CN103354696B - 高频电聚焦高梯度离子加速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子加速装置，属于核能技术领域。一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，其主要特点在于包括有在真空腔筒内设有互为垂直的四个T形板，多个漂移管通过漂移管支撑杆分别固连于两个T形板之间；多个漂移管与真空腔筒在同一个中心线上；垂直高频电四极透镜相向设于漂移管之间，并固连于两个垂直的T形板之间；水平高频电四极透镜相向设于漂移管之间，并固连于两个水平的T形板。本发明的优点是在强流离子束流的加速中，由于结构紧凑，使得束流品质优良；本结构将加速功能，横纵向聚焦功能结合在同一个高频结构中，腔体分路阻抗高，高频功耗大大的降低；利用零相位进行加速，加速效率更高，可以有效的降低腔体的长度，提高有效加速梯度。本发明主要是用于强流低能离子束流的加速，可用于强流加速器的注入器、工业加速器、治疗装置注入器等应用型加速装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子加速装置，属于核能技术领域。
背景技术
漂移管型加速器是上世纪二三十年代发展起来的，是粒子加速器中常用的加速结构。其主要的加速原理是带电粒子经过加速间隙，感受到加速电场；经过半个高频周期，电场变为负电场，此时粒子进入漂移管内部，所以不会感受到负电场而被减速；同样经过下半个高频周期进入下一个加速间隙的时候，加速间隙中电场变为正电场，从而带电粒子在整个结构中是加速的。
在漂移管加速结构中，带电粒子由于受到空间电荷效应和高频散焦作用，横向包络会越来越大，从而导致束流的损失，所以需要利用外部的聚焦原件进行横向的聚束来保证束流的稳定传输。
现有技术有一种分离作用的DTL，如图1所示，该结构主要是利用独立的漂移管加速腔体和外部的四极透镜进行横向聚束。
该加速结构的主要问题在于：
1.外部的四极透镜机械长度长，导致束流的纵向品质很差，不适合高流强的离子束流加速。
2.静电四极透镜需要匹配的电源，造价比较高。
3.元件较多，稳定性比较差。
还有一种现有技术是德国GSI的IH型加速结构，该结构主要是利用一系列的漂移管进行束流的纵向加速和聚焦。然后在腔体内利用非常紧凑的静磁四极透镜进行横向的聚束。该加速结构是由一系列的工作在负相位的加速漂移管和静磁四极透镜组成。该加速结构的主要问题在于：
1.加速间隙工作在负相位来保证束流的稳定，所以加速效率较低。
2.需要额外的静磁四极透镜进行横向聚束，会大大降低腔体的结构因子，导致腔体的功耗增加，使得腔体在连续波工作模式下很难。
3.静电四极透镜需要匹配的电源。
4.腔体的加工技术难度大，尤其四极透镜在腔体内的安装准直比较困难。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种高频电聚焦高梯度离子加速装置。以解决低能高流强的离子束流的加速，避免了现有技术加速效率低、高流强离子束流加速品质差、元件多而造成的造价昂贵，稳定性差等问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，其主要特点在于包括有在真空腔筒内设有互为垂直的四个T形板，多个漂移管通过漂移管支撑杆分别固连于两个T形板之间；多个漂移管与真空腔筒在同一个中心线上；垂直高频电四极透镜相向设于漂移管之间，并固连于两个垂直的T形板之间；水平高频电四极透镜相向设于漂移管之间，并固连于两个水平的T形板之间。
所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，真空腔筒的真空度为10-4-10-7Pa。
所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，所述的垂直高频电四极透镜与所述的水平高频电四极透镜成90度设置；所述的垂直高频电四极透镜与所述的水平高频电四极透镜设于真空腔筒中，位于所述的多个漂移管之间。
所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，所述的相邻两个漂移管的漂移管支撑杆互为垂直设置。
所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，所述的垂直高频电四极透镜为中部凸起的马鞍形，两凸起之间的最小孔径为1.5-4cm，所述的垂直高频电四极透镜长度为2cm～30cm；水平高频电四极透镜为凹下的马鞍形，两凹下之间的最大孔径为2-6cm，所述的水平高频电四极透镜长度为2cm～30cm。
所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，所述的漂移管的长度为1-10cm；内径为1.5cm～5cm，相邻两个漂移管之间的加速间隙距离为1-5cm。
所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，所述的垂直高频电四极透镜和所述的水平高频电四极透镜与相邻的漂移管之间的距离为1-5cm。
所述的垂直高频电四极透镜和所述的水平高频电四极透镜的材料为金属铜或者不锈钢镀铜。
本发明的有益效果是在强流离子束流的加速中，由于结构更加紧凑，使得束流品质更加优良；本结构将加速功能，横纵向聚焦功能结合在同一个高频结构中，腔体分路阻抗高，高频功耗大大的降低；利用零相位进行加速，加速效率更高，可以有效的降低腔体的长度，提高有效加速梯度。本发明主要是用于强流低能离子束流的加速，可用于强流加速器的注入器、工业加速器、治疗装置注入器等应用型加速装置。
附图说明
图1为现有技术有分离作用的离子加速主视图；
图2为本发明主视示意图；
图3为图1的A-A剖面图；
图4为图1的B-B剖面图；
图5为本发明垂直高频电四极透镜的示意图；
图6为本发明水平高频电四极透镜的示意图。
图中：1.腔筒；2.T形板；3.漂移管；4.垂直高频电四极透镜；5.水平高频电四极透镜；6.漂移管支撑杆。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明本发明。
实施例1：见图2，图3，图4，一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，包括有在真空腔筒1内设有互为垂直的4个T形板2，12个漂移管3通过漂移管支撑杆6分别固连于两个T形板2之间；12个漂移管3与真空腔筒1在同一个中心线上；垂直高频电四极透镜4相向设于漂移管3之间，并固连于两个垂直的T形板2之间；水平高频电四极透镜5相向设于漂移管3之间，并固连于两个水平的T形板2之间。真空腔筒1直径为0.3m，长度为0.5m，T型板的厚度在30mm之间，需要根据机械强度来确定。
所述的真空腔筒1的真空度为10-4-10-7Pa。
所述的垂直高频电四极透镜4与所述的水平高频电四极透镜5成90度设置；所述的垂直高频电四极透镜4与所述的水平高频电四极透镜5设于真空腔筒1中，位于所述的12个漂移管之间。
所述的相邻两个漂移管3的漂移管支撑杆6互为垂直设置。
见图5，所述的垂直高频电四极透镜4为中部凸起的马鞍形，两凸起之间的最小孔径为1.5cm，所述的垂直高频电四极透镜长度为2cm-8cm，长度随着离子速度增大而增加。
见图6，水平高频电四极透镜5为凹下的马鞍形，两凹下之间的最大孔径为2cm，所述的水平高频电四极透镜长度为2cm-8cm，长度随着离子速度增大而增加。
所述的漂移管3的长度为0.7-3cm，长度随着离子速度增大而增加；内径为1.5cm，相邻两个漂移管3之间的加速间隙距离为2cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5与相邻的漂移管3之间的距离为1cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5的材料为金属铜。
实施例2：见图2，图3，图4，一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，主要结构与实施例1相同。不同点为真空腔筒1直径为1.5m，长度为6m，T型板的厚度在100mm之间。
所述的真空腔筒1的真空度为10-4-10-7Pa。
见图5，所述的垂直高频电四极透镜4为中部凸起的马鞍形，两凸起之间的最小孔径为4cm，所述的垂直高频电四极透镜长度为20cm-30cm，长度随着离子速度增大而增加。
见图6，水平高频电四极透镜5为凹下的马鞍形，两凹下之间的最大孔径为6cm，所述的水平高频电四极透镜长度为20cm-30cm，长度随着离子速度增大而增加。
所述的漂移管3的长度为5-10cm，长度随着离子速度增大而增加；内径为5cm，相邻两个漂移管3之间的加速间隙距离为5cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5与相邻的漂移管3之间的距离为5cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5的材料为不锈钢镀铜。
实施例3：见图2，图3，图4，一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，主要结构与实施例1相同。不同点为真空腔筒1直径为1m，长度为3m，T型板的厚度在60mm之间，需要根据机械强度来确定。
所述的真空腔筒1的真空度为10-4-10-7Pa。
见图5，所述的垂直高频电四极透镜4为中部凸起的马鞍形，两凸起之间的最小孔径为3cm，所述的垂直高频电四极透镜长度为5-15cm，长度随着离子速度增大而增加。
见图6，水平高频电四极透镜5为凹下的马鞍形，两凹下之间的最大孔径为3cm，所述的水平高频电四极透镜长度为5-15cm，长度随着离子速度增大而增加。
所述的漂移管3的长度为1.5-5cm，长度随着离子速度增大而增加；内径为3cm，相邻两个漂移管3之间的加速间隙距离为3cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5与相邻的漂移管3之间的距离为3cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5的材料为金属铜。
实施例4：见图2，图3，图4，一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，主要结构与实施例1相同。不同点为真空腔筒1直径为0.6m，长度为3.5m，T型板的厚度在60mm之间。
所述的真空腔筒1的真空度为10-4-10-7Pa。
见图5，所述的垂直高频电四极透镜4为中部凸起的马鞍形，两凸起之间的最小孔径为2cm，所述的垂直高频电四极透镜长度为12-20cm，长度随着离子速度增大而增加。
见图6，水平高频电四极透镜5为凹下的马鞍形，两凹下之间的最大孔径为3cm，所述的水平高频电四极透镜长度为12-20cm，长度随着离子速度增大而增加。
所述的漂移管3的长度为2-8cm，长度随着离子速度增大而增加；内径为2cm，相邻两个漂移管3之间的加速间隙距离为2.5cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5与相邻的漂移管3之间的距离为2cm。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5的材料为金属铜。
该离子加速装置将1mA的34+U238离子束流从0.3MeV/u加速到1.5MeV/u，工作频率为80MHz，束流横纵向的发射度增长均小于5%。腔体的高频功率小于200KW。
所述的垂直高频电四极透镜4和所述的水平高频电四极透镜5的个数和其之间的加速间隙的个数需要根据直线加速器束流动力学的要求计算得到。
本发明包括漂移管加速部分和高频电四极透镜部分。漂移管加速部分主要用于离子束流的加速，高频电四极透镜部分主要用于束流的横纵向聚焦。漂移管部分和高频电四极透镜部分工作在同一个频率，安装在同一个高频腔体中。其中加速间隙的周期长度为(βλ)/2,同步相位选择在零度，得到最大的加速效率。高频电四极透镜是调试系数为m(1<m<2.5)d的结构，长度为一个βλ，同步相位为-90度，见图5，图6，此结构可以同时产生横向和纵向的高频电场，用于束流的横纵向聚束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于包括有在真空腔筒内设有互为垂直的四个T形板，多个漂移管通过漂移管支撑杆分别固连于两个T形板之间；多个漂移管与真空腔筒在同一个中心线上；垂直高频电四极透镜相向设于漂移管之间，并固连于两个垂直的T形板之间；水平高频电四极透镜相向设于漂移管之间，并固连于两个水平的T形板之间。
2.如权利要求1所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于真空腔筒的真空度为10-4-10-7Pa。
3.如权利要求1所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于所述的垂直高频电四极透镜与所述的水平高频电四极透镜成90度设置；所述的垂直高频电四极透镜与所述的水平高频电四极透镜设于真空腔筒中，位于所述的多个漂移管之间。
4.如权利要求1所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于相邻两个所述漂移管的漂移管支撑杆互为垂直设置。
5.如权利要求1所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于所述的垂直高频电四极透镜为中部凸起的马鞍形，两凸起之间的最小孔径为1.5-4cm，所述的垂直高频电四极透镜长度为2cm～30cm；水平高频电四极透镜为凹下的马鞍形，两凹下之间的最大孔径为2-6cm，所述的水平高频电四极透镜长度为2cm～30cm。
6.如权利要求1所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于所述的漂移管的长度为0.7-10cm；内径为1.5cm～5cm，相邻两个漂移管之间的加速间隙距离为1-5cm。
7.如权利要求1所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于所述的垂直高频电四极透镜和所述的水平高频电四极透镜与相邻的漂移管之间的距离为1-5cm。
8.如权利要求1所述的高频电聚焦高梯度离子加速装置，其特征在于所述的垂直高频电四极透镜和所述的水平高频电四极透镜的材料为金属铜或者不锈钢镀铜。
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