沖寬度較小這一特點(diǎn)，使得該脈沖磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)環(huán)形粒子加速器的儲(chǔ)存束流產(chǎn)生擾動(dòng)。進(jìn)一步的，利用所述粒子注入系統(tǒng)使所述注入束流的傳輸速度的方向發(fā)生跳變的量級(jí)只要亞毫弧度(mrad)量級(jí)即可完成粒子注入過程，大大降低了對(duì)于以往沖擊磁鐵的磁場(chǎng)作用量的要求，從而降低了所述粒子注入系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和制造難度。本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。當(dāng)前第1頁12