一种电子束纵向温度调制方法、系统、设备和存储介质

本发明涉及一种适用于高能强流离子束团非线性冷却的电子束纵向温度调制方法、系统、设备和存储介质，应用于高能强流重离子加速器的离子束冷却，属于电子束冷却离子束团。

背景技术：

1、建设高能强流重离子加速器大科学装置是我国面向前沿核物理基础研究的共识，获得极高相空间密度是重离子加速器不断追求的目标。电子冷却是一种用于压缩离子束流相空间体积，减小束流发射度和动量分散以及提高束流品质的重要方法。如何在离子束团冷却趋于平衡时维持束流强度是高能强流重离子加速器设计的关键科学问题。

2、高能强流重离子加速器在束流冷却趋于平衡过程中，经过快速冷却阶段的离子束发射度和动量分散迅速减小，不同振荡幅度的离子受到的冷却力存在差异，离子束在束流中心将形成密度高于边缘的“束芯”，造成离子束中心“过冷却”，由于每个离子都带有相同的电荷，处于中心位置离子的间距越来越小，由库伦散射引起的束内散射将导致离子束的横向发射度增大，纵向束团长度变长，降低离子束流的相空间密度，同时，边缘横向振荡较大的离子会快速损失，这一电子加热效应将会显著降低束流流强。

3、对于低能重离子加速器离子冷却，由于冷却率足够大，可通过减小单个束团内的离子数目、外部激励加热离子束或采用平坦的纵向离子束电荷密度分布等方式，来避免离子束中心出现“过冷却”。然而，这类方法的主要策略是在保障储存环能够稳定供应束流的基础上，以牺牲冷却率和束流品质为代价，削弱了冷却效果，增大了离子束的平衡发射度和动量分散，无法应用于高能强流重离子加速器中。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种实现高能强流离子束团非线性冷却的电子束纵向温度调制方法、系统、设备和存储介质，针对离子束冷却后出现密度分布不均匀的情况，对离子束施加非线性冷却力，弱化离子束中心的“过冷却”，实现离子束的均匀冷却，维持束流强度。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种电子束纵向温度调制方法，包括以下步骤：

4、对高能强流离子束流的电子冷却束流进行模拟计算，并根据模拟计算结果确定最佳匹配的电子束纵向温度变化分布；

5、将最佳匹配的电子束纵向温度变化分布转换为光阴极电子枪阴极稳定度的时域变化，得到光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列；

6、基于光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列，利用稳定度主动补偿高压电源装置对高能强流离子束流施加非线性冷却力，实现电子束纵向温度调制。

7、进一步，所述电子冷却束流采用直流电子束或脉冲电子束。

8、进一步，所述电子束纵向温度变化分布包括电子束纵向温度的结构变化和梯度变化。

9、进一步，所述将最佳匹配的电子束纵向温度变化分布转换为光阴极电子枪阴极稳定度的时域变化，得到光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列，包括：

10、将获取的电子束纵向温度的结构变化转化为光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列；

11、将获取的电子束纵向温度的梯度变化转化为光阴极电子枪阴极稳定度调制的幅值序列。

12、进一步，所述稳定度主动补偿高压电源装置包括：光阴极电子枪、测量反馈系统、参数预测控制系统和主动补偿系统；

13、所述测量反馈系统用于对光阴极电子枪受到各项时变因素影响造成的阴极稳定度低频波动和高频波动进行测量；

14、所述参数预测控制系统用于基于稳定度高频和低频的波动测量结果以及光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列，输出时变参数预测数字模拟转换信号；

15、所述主动补偿系统用于根据时变参数预测数字模拟转换信号生成补偿电压信号，并作用于光阴极电子枪，使得光阴极电子枪输出满足预设要求的非线性超低温电子束。

16、进一步，所述测量反馈系统包括旋转感应计、电容耦合传感器、高压电阻分压器以及若干模拟数字转换器；

17、所述旋转感应计和高压电阻分压器用于感应和测量光阴极阴极枪受到各项时变因素影响造成的阴极稳定度低频波动；

18、所述电容耦合传感器用于测量光阴极电子枪受到各项时变因素影响造成的阴极稳定度高频波动；

19、各所述模拟数字转换器用于将稳定度高频和低频的波动测量结果发送到时变参数预测控制系统。

20、第二方面，本发明提供一种电子束纵向温度调制系统，包括：

21、电子束纵向温度变化确定模块，用于对高能强流离子束流的电子冷却束流进行模拟计算，并根据模拟计算结果确定最佳匹配的电子束纵向温度变化分布；

22、时域转换模块，用于将最佳匹配的电子束纵向温度变化分布转换为光阴极电子枪阴极稳定度的时域变化，并得到光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列；

23、非线性冷却模块，用于基于电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列，利用稳定度主动补偿高压电源装置对高能强流离子束流施加非线性冷却力，实现电子束纵向温度调制。

24、第三方面，本发明提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述方法中的任一方法。

25、第四方面，本发明提供一种计算设备，包括：一个或多个处理器及存储器，所述存储器中存储有一个或多个程序，并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行任一方法的指令。

26、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明以时域变化的稳定度为切入点，实现电子束纵向温度调制，对高能强流离子束团施加非线性冷却力，在不牺牲束流品质的情况下，避免离子束中心“过冷却”产生的电子加热效应，有效维持束流强度。因此，本发明可以广泛应用于电子束冷却离子束团技术领域。

技术特征：

1.一种电子束纵向温度调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种电子束纵向温度调制方法，其特征在于，所述电子冷却束流采用直流电子束或脉冲电子束。

3.如权利要求1所述的一种电子束纵向温度调制方法，其特征在于，所述电子束纵向温度变化分布包括电子束纵向温度的结构变化和梯度变化。

4.如权利要求3所述的一种电子束纵向温度调制方法，其特征在于，所述将最佳匹配的电子束纵向温度变化分布转换为光阴极电子枪阴极稳定度的时域变化，得到光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列，包括：

5.如权利要求1所述的一种电子束纵向温度调制方法，其特征在于，所述稳定度主动补偿高压电源装置包括：光阴极电子枪、测量反馈系统、参数预测控制系统和主动补偿系统；

6.如权利要求5所述的一种电子束纵向温度调制方法，其特征在于，所述测量反馈系统包括旋转感应计、电容耦合传感器、高压电阻分压器以及若干模拟数字转换器；

7.一种电子束纵向温度调制系统，其特征在于，包括：

8.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至6所述方法中的任一方法。

9.一种计算设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器及存储器，所述存储器中存储有一个或多个程序，并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至6所述方法中的任一方法的指令。

技术总结本发明涉及一种电子束纵向温度调制方法、系统、设备和存储介质，包括以下步骤：对高能强流离子束流的电子冷却束流进行模拟计算，并根据模拟计算结果确定最佳匹配的电子束纵向温度变化分布；将最佳匹配的电子束纵向温度变化分布转换为电子枪阴极稳定度的时域变化，得到光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列；基于光阴极电子枪阴极稳定度调制的时间序列和幅值序列，利用稳定度主动补偿高压电源装置对高能强流离子束流施加非线性冷却力，实现电子束纵向温度调制。本发明可以广泛应用于电子束冷却离子束团技术领域。技术研发人员：严凯明,马伏,汤梅堂,赵贺,杨晓东,上官靖斌,高杰,李明睿,张余强,马晓明,高大庆,冒立军受保护的技术使用者：中国科学院近代物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/26