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Abstract

本发明属于超导回旋加速器技术领域，具体涉及一种高磁场下微型潘宁离子源，包括通过阳极支架设置在一对能够产生高磁场的电磁铁之间的中空的阳极筒，阳极筒两端设有一对阴极，阴极通过第一绝缘件、第二绝缘件设置在阳极支架上，阳极支架中设有氢气管道，氢气管道能够将氢气送入阳极筒中，阴极上能够加载高频电压，其中，阳极筒的长为50mm，内腔直径为2.3mm，筒壁厚度为0.75mm，筒体一侧设有长6‑10mm、宽0.5mm的引出缝；阴极、第一绝缘件、第二绝缘件、阳极支架的出气不影响离子源中的真空度；出气是指材料在真空中放出气体。该离子源结构紧凑，能够设置在微小狭窄的空间内。能够在很低的气压下发生放电，满足超导等时性回旋加速器的设计需求。

Description

一种高磁场下微型潘宁离子源
技术领域
本发明属于超导回旋加速器技术领域，具体涉及一种高磁场下微型潘宁离子源
背景技术
回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要仪器，其中超导等时性回旋加速器(超导回旋加速器的一个分支)是目前医用质子治疗加速器的核心设备。医用质子治疗加速器能够实现用微观世界中的质子、重离子射线治疗肿瘤，是当今世界最尖端的放射治疗技术，仅有个别发达国家掌握并应用该技术。
在超导等时性回旋加速器中，离子源技术是一项关键技术(离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置)。离子源是束流的源头，决定着束流品质，也直接影响着超导等时性回旋加速器的性能。但同时，也是超导等时性回旋加速器的一个难点，主要困难表现在以下三方面：
1.超导等时性回旋加速器的磁场强度约为2.3T，离子源的束流通过高频电压直接引出，在大约14kV高频电压下，束流在加速器中第一圈的束流直径约φ10mm，这就直接决定了离子源的安装空间不能大于5mm，同时由于离子源的引出缝隙对应着高频腔(高频腔用于为束流中的带电粒子加速提供加速能量)，也就决定了离子源有效空间约为φ5mm，因此超导等时性回旋加速器的离子源的零部件尺寸相对传统离子源小得多，结构紧凑，加工、安装难度大。
2.在2.3T强度的磁场下，离子源的起弧状态、离子源对气流量的要求、引出电压对束流的影响等问题都与低磁场状态不同。
3.离子源需要在真空环境中工作，由于整体结构非常小，其真空度比较难达到较高真空。
发明内容
针对超导等时性回旋加速器离子源的是难点，本发明的目的是提供一种能够安装在狭小安装空间内、在磁场强度高于2T的环境下稳定工作的高品质微型离子源。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种高磁场下微型潘宁离子源，包括通过阳极支架设置在一对能够产生高磁场的电磁铁之间的中空的阳极筒，所述阳极筒两端设有一对阴极，所述阴极通过第一绝缘件、第二绝缘件设置在所述阳极支架上，所述阳极支架中设有氢气管道，所述氢气管道能够将氢气送入所述阳极筒中，所述阴极上能够加载高频电压，其中，所述阳极筒的长为50mm，内腔直径为2.3mm，筒壁厚度为0.75mm，筒体一侧设有长6-10mm、宽0.5mm的引出缝；所述阴极、第一绝缘件、第二绝缘件、阳极支架的出气不影响所述潘宁离子源中的真空度；所述出气是指材料在真空中放出气体。
进一步，所述阳极筒采用耐高温高压、低出气的钨铜合金制作。
进一步，所述阴极采用低出气的100％纯度的钽制作，所述阴极加载的高频电压为80kV。
进一步，所述第一绝缘件、第二绝缘件采用耐高温高压、低出气的陶瓷材料制作。
进一步，所述阳极支架采用耐高温高压、低出气的钨铜合金材料制作。
进一步，所述电磁铁的磁场强度为2.3T。
进一步，所述阳极支架有两个，对称设置在所述电磁铁的内侧；所述阳极筒的两端分别密封设置在两个所述阳极支架中；两个所述阴极通过所述第一绝缘件分别密封设置在两个所述阳极支架中；所述阳极筒两端的空间分别与两个所述阴极连通。
进一步，所述氢气管道设置在其中一个所述阳极支架内部。
更进一步，所述氢气管道的直径为外径2mm。
进一步，所述氢气为高纯氢气，输入压力是2个大气压。
本发明的有益效果在于：
1.结构紧凑，能够设置在微小狭窄的空间内，能够满足超导等时性回旋加速器的设计需求。
2.提高了自由电子的运动轨迹，提高了电离效率，能够在很低的气压下发生放电产生等离子体。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述一种高磁场下微型潘宁离子源的剖视图；
图中：1-阴极，2-第一绝缘件，3-阳极支架，4-电磁铁，5-阳极筒，6-磁场方向，7-氢气管道，8-引出缝，9-第二绝缘件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供的一种高磁场下微型潘宁离子源，安装在超导等时性回旋加速器的电磁铁4中，由阴极1、第一绝缘件2、阳极支架3、阳极筒5、氢气管道7、第二绝缘件9组成。其中，阴极1、第一绝缘件2、第二绝缘件9、阳极支架3的出气不影响离子源中的真空度。出气是指材料在真空中放出气体，离子源需要工作在真空环境中，材料的出气会对离子源内的电离反应产生非常不利影响。
阳极筒5为中空的金属管，通过阳极支架3设置在一对能够产生高磁场的电磁铁4之间。阳极筒5采用耐高温高压、低出气的钨铜合金制作。阳极筒5的长为50mm，内腔直径为2.3mm，筒壁厚度为0.75mm，筒体一侧设有长6mm-10mm、宽0.5mm的引出缝8。
在阳极筒5两端设有一对阴极1，阴极1同样设置在阳极支架3上，阴极1通过第一绝缘件2、第二绝缘件9设置在阳极支架3上并与阳极支架3隔离，阴极1上能够加载高频电压。阴极1采用低出气的100％纯度的钽制作，阴极1加载的高频电压为80kV。
第一绝缘件2为圆筒形，第二绝缘件9为不规则片状，二者均采用耐高温高压、低出气、可加工的陶瓷材料制作，第一绝缘件2用于阴极1与阳极支架3之间的绝缘隔离，第二绝缘件9用于阴极1与阳极筒5之间的绝缘隔离。
阳极支架3有两个，对称设置在电磁铁4的内侧，阳极支架3采用耐高温高压、低出气的钨铜合金材料制作。阳极筒5的两端分别密封设置在两个阳极支架3中；两个阴极1通过第一绝缘件2分别密封设置在两个阳极支架3中；阳极筒5两端的空间分别与两个阴极1连通。
在阳极支架3中设有氢气管道7，氢气管道7能够将氢气送入阳极筒5中。氢气管道7设置在两个阳极支架3的其中一个的内部(通过在阳极支架3上钻孔得到)，氢气管道7的直径为外径2mm。输入离子源中的氢气为高纯氢气。在本实施例中，高纯氢气的输入压力是2个大气压(也就是0.2MPa)。
在本实施例中，电磁铁4采用低出气的纯铁材料制作，电磁铁4的磁场强度为2.3T。
最后举例说明本发明所提供的一种高磁场下微型潘宁离子源的实际电离过程。
一个阳极筒5作为阳极，在其两端为同电位的一对阴极1，由阳极筒5和阴极1构成的整个放电室位于电磁铁4之间，形成平行于圆筒形的阳极筒5的轴向的磁场6，在氢气管道7内通入氢气，阳极筒5与阴极1间加载上千伏的电压。当电离开始时，电子在电场和磁场共同作用下在阳极筒5内成螺旋线运动，同时也防止电子向阳极壁(即阳极筒5的内壁)扩散。在阳极筒5内的空间中的自由电子在电磁场的作用下，进行螺旋线运动，电子运动轨迹大大加长，导致它与中性气体分子的碰撞几率增大，提高了电离效率，使得这种结构在很低的气压下也能发生放电，形成大量的等离子体，等离子体从引出缝8引出形成离子束流。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种高磁场下微型潘宁离子源，包括通过阳极支架(3)设置在一对能够产生高磁场的电磁铁(4)之间的中空的阳极筒(5)，所述阳极筒(5)两端设有一对阴极(1)，所述阴极(1)通过第一绝缘件(2)、第二绝缘件(9)设置在所述阳极支架(3)上，所述阳极支架(3)中设有氢气管道(7)，所述氢气管道(7)能够将氢气送入所述阳极筒(5)中，所述阴极(1)上能够加载高频电压，其特征是：所述阳极筒(5)的长为50mm，内腔直径为2.3mm，筒壁厚度为0.75mm，筒体一侧设有长6-10mm、宽0.5mm的引出缝(8)；所述阴极(1)、第一绝缘件(2)、第二绝缘件(9)、阳极支架(3)的出气不影响所述潘宁离子源中的真空度；所述出气是指材料在真空中放出气体。
2.如权利要求1所述的潘宁离子源，其特征是：所述阳极筒(5)采用耐高温高压、低出气的钨铜合金制作。
3.如权利要求1所述的潘宁离子源，其特征是：所述阴极(1)采用低出气的100％纯度的钽制作，所述阴极(1)加载的高频电压为80kV。
4.如权利要求1所述的潘宁离子源，其特征是：所述第一绝缘件(2)、第二绝缘件(9)采用耐高温高压、低出气的陶瓷材料制作。
5.如权利要求1所述的潘宁离子源，其特征是：所述阳极支架(3)采用耐高温高压、低出气的钨铜合金材料制作。
6.如权利要求1所述的潘宁离子源，其特征是：所述电磁铁(4)的磁场强度为2.3T。
7.如权利要求1所述的潘宁离子源，其特征是：所述阳极支架(3)有两个，对称设置在所述电磁铁(4)的内侧；所述阳极筒(5)的两端分别密封设置在两个所述阳极支架(3)中；两个所述阴极(1)通过所述第一绝缘件(2)分别密封设置在两个所述阳极支架(3)中；所述阳极筒(5)两端的空间分别与两个所述阴极(1)连通。
8.如权利要求7所述的潘宁离子源，其特征是：所述氢气管道(7)设置在其中一个所述阳极支架(3)内部。
9.如权利要求8所述的潘宁离子源，其特征是：所述氢气管道(7)的直径为外径2mm。
10.如权利要求1所述的潘宁离子源，其特征是：所述氢气为高纯氢气，输入压力是2个大气压。
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