CN106061092A - 一种强流四极透镜离子加速管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种强流四极透镜离子加速管，所述加速管用于静电高压型离子加速器。本发明的强流四极透镜离子加速管采用模块化结构设计，每个强流四极透镜离子加速管模块的加速电压250kV左右，一定数量的强流四极透镜离子加速管模块串联起来，可以得到所需要的超高加速电压。强流四极透镜离子加速管模块分为高梯度加速区和电四极透镜聚焦区，用来消除离子束自身空间电荷效应产生的发散。同时，强流四极透镜离子加速管模块还具有二次粒子强抑制结构，能有效防止“全电压效应”的出现。本发明的强流四极透镜离子加速管可以得到端电压超过5MV，流强超过10mA的直流离子束，适合在离子注入、离子束治疗肿瘤、核孔膜生产、中子照相等领域应用。

Description

一种强流四极透镜离子加速管

技术领域

本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种强流四极透镜离子加速管。

背景技术

高能强流离子束在材料改性、肿瘤治疗以及物理实验方面有着非常广泛的应用前景，目前，一种方式是采用射频离子加速器，能提供能量超过3MeV，束流强度度超过1mA的强流离子束，但是，技术难度高，产生的离子束能散大；另外一种方式是采用高压静电型离子加速器，离子束能散较小，整机的能量转换效率高，运行费用低，适合商业化应用，但是，在束流强度超过1mA时，端电压比较低，在1MV以下。《400 kV强流中子发生器的物理设计》（核心期刊《原子能科学技术》，2012年12月，第46卷第12期）公开了一种高压静电型离子加速器，可以输出束流强度高达百毫安级别的离子束，其端电压在1MV以下。《我国高压加速器技术及应用进展》（2004年，粒子加速器学会第七届全国会员代表大会暨学术报告会）公开了端电压超过5MV的高压静电型离子加速器，但是束流强度不高，在300uA以内。

目前，缺少结构简单，可以用于超过5MV端电压，束流强度超过10mA的高压静电型离子加速管。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种强流四极透镜离子加速管。

本发明的强流四极透镜离子加速管，其特点是，所述的强流四极透镜离子加速管包括入口聚焦加速电极Ⅰ，入口聚焦加速电极Ⅱ，中间加速电极Ⅰ，中间加速电极Ⅱ，出口散焦加速电极Ⅰ，出口散焦加速电极Ⅱ，入口阻止电极，电四极透镜，出口阻止电极；离子束在入口沿轴线注入，在聚焦加速电极Ⅰ和入口聚焦加速电极Ⅱ区间获得电场加速和聚焦，之后进入中间加速电极Ⅰ和中间加速电极Ⅱ获得电场加速，之后进入出口散焦加速电极Ⅰ和出口散焦加速电极Ⅱ获得电场加速和散焦，然后，离子束通过入口阻止电极，进入电四极透镜，最后，离子束从出口阻止电极输出；

所述的入口聚焦加速电极Ⅰ的入口段是倾斜α角的圆锥形表面，入口的孔径为d1，α角的范围是20°～40°，中间段是等直段，等直段的孔径为d2，出口段是圆环形结构，出口段的内径为d3，d1<d3<d2；

所述的入口聚焦加速电极Ⅱ为中心开直径d4的圆孔平板，d3<d4；

所述的中间加速电极Ⅰ为中心开直径d5的圆孔平板，中间加速电极Ⅱ为中心开直径d6的圆孔平板，d4<d5，d5=d6；

所述的出口散焦加速电极Ⅰ与入口聚焦加速电极Ⅱ的结构一致，与入口聚焦加速电极Ⅱ呈镜像对称布置，d7=d4；

所述的出口散焦加速电极Ⅱ与入口聚焦加速电极Ⅰ的结构一致，与入口聚焦加速电极Ⅰ呈镜像对称布置，d8=d3，d9=d2，d10=d1。

所述的入口阻止电极和出口阻止电极具有相同的电位，电位低于电四极透镜的中性电位。

所述电四极透镜的中性电位与出口散焦加速电极Ⅱ的电位相同。

所述的强流四极透镜离子加速管为两节以上的强流四极透镜离子加速管组合。

所述电四极透镜在相邻的两节强流四极透镜离子加速管中的聚焦方向和散焦方向相反。

所述的强流四极透镜离子加速管的外部工作环境是5-8个大气压下的SF6气体。

本发明的强流四极透镜离子加速管总体结构分为两大区域：高梯度加速区、电四极透镜强聚焦区。加速管外侧均匀分布的、电压梯度比较低的电极片，从加速管两端沿中轴线向中部压缩，在中间段形成高梯度加速区，同时在加速管的两端留出了没有加速电场的电四极透镜强聚焦区。高梯度加速区具有一定的聚焦能力，可以部分抵消强流离子束的空间电荷效应，在完成加速强流离子束的同时，也能对强流离子束部分聚焦，保证强流离子束的顺利传输。在电四极透镜强聚焦区，电四极透镜产生强聚焦力，可以克服强流离子束产生的强烈空间电荷效应，得到良好聚焦的强流离子束。高梯度加速区包括入口聚焦加速电极Ⅰ、入口聚焦加速电极Ⅱ、中间加速电极Ⅰ、中间加速电极Ⅱ、出口散焦加速电极Ⅰ、出口散焦加速电极Ⅱ；入口聚焦加速电极Ⅰ的入口段是倾斜α角圆锥形表面，入口的孔径为d1，α角的范围是20°～40°，中间段是内凹的圆筒表面，中间段的孔径为d2，出口段是圆环形结构，出口段的孔径为d3，d1<d3<d2，入口聚焦加速电极Ⅱ的孔径为d4，d3<d4，入口聚焦加速电极Ⅰ和入口聚焦加速电极Ⅱ一起，在入口处形成强烈内凹的聚焦电场，离子束获得加速和强聚焦。出口散焦加速电极Ⅰ与入口聚焦加速电极Ⅱ的结构一致，呈镜像对称布置，d7=d4，出口散焦加速电极Ⅱ与入口聚焦加速电极Ⅰ的结构一致，呈镜像对称布置，d8=d3，d9=d2，d10=d1，出口散焦加速电极Ⅰ和出口散焦加速电极Ⅱ一起，在出口处形成强烈外凸的散焦电场，离子束获得加速和强散焦。入口强聚焦和出口强散焦的组合效果是形成强聚焦特性。由于进出口两端的电极片靠近离子束运行轨道，容易受到杂散离子的轰击，产生二次粒子，因此，进出口两端的电极片上倾斜的表面和圆弧形的表面，形成局部倾斜电场，对附近电极片上产生的二次粒子斜向加速，使其很快偏离中心轨道，轰击到其他电极片上，不能形成长距离的传输和加速，抑制了形成级联碰撞通道的途径，从而避免加速管发生 “全电压效应”。中间加速电极Ⅰ和中间加速电极Ⅱ仅对离子束加速，其开孔孔径比进出口处的电极片上的孔径大很多，可免受过多杂散离子轰击。电四极透镜强聚焦区由入口阻止电极、出口阻止电极和电四极透镜构成，电四极透镜的中性电位与高梯度加速区的出口散焦加速电极Ⅱ相同，入口阻止电极和出口阻止电极的电位比电四极透镜的中性电位低。电四极透镜强聚焦区产生的二次电子在电四极透镜的作用下，很快偏转到电极上，个别遗漏的二次电子，也会被入口抑制电极的负电位阻止，不能进入高梯度加速区。本发明强流四极透镜离子加速管，至少需要两节强流四极透镜离子加速管组合起来一起使用，相邻的两节强流四极透镜离子加速管中电四极透镜的聚焦方向和散焦方向刚好相反，两节强流四极透镜离子加速管组合起来，在Y方向和Z方向都能形成强聚焦力，有效地克服强流离子束的空间电荷效应，保证顺利加速和传输超过10mA的强流离子束。强流四极透镜离子加速管之间用连接法兰连接，屏蔽电极用来保护绝缘支撑环不受杂散粒子的轰击，入口阻止电极和出口阻止电极的负电位由阻止电极高压接线柱引入，电四极透镜的聚焦电位由电四极透镜高压接线柱引入。

本发明的强流四极透镜离子加速管，多节强流四极透镜离子加速管串联起来，可以获得端电压超过5MV，束流强度超过10mA的强流四极透镜离子加速管。

附图说明

图1为本发明的强流四极透镜离子加速管示意图;

图中，1.入口聚焦加速电极Ⅰ 2.入口聚焦加速电极Ⅱ 3.中间加速电极Ⅰ 4.中间加速电极Ⅱ 5.出口散焦加速电极Ⅰ 6.出口散焦加速电极Ⅱ 7.入口阻止电极 8.电四极透镜9.出口阻止电极 10.连接法兰 11.屏蔽电极 12.绝缘支撑环 13.阻止电极高压接线柱14.电四极透镜高压接线柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，本发明的强流四极透镜离子加速管包括入口聚焦加速电极Ⅰ1，入口聚焦加速电极Ⅱ2，中间加速电极Ⅰ3，中间加速电极Ⅱ4，出口散焦加速电极Ⅰ5，出口散焦加速电极Ⅱ6，入口阻止电极7，电四极透镜8，出口阻止电极9；离子束在入口沿轴线注入，在聚焦加速电极Ⅰ1和入口聚焦加速电极Ⅱ2区间获得电场加速和聚焦，之后进入中间加速电极Ⅰ3和中间加速电极Ⅱ4获得电场加速，之后进入出口散焦加速电极Ⅰ5和出口散焦加速电极Ⅱ6获得电场加速和散焦，然后，离子束通过入口阻止电极7，进入电四极透镜8，最后，离子束从出口阻止电极9输出；

所述的入口聚焦加速电极Ⅰ1的入口段是倾斜α角的圆锥形表面，入口的孔径为d1，α角的范围是20°～40°，中间段是等直段，等直段的孔径为d2，出口段是圆环形结构，出口段的内径为d3，d1<d3<d2；

所述的入口聚焦加速电极Ⅱ2为中心开直径d4的圆孔平板，d3<d4；

所述的中间加速电极Ⅰ3为中心开直径d5的圆孔平板，中间加速电极Ⅱ4为中心开直径d6的圆孔平板，d4<d5，d5=d6；

所述的出口散焦加速电极Ⅰ5与入口聚焦加速电极Ⅱ2的结构一致，与入口聚焦加速电极Ⅱ2呈镜像对称布置，d7=d4；

所述的出口散焦加速电极Ⅱ6与入口聚焦加速电极Ⅰ1的结构一致，与入口聚焦加速电极Ⅰ1呈镜像对称布置，d8=d3，d9=d2，d10=d1。

所述的入口阻止电极7和出口阻止电极9具有相同的电位，电位低于电四极透镜8的中性电位。

所述电四极透镜8的中性电位与出口散焦加速电极Ⅱ6的电位相同。

所述的强流四极透镜离子加速管为两节以上的强流四极透镜离子加速管组合。

所述电四极透镜8在相邻的两节强流四极透镜离子加速管中的聚焦方向和散焦方向相反。

所述的强流四极透镜离子加速管的外部工作环境是5-8个大气压下的SF6气体。

图中的X、Y、Z为坐标系。

实施例1

被加速传输的离子束为氘离子束，束流强度10mA，每节加速管模块两端电压250kV，长度200mm，平均加速梯度1.25MV/m，陶瓷绝缘环13级，外部工作环境为0.6MPa的高压SF₆气体，入口聚焦加速电极Ⅰ1和出口散焦加速电极Ⅱ6的孔径为30mm，入口加速聚焦电极Ⅱ2和出口散焦加速电极Ⅰ5的孔径为50mm，中间加速电极Ⅰ3和中间加速电极Ⅱ4的孔径为70mm，漂移管8长度80mm，阻止电极7和阻止电极9的电位相同，比漂移管8的电位低2kV。20节相同的强流四极透镜离子加速管组装在一起，相邻的两个强流四极透镜离子加速管中的电四极透镜8的聚焦方向和散焦方向相反，形成长度为4米，总加速电压为5MV的超高压强流离子加速管，输出能量5MeV，束流强度10mA，束流截面直径小于10mm的氘离子束。

实施例2

被加速传输的离子束为质子束，束流强度20mA，每节加速管模块两端电压250kV，长度200mm，平均加速梯度1.25MV/m，陶瓷绝缘环13级，外部工作环境为0.6MPa的高压SF₆气体，入口聚焦加速电极Ⅰ1和出口散焦加速电极Ⅱ6的孔径为30mm，入口加速聚焦电极Ⅱ2和出口散焦加速电极Ⅰ5的孔径为50mm，中间加速电极Ⅰ3和中间加速电极Ⅱ4的孔径为70mm，漂移管8长度80mm，阻止电极7和阻止电极9的电位相同，比漂移管8的电位低2kV。36节相同的加速管组装在一起，相邻的两个强流四极透镜离子加速管中的电四极透镜8的聚焦方向和散焦方向相反，形成长度为7.2米，总加速电压为8MV的超高压强流离子加速管，输出能量8MeV，束流强度20mA，束流截面直径小于10mm的质子束。

最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种强流四极透镜离子加速管，其特征在于：所述的强流四极透镜离子加速管包括入口聚焦加速电极Ⅰ（1），入口聚焦加速电极Ⅱ（2），中间加速电极Ⅰ（3），中间加速电极Ⅱ（4），出口散焦加速电极Ⅰ（5），出口散焦加速电极Ⅱ（6），入口阻止电极（7），电四极透镜（8），出口阻止电极（9）；离子束在入口沿轴线注入，在聚焦加速电极Ⅰ（1）和入口聚焦加速电极Ⅱ（2）区间获得电场加速和聚焦，之后进入中间加速电极Ⅰ（3）和中间加速电极Ⅱ（4）获得电场加速，之后进入出口散焦加速电极Ⅰ（5）和出口散焦加速电极Ⅱ（6）获得电场加速和散焦，然后，离子束通过入口阻止电极（7），进入电四极透镜（8），最后，离子束从出口阻止电极（9）输出；

所述的入口聚焦加速电极Ⅰ（1）的入口段是倾斜α角的圆锥形表面，入口的孔径为d1，α角的范围是20°～40°，中间段是等直段，等直段的孔径为d2，出口段是圆环形结构，出口段的内径为d3，d1<d3<d2；

所述的入口聚焦加速电极Ⅱ（2）为中心开直径d4的圆孔平板，d3<d4；

所述的中间加速电极Ⅰ（3）为中心开直径d5的圆孔平板，中间加速电极Ⅱ（4）为中心开直径d6的圆孔平板，d4<d5，d5=d6；

所述的出口散焦加速电极Ⅰ（5）与入口聚焦加速电极Ⅱ（2）的结构一致，与入口聚焦加速电极Ⅱ（2）呈镜像对称布置，d7=d4；

所述的出口散焦加速电极Ⅱ（6）与入口聚焦加速电极Ⅰ（1）的结构一致，与入口聚焦加速电极Ⅰ（1）呈镜像对称布置，d8=d3，d9=d2，d10=d1。

2.根据权利要求1所述的强流四极透镜离子加速管，其特征在于：所述的入口阻止电极（7）和出口阻止电极（9）具有相同的电位，电位低于电四极透镜（8）的中性电位。

3.根据权利要求1所述的强流四极透镜离子加速管，其特征在于：所述电四极透镜（8）的中性电位与出口散焦加速电极Ⅱ（6）的电位相同。

4.根据权利要求1所述的强流四极透镜离子加速管，其特征在于：所述的强流四极透镜离子加速管为两节以上的强流四极透镜离子加速管组合。

5.根据权利要求1所述的强流四极透镜离子加速管，其特征在于，所述电四极透镜（8）在相邻的两节强流四极透镜离子加速管中的聚焦方向和散焦方向相反。