CN101631418A - 串级回旋加速器与双冷却储存环系统 - Google Patents

串级回旋加速器与双冷却储存环系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种串级回旋加速器与双冷却储存环系统。包括有离子源(500)和对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)，对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)注入端通过第一离子束输送线(600)与扇聚焦回旋加速器(100)或/和分离扇聚焦回旋加速器(200)相接，对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)引出端通过第二离子束输送线(700)与非对称磁聚焦结构的冷却储存环(400)相接。其采用一台或多台回旋加速器的级联组合、一个用于提高离子束流品质的带离子冷却技术装置的同步加速器储存环，同样也采用离子冷却技术装置的冷却储存环，有效满足高精度核物理试验及原子物理实验，并可应用于材料辐照、质子－重离子治癌等应用性研究项目。

Description

串级回旋加速器与双冷却储存环系统
技术领域：
本发明涉及一种多用途质子-重离子研究装置的建造方法技术领域，尤其是涉及一种串级回旋加速器与双冷却储存环系统。
背景技术：
冷却储存环作为一种公知的质子-重离子加速器，使用磁场(让离子改变运动方向)和电场(加速或减速离子)与在储存环中运动的离子同步化操作，实现离子在冷却储存环中的能量改变和储存。冷却储存环作为一种质子-重离子物理研究的基础设施，在现有技术中已有描述。
现有技术中公开的质子-重离子冷却储存环的缺陷在于：采用回旋加速器作冷却储存环注入器的装置中，都是采用一台回旋加速器。由于回旋加速器能够加速到的能量范围受到磁铁和高频设备的制约，如果离子源提供的离子能量与冷却储存环所能接受的离子最低能量之间相差较大，则需要作为注入器的回旋加速器有很宽的能量范围，这意味着工艺的复杂和成本增大。而采用直线加速器作冷却储存环注入器的装置中，直线加速器只能提供脉冲质子-离子束流，并且造价较高，占地较大。同时，这些加速器装置都有一个共同的缺陷，冷却储存环只采用单环结构，不能将实验平台单独设置，使得实验受到提高束流品质过程的干扰和制约。
发明内容：
为了开展质子、重离子束治癌的临床研究及治疗，同时解决已有技术的缺陷，本发明了提供了一种串级回旋加速器与双冷却储存环系统。其采用将多台回旋加速器与两个冷却储存环级联的方法，建立一套可以提供质子、重离子(质量数小于等于92)、宽能量范围(3.0MeV/u-1000MeV/u)、高流强(每个脉冲提供的离子数目107-10量级)的质子、重离子束研究应用装置。同时提出一种满足核物理、原子物理，材料辐照集中离子照射治疗应用研究的质子-重离子束加速装置的方法，其次在于提供一套符合上述需求的的加速器装置。有效解决了现有技术中的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，包括有离子源(500)和对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)，其特点在于：对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)注入端通过第一离子束输送线(600)与扇聚焦回旋加速器(100)或/和分离扇聚焦回旋加速器(200)相接，对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)引出端通过第二离子束输送线(700)与非对称磁聚焦结构的冷却储存环(400)相接。
所述的对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)包括有通过离子束输送线相连接的注入切割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个冷却储存环弯曲段(1-1至1-8)和八个冷却储存环直线段(2-1至2-8)。所述的冷却储存环弯曲段(1-1)包括有两个二极磁铁(3-1、3-2)和踢轨磁铁(4-2)；冷却储存环弯曲段(1-2)包括有两个二极磁铁(3-15、3-16)和踢轨磁铁(4-3)；冷却储存环弯曲段(1-3)包括有两个二极磁铁(3-13、3-14)和静电偏转板(9-2)；冷却储存环弯曲段(1-4)包括有两个二极磁铁(3-11、3-12)；冷却储存环弯曲段(1-5)包括有两个二极磁铁(3-9、3-10)；冷却储存环弯曲段(1-6)包括有两个二极磁铁(3-7、3-8)；冷却储存环弯曲段(1-7)包括有两个二极磁铁(3-5、3-6)；冷却储存环弯曲段(1-8)包括有两个二极磁铁(3-3、3-4)。所述的冷却储存环直线段(2-1)包括有三个四极磁铁(7-1、7-2、7-30)和两个六极磁铁(8-3、8-4)；冷却储存环直线段(2-2)包括有六个四极磁铁(7-24、7-25、7-26、7-27、7-28、7-29)、踢轨磁铁(4-4)和静电偏转板(9-2)；冷却储存环直线段(2-3)包括有三个四极磁铁(7-21、7-22、7-23)和两个六极磁铁(8-7、8-8)；冷却储存环直线段(2-4)包括有三个四极磁铁(7-18、7-19、7-20)；冷却储存环直线段(2-5)包括有三个四极磁铁(7-15、7-16、7-17)和两个六极磁铁(8-5、8-6)；冷却储存环直线段(2-6)包括有六个四极磁铁(7-9、7-10、7-11、7-12、7-13、7-14)和冷却装置(19)；冷却储存环直线段(2-7)包括有两个四极磁铁(7-6、7-7)和两个六极磁铁(8-1、8-2)；冷却储存环直线段(2-8)包括有两个四极磁铁(7-3、7-4)、踢轨磁铁(4-1)和射频激励装置(10)。所述的注入切割磁铁装置(5)设置在冷却储存环直线段(2-1)中；所述的用于将经冷却储存环C加速的离子引出的引出切割磁铁装置(6)设置在冷却储存环直线段(2-3)中；所述的高频加速装置(9)设置在冷却储存环直线段中，其为单个或多个。
所述的非对称磁聚焦结构的冷却储存环(400)包括有引入切割磁铁装置(90)、脉冲注入磁铁(60)、内靶装置(40)、电子冷却装置(50)、高频加速装置(70)、八个冷却储存环弯曲段(11至18)和八个冷却储存环直线段(21至28)。所述的冷却储存环弯曲段(11)包括有两个二极磁铁(31、32)；冷却储存环弯曲段(12)包括有两个二极磁铁(315、316)；冷却储存环弯曲段(13)包括有两个二极磁铁(313、314)；冷却储存环弯曲段(14)包括有两个二极磁铁(311、312)；冷却储存环弯曲段(15)包括有两个二极磁铁(39、310)；冷却储存环弯曲段(16)包括有两个二极磁铁(37、38)；冷却储存环弯曲段(17)包括有两个二极磁铁(35、36)；冷却储存环弯曲段(18)包括有两个二极磁铁(33、34)。所述的冷却储存环直线段(21)包括有三个四极磁铁(71、72、73)和三个六极磁铁(81、82、83)；冷却储存环直线段(22)包括有六个四极磁铁(74、75、76、77、78、79)；冷却储存环直线段(23)包括有三个四极磁铁(710、711、712)和三个六极磁铁(810、811、812)；冷却储存环直线段(25)包括有三个四极磁铁(713、714、715)和三个六极磁铁(87、88、89)；冷却储存环直线段(26)包括有四个四极磁铁(716、717、718、719)；冷却储存环直线段(27)包括有三个四极磁铁(720、721、722)和三个六极磁铁(84、85、86)。所述的非对称磁聚焦结构的冷却储存环(400)的引入切割磁铁装置(90)、脉冲注入磁铁(60)和电子冷却装置(50)设置在冷却储存环直线段(26)中；所述的内靶装置(40)设置在冷却储存环直线段(22)中；所述的高频加速装置(70)设置在冷却储存环直线段中，其为单个或多个。
所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其存在的有益效果是：
1、其将两台或两台以上的回旋加速器级联，作为冷却储存环的注入器，建造两台冷却储存环，实现功能分割，第一台用于束流品质的调整，第二台专门用于核物理及原子物理实验研究，同时，在两台冷却储存环的连接束流输运线上，根据实际研究工作的要求，可以布置不同的实验终端。利用本方法，可以实现核物理、原子物理、质子-重离子应用研究等对高品质的质子-重离子束流的要求。
2、其结构特征是沿束流输运的方向，依次布局离子源、一台回旋加速器或多台回旋加速器的级联组合、一个用于提高离子束流品质的带离子冷却技术装置的冷却储存环，以及一个用于做核物理与原子物理实验研究平台，同样也采用离子冷却技术装置的冷却储存环，这些元件之间用束流输运线一次连接。其运行模式为离子源提供的低能离子束经输运线注入到回旋加速器中，经过至少一台回旋加速器加速至满足同步储存环的注入条件之后，引出并经过相应的束流输运线输送至第一个冷却储存环入口并实施注入，该冷却储存环在冷却和加速系统的作用下，使得束流品质提高。之后将此冷却储存环中的高品质束流引出，注入到第二台冷却储存环中进行实验研究。此发明装置可以满足高精度核物理试验及原子物理实验，并可应用于材料辐照、质子-重离子治癌等应用性研究项目。
附图说明：
图1为本发明结构原理示意图；
图2本发明图1中的冷却储存环300的结构示意图(注入部分)；
图3本发明图1中的冷却储存环300的结构示意图(引出部分)；
图4本发明图1中的冷却储存环C中六极磁铁结构示意图；
图5本发明图1中的非对称磁聚焦结构的冷却储存环400结构示意图。
具体实施方式：
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：
见图1、2、3，所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，包括有离子源500和对称磁聚焦结构的冷却储存环300，其特点在于：对称磁聚焦结构的冷却储存环300注入端通过第一离子束输送线600与扇聚焦回旋加速器100或/和分离扇聚焦回旋加速器200相接，对称磁聚焦结构的冷却储存环300引出端通过第二离子束输送线700与非对称磁聚焦结构的冷却储存环400相接。
所述的对称磁聚焦结构的冷却储存环300包括有通过离子束输送线相连接的注入切割磁铁装置5、引出切割磁铁装置6、高频加速装置9、八个冷却储存环弯曲段1-1至1-8和八个冷却储存环直线段2-1至2-8。所述的冷却储存环弯曲段1-1包括有两个二极磁铁3-1、3-2和踢轨磁铁4-2；冷却储存环弯曲段1-2包括有两个二极磁铁3-15、3-16和踢轨磁铁4-3；冷却储存环弯曲段1-3包括有两个二极磁铁3-13、3-14和静电偏转板9-2；冷却储存环弯曲段1-4包括有两个二极磁铁3-11、3-12；冷却储存环弯曲段1-5包括有两个二极磁铁3-9、3-10；冷却储存环弯曲段1-6包括有两个二极磁铁3-7、3-8；冷却储存环弯曲段1-7包括有两个二极磁铁3-5、3-6；冷却储存环弯曲段1-8包括有两个二极磁铁3-3、3-4。所述的冷却储存环直线段2-1包括有三个四极磁铁7-1、7-2、7-30和两个六极磁铁8-3、8-4；冷却储存环直线段2-2包括有六个四极磁铁7-24、7-25、7-26、7-27、7-28、7-29、踢轨磁铁4-4和静电偏转板9-2；冷却储存环直线段2-3包括有三个四极磁铁7-21、7-22、7-23和两个六极磁铁8-7、8-8；冷却储存环直线段2-4包括有三个四极磁铁7-18、7-19、7-20；冷却储存环直线段2-5包括有三个四极磁铁7-15、7-16、7-17和两个六极磁铁8-5、8-6；冷却储存环直线段2-6包括有六个四极磁铁7-9、7-10、7-11、7-12、7-13、7-14和冷却装置19；冷却储存环直线段2-7包括有两个四极磁铁7-6、7-7和两个六极磁铁8-1、8-2；冷却储存环直线段2-8包括有两个四极磁铁7-3、7-4、踢轨磁铁4-1和射频激励装置10。所述的注入切割磁铁装置5设置在冷却储存环直线段2-1中；所述的用于将经冷却储存环C加速的离子引出的引出切割磁铁装置6设置在冷却储存环直线段2-3中；所述的高频加速装置9为两个，分别设置在冷却储存环直线段2-2和2-7中。
所述的非对称磁聚焦结构的冷却储存环400包括有引入切割磁铁装置90、脉冲注入磁铁60、内靶装置40、电子冷却装置50、高频加速装置70、八个冷却储存环弯曲段11至18和八个冷却储存环直线段21至28。所述的冷却储存环弯曲段11包括有两个二极磁铁31、32；冷却储存环弯曲段12包括有两个二极磁铁315、316；冷却储存环弯曲段13包括有两个二极磁铁313、314；冷却储存环弯曲段14包括有两个二极磁铁311、312；冷却储存环弯曲段15包括有两个二极磁铁39、310；冷却储存环弯曲段16包括有两个二极磁铁37、38；冷却储存环弯曲段17包括有两个二极磁铁35、36；冷却储存环弯曲段18包括有两个二极磁铁33、34。所述的冷却储存环直线段21包括有三个四极磁铁71、72、73和三个六极磁铁81、82、83；冷却储存环直线段22包括有六个四极磁铁74、75、76、77、78、79；冷却储存环直线段23包括有三个四极磁铁710、711、712和三个六极磁铁810、811、812；冷却储存环直线段25包括有三个四极磁铁713、714、715和三个六极磁铁87、88、89；冷却储存环直线段26包括有四个四极磁铁716、717、718、719；冷却储存环直线段27包括有三个四极磁铁720、721、722和三个六极磁铁84、85、86。所述的非对称磁聚焦结构的冷却储存环400的引入切割磁铁装置90、脉冲注入磁铁60和电子冷却装置50设置在冷却储存环直线段26中；所述的内靶装置40设置在冷却储存环直线段22中；所述的高频加速装置70为两个，分别设置在冷却储存环直线段23和27中。
本发明的二极磁铁是具有H型结构的线圈及磁极，其结构已在我单位申请的专利号为：200820028897.9的专利中公开，用于将质子-离子束在水平偏转一定的角度。四极磁铁其结构已在我单位申请的专利号为：200820028898.3和200820028900.7的专利中公开，用于调整质子、离子束流在冷却储存环中运动的包络，实现束流的横向聚焦或者纵向散焦，保证束流在冷却储存环中循环运动的横向稳定性。六极磁铁的结构见图4所示，用于质子-离子束的色品校正，并在束流引出阶段调整稳定区域的大小。离子束输送线600和700主要有：改变束流方向的二极磁铁，调整束流聚焦的四极磁铁，局部轨道校正的矫正磁铁。束流诊断设备等。

Claims (9)

1.一种串级回旋加速器与双冷却储存环系统，包括有离子源(500)和对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)，其特征在于：对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)注入端通过第一离子束输送线(600)与扇聚焦回旋加速器(100)或/和分离扇聚焦回旋加速器(200)相接，对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)引出端通过第二离子束输送线(700)与非对称磁聚焦结构的冷却储存环(400)相接。
2.如权利要求1所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的对称磁聚焦结构的冷却储存环(300)包括有通过离子束输送线相连接的注入切割磁铁装置(5)、引出切割磁铁装置(6)、高频加速装置(9)、八个冷却储存环弯曲段(1-1至1-8)和八个冷却储存环直线段(2-1至2-8)。
3.如权利要求2所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的冷却储存环弯曲段(1-1)包括有两个二极磁铁(3-1、3-2)和踢轨磁铁(4-2)；冷却储存环弯曲段(1-2)包括有两个二极磁铁(3-15、3-16)和踢轨磁铁(4-3)；冷却储存环弯曲段(1-3)包括有两个二极磁铁(3-13、3-14)和静电偏转板(9-2)；冷却储存环弯曲段(1-4)包括有两个二极磁铁(3-11、3-12)；冷却储存环弯曲段(1-5)包括有两个二极磁铁(3-9、3-10)；冷却储存环弯曲段(1-6)包括有两个二极磁铁(3-7、3-8)；冷却储存环弯曲段(1-7)包括有两个二极磁铁(3-5、3-6)；冷却储存环弯曲段(1-8)包括有两个二极磁铁(3-3、3-4)。
4.如权利要求2所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的冷却储存环直线段(2-1)包括有三个四极磁铁(7-1、7-2、7-30)和两个六极磁铁(8-3、8-4)；冷却储存环直线段(2-2)包括有六个四极磁铁(7-24、7-25、7-26、7-27、7-28、7-29)、踢轨磁铁(4-4)和静电偏转板(9-2)；冷却储存环直线段(2-3)包括有三个四极磁铁(7-21、7-22、7-23)和两个六极磁铁(8-7、8-8)；冷却储存环直线段(2-4)包括有三个四极磁铁(7-18、7-19、7-20)；冷却储存环直线段(2-5)包括有三个四极磁铁(7-15、7-16、7-17)和两个六极磁铁(8-5、8-6)；冷却储存环直线段(2-6)包括有六个四极磁铁(7-9、7-10、7-11、7-12、7-13、7-14)和冷却装置(19)；冷却储存环直线段(2-7)包括有两个四极磁铁(7-6、7-7)和两个六极磁铁(8-1、8-2)；冷却储存环直线段(2-8)包括有两个四极磁铁(7-3、7-4)、踢轨磁铁(4-1)和射频激励装置(10)。
5.如权利要求2所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的注入切割磁铁装置(5)设置在冷却储存环直线段(2-1)中；所述的用于将经冷却储存环C加速的离子引出的引出切割磁铁装置(6)设置在冷却储存环直线段(2-3)中；所述的高频加速装置(9)设置在冷却储存环直线段中，其为单个或多个。
6.如权利要求1所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的非对称磁聚焦结构的冷却储存环(400)包括有引入切割磁铁装置(90)、脉冲注入磁铁(60)、内靶装置(40)、电子冷却装置(50)、高频加速装置(70)、八个冷却储存环弯曲段(11至18)和八个冷却储存环直线段(21至28)。
7.如权利要求6所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的冷却储存环弯曲段(11)包括有两个二极磁铁(31、32)；冷却储存环弯曲段(12)包括有两个二极磁铁(315、316)；冷却储存环弯曲段(13)包括有两个二极磁铁(313、314)；冷却储存环弯曲段(14)包括有两个二极磁铁(311、312)；冷却储存环弯曲段(15)包括有两个二极磁铁(39、310)；冷却储存环弯曲段(16)包括有两个二极磁铁(37、38)；冷却储存环弯曲段(17)包括有两个二极磁铁(35、36)；冷却储存环弯曲段(18)包括有两个二极磁铁(33、34)。
8.如权利要求6所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的冷却储存环直线段(21)包括有三个四极磁铁(71、72、73)和三个六极磁铁(81、82、83)；冷却储存环直线段(22)包括有六个四极磁铁(74、75、76、77、78、79)；冷却储存环直线段(23)包括有三个四极磁铁(710、711、712)和三个六极磁铁(810、811、812)；冷却储存环直线段(25)包括有三个四极磁铁(713、714、715)和三个六极磁铁(87、88、89)；冷却储存环直线段(26)包括有四个四极磁铁(716、717、718、719)；冷却储存环直线段(27)包括有三个四极磁铁(720、721、722)和三个六极磁铁(84、85、86)。
9.如权利要求6所述的串级回旋加速器与双冷却储存环系统，其特征在于：所述的非对称磁聚焦结构的冷却储存环(400)的引入切割磁铁装置(90)、脉冲注入磁铁(60)和电子冷却装置(50)设置在冷却储存环直线段(26)中；所述的内靶装置(40)设置在冷却储存环直线段(22)中；所述的高频加速装置(70)设置在冷却储存环直线段中，其为单个或多个。
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