摘 要

本文对辐照加速器电子束聚焦装置进行了优化与设计，基于束流传输理论，借助TRANSPORT程序完成辐照加速器部分元件的束流仿真，在辐照加速器中首次使用永磁强聚焦替代螺线管弱聚焦，通过分析四极透镜的聚焦规律，设计出了三合四极透镜组合和两合四极透镜组合聚焦结构，并对比了聚焦后的束流包络等特性。结果显示三合四极透镜组合结构具有更好的光学特性，聚焦后的束流包络在横向上更具有对称性，有利于辐照加速器整体性能的提升。本文接着使用Ansoft Maxwell软件对八边形四极磁铁电磁场仿真，分析比较了圆柱形和折线形极面四极磁铁的磁场梯度并讨论了其适用范围。

关键词：辐照加速器；电子束；永磁强聚焦；四极磁铁；束流包络

Abstract

In this paper, the electron beam focusing structure of the irradiation accelerator is optimized and designed. Based on the beam transmission theory, the beam simulation of some components of the irradiation accelerator is completed with the help of the TRANSPORT program. In the irradiation accelerator, permanent magnetic strong focusing is used instead of the weak solenoid focusing. By analyzing the focusing rule of the quadrupole lens, the focusing structure of the triple quadrupole lens combination and the double quadrupole lens combination is designed, and the characteristics of the beam envelope after focusing are compared. The results show that the triple quadrupole lens combination structure has better optical characteristics, and the beam envelope after focusing is more symmetrical in the lateral direction, which is conducive to improving the overall performance of the irradiation accelerator. This paper then uses Ansoft Maxwell software to simulate the electromagnetic field of the octagonal quadrupole magnet, analyzes and compares the magnetic field gradients of the cylindrical and zigzag pole-surface quadrupole magnets, and discusses its applicable range.

Key Words: irradiation accelerator; electron beam focusing; quadrupole magnet; beam envelope

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外辐照加速器发展与应用现状 1

第2章 辐照加速器基本结构 3

第3章 辐照加速器束流传输理论 4

3.1 束流动力学基础 4

3.1.1 束流基本概念 4

3.1.2 粒子在电磁场中的运动 4

3.1.3 束流相空间及刘维尔定理 6

3.2 位置-斜率相空间 7

3.3 束流发射度 7

3.4 束流线性传输理论 8

3.4.1 束流相椭圆 8

3.4.2 束流传输模型 9

第4章 辐照加速器光路设计 11

4.1 辐照加速器整体布局 11

4.2 加速管设计 12

4.3 螺线管聚焦 15

4.3.1 电子在螺线管内部磁场中的运动 15

4.3.2 螺线管透镜设计 16

4.4 永磁体聚焦 18

4.4.1 磁四极透镜结构及其场的分布 18

4.4.2 带电粒子在磁四极透镜系统中的运动及其转换矩阵 19

4.4.3 两合四极透镜组合 21

4.4.4 三合四极透镜组合 24

4.4.5 不同四极透镜组合聚焦对比 26

第5章 四极磁铁设计 27

5.1 极面为圆柱形 27

5.2 极面为折线形 29

5.3 二者对比 30

第6章 结论 31

参考文献 32

附录A 本科期间发表的论文 33

致 谢 34

绪论

目的及意义

粒子加速器经过接近100年的发展，从最初的高压倍加器逐步向超高能质子对撞机演变，应用领域也不再局限于人们对于原子核的探索方面，逐渐向其他领域扩展。随着自动稳相原理的提出，粒子加速器加速粒子达到的最大能量突破瓶颈呈直线趋势上升。目前，电子加速器应用最为广泛，在辐照领域经过不断发展已经形成一定的规模。辐照加工技术是指利用加速器加速电子形成高能电子束，高能电子束与物质产生各种反应，物质的特性发生改变并趋向于满足人们需求，照射时中性原子最外层电子脱离原子核的束缚形成自由基，高能电子束的能量一部分被物质吸收。在此过程中，高能电子束最终被扫描磁铁扫描成为均匀的电子束分散照射到被照射物质上，电子束的质量决定着辐照后物质的性能，为了降低电子束在传输过程中的损失和提高被辐射物质的性能，电子束在扫描之前需经过聚焦结构聚焦，聚焦结构主要针对电子束的横向运动，描述横向运动最直观的是束流包络，因此研究外加磁场对于束流包络特性的影响就能直观反应磁场对于电子束横向运动的约束能力。

传统的弱聚焦应用同步加速器上在提高能量的过程中由于磁体尺寸、体积过大重重受阻。在20世纪50年代初，强聚焦原理首次被提出，并得到广泛应用，随后一大批强聚焦型加速器诞生。目前电子辐照加速器磁透镜聚焦系统主要采用的通电螺线管聚焦，通电螺线管内部系统结构比较简单并且磁场呈轴对称结构，磁场方向沿着束轴方向，通过调节螺线管线圈中的电流大小就能调节任意磁场大小，便于适应工业辐照加速器实际应用过程中的调试，但是在使用过程中需要消耗大量能量，并且效率低，螺线管的尺寸也限制了辐照加速器的尺寸；相比之下，永磁体强聚焦不需要消耗能量，其体积也可以尽可能的小，产生的磁场为横向的磁场，并且磁场具有一定的梯度，与螺线管聚焦不同，对于工业辐照加速器的性能提高具有重要意义。

国内外辐照加速器发展与应用现状

上世纪60年代，电子辐照加速器技术在我国得到发展，目前在很多方面得到了应用。主要研制的单位就有10多家，不同类型、各种能量的加速器相继被研制出来，2013年，国内首台L波段10MeV/40kW用于工业领域的辐照加速器问世^[1]，标志着辐照加速器正在向高能迈进。与此同时，我国的电子辐照加速器的数量也在不断增长，根据相关资料显示，我国加速器数量目前约占全球总量的1/4，部分产品出口海外。

辐照加工技术被国际上誉为节能环保并具有良好应用前景的加工技术，目前正在迈向辐照装置大型化、辐照效率高的方向。辐射加工业“十二五”发展规划及建议指出，截至2008年末我国就拥有140台电子辐照加速器，束流总体功率达到8000kW^[2]。经过数十年的发展，辐照加工产业在我国拥有很大的市场，在新能源、高铁与轨道交通等先进领域需求巨大，2005年底产业规模仅有172亿元，经过10年发展剧增到2015年的1000亿元。在全球范围内，美国和日本拥有超过500台的辐照加速器，并且拥有专业大型化辐照加工企业，相比之下，我国辐照加工技术的创新力有待提高。