CST仿真在束流診斷中的應(yīng)用

【摘? ?要】重離子加速器在放射醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，而束流診斷設(shè)備作為監(jiān)測束流的設(shè)備，對整個加速器的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文通過CST仿真軟件仿真了Shoe-box型的束流位置探測器（Beam Position Monitor，簡稱BPM），并將仿真出的結(jié)果和理論計算結(jié)果進(jìn)行了比較，說明了仿真方法的正確性。而將仿真結(jié)果和實際標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行比較，說明CST仿真BPM的準(zhǔn)確性。為后續(xù)各種類型的BPM在CST中的仿真提供了一定的方法參考依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】束流診斷;CST仿真;BPM;位置靈敏度

引言

重離子加速器可以將大量的重離子加速到很高的速度，甚至接近光速，高速的重離子形成重離子束，用于開展各項重離子物理研究及治療腫瘤等。近年來我國重離子加速器的發(fā)展突飛猛進(jìn)，蘭州重離子加速器已建成并投入使用多年，并完成眾多重要的科學(xué)實驗，武威重離子加速器也已建成，并進(jìn)行了腫瘤治療的臨床試驗。這意味著我國在我國重離子加速器的發(fā)展已突破國外技術(shù)限制，并得到了廣泛的應(yīng)用。而重離子加速器中的束流位置探測器（BPM）主要用來監(jiān)測束流軌道是否在真空管道中心，探測束團(tuán)形狀分布及發(fā)射度測量、工作點測量、相對流強(qiáng)監(jiān)測等，對加速器的正常運(yùn)行起到關(guān)鍵的作用。因此，如何設(shè)計出高性能，符合各項技術(shù)指標(biāo)的BPM設(shè)備對于束流診斷工作乃至重離子加速器的正常運(yùn)行而言至關(guān)重。BPM的設(shè)計過程中首先要根據(jù)設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行仿真設(shè)計，目前可借助于CST中的粒子工作室進(jìn)行仿真設(shè)計，但是CST粒子工作室中仿真BPM的相關(guān)資料非常有限，且均未形成系統(tǒng)性操作資料，這就給初學(xué)BPM仿真的工作者帶來了一定的困擾。為了將CST粒子工作室仿真BPM的技術(shù)更好的推廣，本文以shoe-box型BPM為例將CST中仿真BPM的過程做了完整的展示。

1.建模及仿真參數(shù)設(shè)置

1.1 BPM在CST中的建模

首先，在CST中建模，選擇CST粒子工作室建立新工程，然后在Create a new project對話框中依次選擇Accelerator Components→Beam Position Monitors→Wakefields建立空白項目。在項目工作區(qū)域建立如圖1所示的shoe-box型BPM結(jié)構(gòu)。該shoe-box型BPM結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含了外部的矩形接地外殼和內(nèi)部的電極，內(nèi)部電極由兩個橫向電極和兩個縱向電極組成。整體內(nèi)部幾何尺寸為180（mm）×90（mm）×225（mm），左右電極內(nèi)部整體幾何尺寸為180（mm）×90（mm）×100（mm），上下電極內(nèi)部整體幾何尺寸為180（mm）×90（mm）×100（mm），電極厚度為1.5mm，電極與接地環(huán)之間的距離為2mm，電極與接地外殼之間的距離為7.5mm，相鄰電極間距5mm。外部接地外殼幾何尺寸為202（mm）×112 （mm） ×225 （mm）。整體結(jié)構(gòu)均采用理想導(dǎo)體。此外，BPM每個電極上外接一個同軸端口，用于引出輸出信號。

1.2 BPM仿真參數(shù)設(shè)置

完成BPM幾何建模后，進(jìn)行仿真條件設(shè)置。仿真源為粒子束，粒子束參數(shù)為：sigma=30mm，beta=0.75，charge=1e-008C，粒子束從BPM管道中通過，沿粒子束方向設(shè)置Open的邊界條件，其余四個方向分別設(shè)置電邊界條件，同軸線上加波導(dǎo)端口和電壓監(jiān)視器，通過電壓監(jiān)視器得到電極上的感應(yīng)電壓即可。

2.BPM掃參分析及結(jié)果對比分析

仿真過程中采用掃參的方式改變束流的位置，得到不同束流位置下的各個電極上的電壓值。建模過程中束流沿BPM縱向（z方向）通過，則橫向束流位置變化在x方向和y方向。分別在x方向和y方向變化束流位置，x方向以間隔20mm掃參，y方向以間隔10mm掃參。仿真得到各個極板上的感應(yīng)電壓，代入BPM位置靈敏度計算公式（1），（2）計算出靈敏度，式（1）中是水平方向（x方向）靈敏度，是靈敏度校正量，U表示電極感應(yīng)電壓，式（2）中是垂直方向（y方向）靈敏度，也是靈敏度校正量。

將理論計算結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得到各電極感應(yīng)電壓差和比，發(fā)現(xiàn)該仿真結(jié)構(gòu)下電極感應(yīng)電壓差和比的線性性較差。依據(jù)仿真結(jié)構(gòu)計算出仿真水平方向位置靈敏度為，而其理論計算位置靈敏度。依據(jù)仿真結(jié)果計算出垂直方向位置靈敏度為，，而其理論位置靈敏度?？梢姡?，仿真位置靈敏度與理論計算值存在一定的差異。

為得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，增加束團(tuán)長度為3m時，其四個電極上電極電壓時域和頻域值均一致，此時BPM正常工作，同樣的，此時掃參得到的電壓差和比如圖2所示，此時，電極上電壓差和比呈現(xiàn)出了非常好的線性性，計算得仿真位置靈敏度分別為，，即仿真得位置靈敏度與理論計算結(jié)果一致。

再次變化束團(tuán)長度為20cm時，也就是束團(tuán)長度與BPM自身長度相差不大，得到得仿真結(jié)果介于以上兩種束團(tuán)長度的仿真結(jié)果之間。通過對不同束團(tuán)長度的仿真，說明了Shoe-box型BPM適用于監(jiān)測束團(tuán)長度比BPM自身長的束流情況。

此外，為驗證仿真的準(zhǔn)確性，對這一BPM進(jìn)行了現(xiàn)場標(biāo)定，將標(biāo)定結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示?？梢?，現(xiàn)場標(biāo)定電極電壓差和比和CST仿真結(jié)果基本一致，說明了在CST中仿真該BPM的結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

3.注意事項及誤差討論

值得注意的是，首先，建模過程中注意電極上彎折處圓角盡可能做到平滑過渡，角度不宜過大也不宜過小，否則容易引起仿真結(jié)果誤差。其次，BPM的電極的厚度等參數(shù)并不是首次建模就能選擇到合適的參數(shù)，而是要采用掃參的方式，獲得多次仿真結(jié)果，再進(jìn)行對比才能獲得最佳參數(shù)值。最后，通過掃參可得電極上所接同軸電纜的長度會影響電極的對地電容及耦合電容，且隨著外接電纜長度的增長，電極電容漸漸變大，耦合電容也呈現(xiàn)增大的趨勢，所以在仿真過程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮，選取合適的尺寸。

通過將CST仿真結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果比較，說明仿真的正確性，但是在與實際BPM標(biāo)定結(jié)果比較時發(fā)現(xiàn)其有一定的誤差，分析其誤差來源主要是：（1）實物BPM中用了很多陶瓷片，打了一些孔，這對BPM的工作性能有一定的影響，這在實際仿真中并未考慮;（2）實際加工BPM時，存在一定的誤差，這些誤差也會影響B(tài)PM的工作的準(zhǔn)確度。

4.結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了在CST粒子工作室中仿真shoe-box型束流位置探測器（BPM）的過程，并將仿真結(jié)果和理論計算結(jié)果進(jìn)行了比較，說明了仿真的正確性。將BPM標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步證明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而為今后BPM的仿真工作提供了一定的工程參考價值。

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作者簡介：董曉霞（1989-），女，甘肅天水人，西南交通大學(xué)希望學(xué)院教師，助教，碩士，研究方向為電磁兼容.

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