CST仿真在束流診斷中的應用

【摘? ?要】重離子加速器在放射醫學領域具有廣泛的應用，而束流診斷設備作為監測束流的設備，對整個加速器的正常運行起著至關重要的作用。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），并將仿真出的結果和理論計算結果進行了比較，說明了仿真方法的正確性。而將仿真結果和實際標定結果進行比較，說明CST仿真BPM的準確性。為后續各種類型的BPM在CST中的仿真提供了一定的方法參考依據，具有一定的工程應用價值。

【關鍵詞】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展突飛猛進，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實驗，武威重離子加速器也已建成，并進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展已突破國外技術限制，并得到了廣泛的應用。而重離子加速器中的束流位置探測器（BPM）主要用來監測束流軌道是否在真空管道中心，探測束團形狀分布及發射度測量、工作點測量、相對流強監測等，對加速器的正常運行起到關鍵的作用。因此，如何設計出高性能，符合各項技術指標的BPM設備對于束流診斷工作乃至重離子加速器的正常運行而言至關重。BPM的設計過程中首先要根據設計指標進行仿真設計，目前可借助于CST中的粒子工作室進行仿真設計，但是CST粒子工作室中仿真BPM的相關資料非常有限，且均未形成系統性操作資料，這就給初學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.建模及仿真參數設置

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。在項目工作區域建立如圖1所示的shoe-box型BPM結構。該shoe-box型BPM結構如圖1所示，包含了外部的矩形接地外殼和內部的電極，內部電極由兩個橫向電極和兩個縱向電極組成。整體內部幾何尺寸為180（mm）×90（mm）×225（mm），左右電極內部整體幾何尺寸為180（mm）×90（mm）×100（mm），上下電極內部整體幾何尺寸為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）。整體結構均采用理想導體。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仿真參數設置

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

2.BPM掃參分析及結果對比分析

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。

將理論計算結果和仿真結果進行比較，得到各電極感應電壓差和比，發現該仿真結構下電極感應電壓差和比的線性性較差。依據仿真結構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。依據仿真結果計算出垂直方向位置靈敏度為，，而其理論位置靈敏度。可見，，仿真位置靈敏度與理論計算值存在一定的差異。

為得到更加準確的結果，增加束團長度為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果一致。

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

此外，為驗證仿真的準確性，對這一BPM進行了現場標定，將標定結果與仿真結果進行對比，如圖3所示。可見，現場標定電極電壓差和比和CST仿真結果基本一致，說明了在CST中仿真該BPM的結構的準確性。

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果誤差。其次，BPM的電極的厚度等參數并不是首次建模就能選擇到合適的參數，而是要采用掃參的方式，獲得多次仿真結果，再進行對比才能獲得最佳參數值。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，耦合電容也呈現增大的趨勢，所以在仿真過程中應當綜合考慮，選取合適的尺寸。

通過將CST仿真結果和文獻結果比較，說明仿真的正確性，但是在與實際BPM標定結果比較時發現其有一定的誤差，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BPM的工作的準確度。

4.結語

本文詳細介紹了在CST粒子工作室中仿真shoe-box型束流位置探測器（BPM）的過程，并將仿真結果和理論計算結果進行了比較，說明了仿真的正確性。將BPM標定結果進行比較，進一步證明仿真結果的準確性，從而為今后BPM的仿真工作提供了一定的工程參考價值。

參考文獻

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

西南交通大學希望學院? ? 四川成都? ? 610499