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本文对上海质子治疗装置加速器慢引出系统中的RFKO(RF-knockout)横向激励进行了研究。文章分为四个部分,首先简单介绍了质子治疗和慢引出系统,总结了前人的成果;其次扼要地给出了三阶共振基本理论及影响粒子引出的因素;第三,给出了为达到束流均匀性,RF Kicker所需要的AM函数、kick角和时间关系;第四,分别用WinAgile和MAD-X程序模拟仿真了影响束流引出的因素如动量偏差、tune值偏差、驱动六极磁铁强度、RF Kicker函数等;最后,简要叙述了RFKO系统的硬件原理框图.
在概论部分,首先列举了国内外的质子治疗装置的现状,针对上海质子治疗装置,简单的介绍了慢引出系统,并对慢引出系统RFKO原理进行了说明。在RFKO的理论基础部分,首先给出了三阶共振的理论分析,计算得到Hamiltonian方程式,并由该方程式画出三阶共振的相空间示意图。在该示意图中,可以很方便的显示出非稳定区和稳定区的分界线(separatrices),并且能够计算出三角稳定区的面积公式。由面积公式变形得到tune值、六极磁铁强度和引出的关系;还解析了三阶共振下的引出束流的时间特性。此外,论文还提到了色品的作用,分析了RFKO激励频率和粒子回旋频率的关系,运用运动矩阵法和解析法来分析横向RF场引起的粒子振幅增长机制,以及动量振荡所引起的粒子振幅的变化。
为了使粒子束流幅度达到一定均匀性,解析计算了幅度调制(AM)函数模型,在给出了其一维模型的情况下,对该模型进行解析分析,得到了平滑溢出的AM函数;导出了不同RFKO kick角和引出束流的关系以及为使束流均匀引出,kick角随时问变化的关系。参考HIMAC的资料,对AM函数设定一些参数,画出引出时间结构和恒定kick角的关系曲线以及RF场强度θ和时间的关系曲线等。
本文主要针对理论部分进行了模拟,在数值模拟前,对两个模拟软什WinAgile利MAD-X进行了简要的介绍。结合两个模拟软件对粒子的引出和一些关系进行了模拟仿真。模拟了初始粒子动量分布和引出束流分布的关系、tune值偏差和共振驱动六极磁铁强度与引出束流的关系、能散和引出的关系等,模拟结果很好的验证了理论分析。在MAD-X部分,对上海质子治疗装置编程,并设定了一些参数,文章分析了粒子跟踪方法,详细给出了跟踪步骤,尤其是选择了不同类型(随机分布,高斯分布,频率为2/3*tune值的正弦函数)的RF Kicker电场。采用了该方法研究粒子的引出情况和幅值变化以及RF Kicker电场如何随粒子回旋而变化等,并对比捕述一些不同参数和不同电场函数的粒了跟踪相空间图和粒了随引出圈数(或者时间)的变化图。
在介绍相关软件模拟后,本论文还参考了围外的一些经验,简要给出了RFKO系统的硬件原理框图;为了束流的稳定性和均匀性,引入了反馈系统;给出了AM函数控制器的框图。