束流輸運系統
正文
在加速器和靶之間設定的一系列粒子傳輸元件的組合。廣義的，可以把從粒子發射裝置和靶之間的所有元件統稱為束流輸運系統。傳輸元件 最常用的傳輸元件有二極磁鐵，開關磁鐵,四極電磁透鏡,六極、八極等多極磁鐵,螺線管,聚束器，能散調節器等。有的束流輸運系統還配置有粒子分離器、束流導向器、束流準直器或光闌、衝擊磁鐵、扭曲磁鐵、切割磁鐵、聚束磁鐵以及廢流收集器等專用傳輸元件。通常，這些元件按照其對粒子運動的作用，可以分為三大類。①橫向聚焦元件，如四極透鏡和螺線管等；②縱向變換元件，如聚束器和能散調節器等；③偏轉元件，如二極磁鐵、靜電偏轉器和高頻掃描偏轉器等。這些傳輸元件的組合，不僅可實現束流的傳輸，還能根據需要改變束流的性能和參量，如束流幾何形狀、脈衝寬度、發散度匹配、能量解析度以及時間結構等。
二極磁鐵 即偏轉磁鐵。在其磁場的作用下，束流中心軌道被偏轉成圓弧形，如圖1所示。
束流輸運系統
為場指數。帶電粒子在這種場中的運動滿足克斯特－塞貝爾(Kerst-Serber)方程： 
不同動量的粒子在偏轉磁鐵中通過的平衡軌道不同，此即色散效應，可用於對束流質量、電荷的選擇，能量分析以及實現束流的色散匹配等。但是，有時要在一定幾何空間利用全部束流，這就需要設計消色差磁鐵系統。
四極透鏡 可以分為磁四極透鏡和電四極透鏡兩類（如圖2所示）。在四極透鏡的軸線上,磁場或電場等於零。在它的有效孔徑內，磁場或電場是線性分布的，即有
或 
束流輸運系統
式中
,
由方程可見，對一定的帶電粒子來說，一個四極透鏡如果在一個方向（x或y方向）起聚焦作用，則在另一個方向必然起散焦作用。但是，由兩個極性相反的四極透鏡所組成的雙合透鏡系統以及由三個極性交替的四極透鏡所組成的三合透鏡系統，可以在兩個方向上同時實現聚焦，如圖3所示，此外,它們還常常用來實現束流橫向相空間的匹配。
束流輸運系統螺線管 用它產生的磁場也可用來聚焦帶電粒子。但由於它的功率損耗比四極透鏡高得多，故一般只限用於低能束流或者對於束流的方位角對稱性頗為重要的系統里。螺線管磁場也可用於控制極化束的自鏇方向。
束流聚束器 能壓縮脈沖寬度，但會增加束流的能散。聚束器通常為一高頻腔，利用速度調製原理來實現束流群聚。能散調節器又稱散束器，其作用同聚束器相反。
束流輸運系統的設計 它基於束流傳輸理論。束流為許多單粒子的集合。每一個粒子都可以用由坐標和動量構成的相空間 (x,px；y,py；z,pz)的一個點來表示。因此，束流占有一定的相空間體積，此即發射度，由劉維定理可知，它在運動中保持不變。發射度和強度或亮度為束流的基本參量。束流強度為單位時間通過某截面的粒子數或其電荷數。打靶時則多採用束流亮度，其定義為單位時間通過單位截面的粒子數。
設計束流輸運系統就是根據給定了的加速器出口的束流參量，設計最佳的傳輸元件組合，使在靶上得到所要求的束流，並且保證整個系統在投資上比較經濟，在傳輸過程中獲得合理的束流包絡。
束流輸運系統的設計有矩陣法和軌跡方程法兩種數值計算方法。
① 矩陣法。根據束流傳輸理論，束流可用一個六維相空間橢球來描述，傳輸元件對束流運動的作用可以用傳輸矩陣運算元表示。矩陣法就是根據給定的初始束流相空間橢球，通過計算傳輸矩陣運算元，設計束流輸運系統使得傳輸後的束流相空間橢球符合要求。
② 軌跡方程法。採用對帶電粒子在電磁場中的運動方程直接積分的方法來設計束流輸運系統。積分中，各個傳輸元件所產生的電磁場是預先給定的，它既可以是實驗測量值，也可以是數值計算結果。
大容量高速度的計算機的發展，為這兩種數值計算方法提供了有利的條件。並出現一些各具特色的程式。用數值積分法求解粒子運動軌跡，比矩陣法的精度要高得多，但所需的計算量相應的要大得多。
模擬機的套用，給束流輸運系統的設計和研究，提供了一個直觀而方便的工具。如圖4所示的束流輸運小型專用模擬機，可以對四極透鏡、偏轉磁鐵、高頻加速腔等元件組成的輸運系統進行模擬。它既可以模擬帶電粒子的軌跡，從而得到束流包絡線，還可以給出系統軸向任意位置上的束流相空間橢圓，如圖5所示。
束流輸運系統
束流輸運系統
束流輸運系統參考書目
A.P.Banford,The Transport of Charged particle Beams,E.& F.N. Spon, London,1966.
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K. G. Steffen, High Energy Beam Optics, John Wiley & Sons, New York,1965.
徐建銘編著：《加速器原理》，修訂版，科學出版社，北京，1981。
