CN105072798A - 直接注入型离子束加速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直接注入型离子束加速装置，包括用于产生离子束的离子源，用于连接离子源与加速腔的束流管道，用于加速、聚焦和传输低能离子束的交变相位聚焦的加速腔，所述加速腔为通过调整加速腔内漂移管的位置和长度来实现交变相位聚焦的加速腔。本发明通过上述结构，能够简单方便的加速低能离子束，同时提高加速梯度、降低高频功率消耗。

Description

直接注入型离子束加速装置

技术领域

本发明涉及低能离子加速器领域，具体地，涉及直接注入型离子束加速装置。

背景技术

低能直线加速器广泛的应用于工业生产和基础研究中。低能直线加速器指离子束从离子源引出后被加速至2~3MeV/u这一段加速结构。传统的低能直线加速器采用静电高压加速器或者射频四极加速器这两种加速结构。其中，静电高压加速器体积庞大、结构复杂，射频四极加速器造价昂贵、加速梯度较低、所需射频功率消耗较高。而射频四极加速器在离子束能量较低时，容易出现空间电荷效应比较严重，聚焦困难的缺陷。现在低能离子加速器领域缺乏一种体积小，能够简单方便的实现对低能离子束的加速，同时还能提高加速梯度且降低高频功率功耗的低能离子加速器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是直接注入型离子束加速装置，能够简单方便的加速低能离子束，同时提高加速梯度、降低高频功率消耗。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：直接注入型离子束加速装置，包括用于产生离子束的离子源，用于连接离子源与加速腔的束流管道，用于加速、聚焦和传输低能离子束的交变相位聚焦的加速腔，所述加速腔为通过调整加速腔内漂移管的位置和长度来实现交变相位聚焦的加速腔。

离子源用于产生所需要的低能离子束，离子源产生的离子束可以是直流的或脉冲的，低能离子束的能量范围在40KeV/u~100KeV/u，可以不经各种低能加速结构的加速，直接通过束流管道接受离子源产生的低能离子束，直接注入到加速腔。加速腔完成对束流的聚焦、传输和加速，引出的离子束达到一定的能量。加速腔对束流的聚焦通过加速腔内加速间隙的同步相位设置为正负交变来实现。采用交变相位使得腔内漂移管的尺寸可以减小，从而提高分流阻抗，降低功率消耗。该方案中的加速腔可以接收一定相位宽度内的的离子并完成加速和传输。

本方案中加速腔内漂移管的位置和长度是在制作该装置时根据实际的需要人工设定的。当加速腔内漂移管的位置和长度设定好以后，即可采用交变相位聚焦的方法实现对离子源引出的离子束直接加速、聚焦和传输。该方案中采用的交变相位聚焦是利用加速间隙的高频电磁场的聚焦作用，结合强聚焦原理，实现了离子源引出的离子束直接加速、聚焦和传输，不再需要漂移管内置四极磁铁，与以往的静电高压加速器加速低能离子相比，可以极大地减小漂移管尺寸，从而提高了分路阻抗，降低了高频功耗。由于采用强聚焦原理，加速相位正负交替排列，横向和纵向聚焦耦合同时完成，使得相位序列需要优选并与加速腔的加速电压配合以保证束流能够加速和传输，提高了加速梯度，降低了高频功率消耗。本方案采用的是交变相位聚焦，即便是在离子束能量较低时，也不会出现空间电荷效应比较严重，聚焦困难的情况发生。

进一步的，所述加速腔内的漂移管内无四极磁铁。可以极大地减小漂移管尺寸，从而提高了分路阻抗，降低了高频功耗。

进一步的，所述加速腔采用IH或CH加速模式的驻波腔。用于调整加速腔内漂移管的排列使得加速间隙内的加速相位正负交替排列。该正负交替序列采用一定的周期结构，其目的是同时完成离子束的横向聚焦和纵向聚焦。

为了能够简单方便的加速低能离子束，减小加速器体积，所述离子源的出口法兰与加速腔的入口法兰相连接，且两个法兰之间没有能够实现离子加速的结构。

为了能够简单方便的加速低能离子束，进一步减小加速器体积，所述离子源和加速腔之间没有加速结构。

综上，本发明的有益效果是：

1、本方案与现有加速器相比，采用交变相位聚焦，利用加速间隙的高频电磁场的聚焦作用，结合强聚焦原理，实现了离子源引出的离子束直接加速、聚焦和传输，不再需要漂移管内置四极磁铁，可以极大地减小漂移管尺寸，从而提高了分路阻抗，体积小，能够简单方便的加速低能离子束，提高加速梯度、降低高频功率消耗。

2、本方案采用的是交变相位聚焦，即便是在离子束能量较低时，也不会出现空间电荷效应比较严重，聚焦困难的情况发生。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中交变相位聚焦所要求的漂移管排列结构示意图；

图3为质子的交变相位序列；

图4为质子的横向轨迹；

图5为质子的纵向轨迹。

附图中标记及相应的零部件名称：1、离子源；2、束流管道；3、加速腔。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1-5所示，本发明包括用于产生离子束的离子源1，用于连接离子源与加速腔的束流管道2，用于加速、聚焦和传输低能离子束的交变相位聚焦的加速腔3，所述加速腔3为通过调整加速腔3内漂移管的位置和长度来实现交变相位聚焦的加速腔3。

离子源用于产生所需要的低能离子束，离子源产生的离子束可以是直流的或脉冲的，低能离子束的能量范围在40KeV/u~100KeV/u，可以不经各种低能加速结构的加速，直接通过束流管道接受离子源产生的低能离子束，直接注入到加速腔。加速腔完成对束流的聚焦、传输和加速，引出的离子束达到一定的能量。加速腔对束流的聚焦通过加速腔内加速间隙的同步相位设置为正负交变来实现。采用交变相位使得腔内漂移管的尺寸可以减小，从而提高分流阻抗，降低功率消耗。该方案中的加速腔可以接收一定相位宽度内的的离子并完成加速和传输。本发明能够应用于任意离子类型的低能加速。

如图3-5所示，以质子加速为例，若将质子放入该装置进行加速，离子源产生所需的质子束，束流管道使得离子源引出的束流可以直接注入进入加速腔。束流管道外可以根据需要安装螺线管或四极磁铁用以调整引出束流。通过加速腔对质子加速、聚焦和传输，调整加速腔内的漂移管排列和加速间隙的相位序列，计算束流的传输、聚焦和加速情况，最终得到优选的漂移管排布和加速相位序列。计算得到质子束在加速腔内的束流轨迹，交变相位聚焦很好的实现了束流的横向和纵向聚焦。从而实现将质子由40KeV加速到2.5MeV。

本方案中加速腔内漂移管的位置和长度是在制作该装置时根据实际的需要人工设定的。当加速腔内漂移管的位置和长度设定好以后，即可采用交变相位聚焦的方法实现对离子源引出的离子束直接加速、聚焦和传输。该方案中采用的交变相位聚焦是利用加速间隙的高频电磁场的聚焦作用，结合强聚焦原理，实现了离子源引出的离子束直接加速、聚焦和传输，不再需要漂移管内置四极磁铁，与以往的静电高压加速器加速低能离子相比，结构简单，可以极大地减小漂移管尺寸，体积小，从而提高了分路阻抗，降低了高频功耗。由于采用强聚焦原理，加速相位正负交替排列，横向和纵向聚焦耦合同时完成，使得相位序列需要优选并与加速腔的加速电压配合以保证束流能够加速和传输，提高了加速梯度，降低了高频功率消耗。本方案采用的是交变相位聚焦，即便是在离子束能量较低时，也不会出现空间电荷效应比较严重，聚焦困难的情况发生。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上优选如下：加速腔3内的漂移管内无四极磁铁。可以极大地减小漂移管尺寸，从而提高了分路阻抗，降低了高频功耗。本方案中的用于连接离子源与加速腔的束流管道，可以使用外置式的螺线管或四极磁铁调整束流的相空间分布，称为低能传输段，低能传输段可以不使用。从而进一步缩小漂移管尺寸，提高了分路阻抗，降低了高频功耗。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上优选如下：加速腔3采用IH或CH加速模式的驻波腔。IH加速模式为电磁模式加速的驻波腔，CH加速模式为crossbarmodel即十字交叉模式加速的驻波腔。该驻波腔用于调整加速腔内漂移管的排列使得加速间隙内的加速相位正负交替排列。该正负交替序列采用一定的周期结构，其目的是同时完成离子束的横向聚焦和纵向聚焦。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上优选如下：为了能够简单方便的加速低能离子束，减小加速器体积，离子源1的出口法兰与加速腔3的入口法兰相连接，且两个法兰之间没有能够实现离子加速的结构。

为了能够简单方便的加速低能离子束，进一步减小加速器体积，所述离子源1和加速腔3之间没有加速结构。

本发明所提及的加速结构的特征还在于调整加速腔内的结构参数以提高加速场强和分路阻抗。可调整的结构参数包括漂移管的尺寸、支撑杆的尺寸、加速腔的内半径。经过优化后的结构参数能够尽可能的提高分路阻抗，从而降低加速腔内的高频功率消耗。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.直接注入型离子束加速装置，其特征在于，包括用于产生离子束的离子源（1），用于连接离子源与加速腔的束流管道（2），用于加速、聚焦和传输低能离子束的交变相位聚焦的加速腔（3），所述加速腔（3）为通过调整加速腔（3）内漂移管的位置和长度来实现交变相位聚焦的加速腔（3）。

2.根据权利要求1所述的直接注入型离子束加速装置，其特征在于，所述加速腔（3）内的漂移管内无四极磁铁。

3.根据权利要求1或2所述的直接注入型离子束加速装置，其特征在于，所述加速腔（3）采用IH或CH加速模式的驻波腔。

4.根据权利要求3所述的直接注入型离子束加速装置，其特征在于，所述离子源（1）的出口法兰与加速腔（3）的入口法兰相连接，且两个法兰之间没有能够实现离子加速的结构。

5.根据权利要求1所述的直接注入型离子束加速装置，其特征在于，所述离子源（1）和加速腔（3）之间没有加速结构。