CN106370920A - 用于测量紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压的方法，该方法基于轫致辐射原理，具体包括下述步骤：将加速器高频腔中探测点发出的轫致辐射X射线通过准直孔传播到加速器外部；使用探测器测出上述射线全能峰能谱；所述加速器高频腔中腔体峰值电压与所述射线最大能量具有一定对应关系，通过测得的射线能谱最大值，测定高频腔体的峰值电压。本发明原理简单可靠，可行性高，操作性强，可以准确的得出高频腔峰值电压，更重要的是，与传统电子学测量方法相比，可以避免诸多因素对腔体分布参数的影响，可以准确反映高频腔峰值电压，以满足加速器物理调束要求。

Description

用于测量紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压的方法

技术领域

本发明涉及一种利用轫致辐射原理测量高频谐振腔电压的方法，特别是涉及一种医用紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压测量的方法。

背景技术

回旋加速器在核医学领域有着广泛的应用，尤其是在放射性药物制药，肿瘤治疗等领域做出了巨大的贡献。质子回旋加速器的高频谐振腔体由高频发射机激励，工作峰值电压为80kV-150kV。它的作用是在腔体电极与地之间的缝隙中形成高频电场。每当离子束团通过缝隙时，便受到电场力的谐波加速。加速后获得的能量增益ΔW与腔体的电压成正比。因此，腔体电压的高低和稳定性与调束及束流品质、强度有着密切的关系。谐振腔DEE板电压测试是十分必要的。使用传统方法(如直接测量法、网络分析仪测量、利用Q值法测量等)对腔体电压进行直接测量，在测量过程中，由于电子元件物理特性变化以及测量探测器与腔体连接所造成的腔体分布参数、特性阻抗的改变，而使腔体电压的正常分布和取样电压的准确性受到影响。测量方式和方法均有失稳妥，很难准确测量高频腔体电压的大小，并且受多种条件的限制，这给调束带来不便。因此，如何采用一种间接测量方法，即测量过程中避免与腔体的直接接触，能比较准确的反映加速器高频腔的实际工作电压值显得十分必要，也很有意义。

本发明就是基于轫致辐射原理的一种间接测量高频腔电压峰值的方法，测量结果更加精确。

应用于加速器轫致辐射原理：在加速器无束流注入的情况下，当高频腔体上激励数十kV高频峰值电压时，高频电极间的场致发射电子会被高频电场加速。当这些被加速的电子碰到加速电极材料时，会与材料物质原子核库仑场相互作用发生碰撞而损失能量，引起原子内层电子的跃迁而发射出电磁波，产生一种连续能谱的X射线。

因此，若能测得轫致辐射所产生的X射线能谱，并且能找出能谱与高频腔电压关系，就能间接测量加速器高频腔电压。相对于传统电子学测量方式有诸多优势，测试结果更为准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压的方法，该方法主要解决了在高频腔电压测试中探针直接接触腔体而造成很难测准等问题，能够准确测量高频腔DEE板峰值电压，为高频腔调谐提供参考；其具有原理简单可靠，可行性高，操作性强等特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

用于测量紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压的方法，该方法基于轫致辐射原理，将加速器高频腔中高速电子与腔壁碰撞在探测点发出轫致辐射X射线通过准直孔传播到加速器外部，传播过程能量大小不变且具有连续能谱；使用合适的探测器测出该射线全能峰能谱，而腔体峰值电压与射线最大能量具有一定对应关系，于是测得射线能谱的最大值，也就测定了高频腔体的峰值电压。

高频腔峰值电压范围为80kV-150kV，所测轫致辐射能谱能量不超过150keV，为低能区。

探测器所探测的射线能谱最大值与高频腔峰值电压对应关系为Emax＝eVmax，其中E为能谱能量最大值，e为电子电量，Vmax为腔体峰值电压。

高频腔峰值电压位置根据理论分析及仿真软件模拟确定，该位置即为探测点，位于高频腔DEE板外侧距离中心点最远处。

准直孔位于探测点正上方，直径为10mm，即避免孔径过大对加速器铁轭磁场造成影响，又避免孔径过小造成探测效率较低。

探测器在低能区有较好分辨率，因此选用高纯锗(Ge)探测器，5.9KeV分辨率为300eV，122KeV分辨率为585eV。

为保证探测效率较高，探测器与探测点距离尽可能较小，因此探测器安装时紧贴加速器外壁，位置为准直孔外出口正上方。

为减小热激发载流子反向电流引起的噪声以及保持Ge+与受主离子补偿形成的“离子对”不被破坏，高纯锗探测器应保持于液氮温度(-196℃)。因此需要液氮杜瓦瓶提供冷却，杜瓦瓶容量7L，主要目的是保证探测器能正常工作。

探测器所在位置有铁轭产生的很强的杂散磁场，这会对探测器中电子元件产生干扰，因此需要对探测器进行磁屏蔽，屏蔽后保证探测器电子学元件可以正常工作；具体地，所述高纯锗探测器位于探测器屏蔽器内。

根据加速器内部运行要求，加速器高频腔内部处于真空状态，因此需要在准直孔处做好密封处理，保证开孔不会破坏加速器内部真空环境。

本发明的有益效果：本发明基于轫致辐射原理，利用加速器高频腔中高速电子与腔壁碰撞在探测点发出轫致辐射X射线，部分射线通过准直孔传播到加速器外部，传播过程能量大小不变且具有连续能谱；使用探测器测出该射线全能峰能谱，而腔体峰值电压与X射线最大能量具有一定对应关系，于是测得X射线能谱的最大值，也就测定了高频腔体的峰值电压；

本发明原理简单可靠，可行性高，操作性强，可以准确的得出高频腔峰值电压；更重要的是，与传统电子学测量方法相比，可以避免诸多因素对腔体分布参数的影响，可以准确反映高频腔峰值电压，以满足加速器物理调束要求；

本发明是一种间接测量高频腔电压的方法，可以避免直接测量过程中探针接触腔体而造成腔体分布参数改变等诸多影响，测量结果更加准确。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明探测高频腔电压峰值原理图；

图2为本发明沿准直孔外出口轴线向外磁场分布图；

图1中：1-杜瓦瓶；2-探测器；3-准直孔；4-探测点；5-高频腔内Dee板；6-高频腔；7-铁轭内部磁铁；8-加速器铁轭；9-探测器屏蔽器；

图2中：横坐标表示磁场分布选取的位置(以图1中的中平面为基准,X-coord、Y-coord、Z-coord为位置的三维坐标)，单位为mm；纵坐标表示对应的磁场强度，单位为Gs。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所依据的一个理论基础，即轫致辐射射线能谱与高频腔电压关系由式(3)给出，具体如下：

轫致辐射产生的X射线穿过物质时，其强度以指数规律衰减(为总线性吸收系数，d为厚度)，但其主要能量保持不变。腔体中的轫致辐射最大能量不超过200keV。这种相对能量较低的光子穿过探测孔并通过原子序数较高的介质时，主要发生光电效应(康普顿效应次要，而电子偶效应几乎不可能)。此时光子全部能量为：

E＝hν (1)

其中，h是普朗克常数，ν为光子频率，并将能量转给原子核外轨道电子，使其脱离原子束缚成为光电子，再由次级电子引起物质原子的电离或激发。利用探测器电极来收集次级电子。我们正是采用这种间接关系来探测轫致辐射。而根据轫致辐射原理，高电压加速电子所产生轫致辐射射线，其短波极限由加速电压V决定：

λ₀＝hc/eV (2)

式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，e为电子电荷，V为腔体加速电压。

联立(1)、(2)可得探测器测得的能谱峰值与高频腔DEE板峰值电压的对应关系。即为：

E_max＝eV_max (3)

其中E_max为能谱能量最大值，e为电子电量，V_max为腔体峰值电压。

本发明公布了一种用于测量紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压的方法，该方法基于轫致辐射原理，加速器高频腔6中高速电子与腔壁碰撞在探测点4发出轫致辐射X射线，部分射线通过准直孔3传播到加速器外部，传播过程能量大小不变且具有连续能谱。使用合适的探测器2测出该射线全能峰能谱，而腔体峰值电压与X射线最大能量具有一定对应关系，于是测得X射线能谱的最大值，也就测定了高频腔体的峰值电压。

高频腔峰值电压范围80kV-150kV，其产生的轫致辐射最大能量不超过150keV，而当电子能量较低时，辐射角度分布近似各向同性，因此只需测量一个固定角度的轫致辐射射线，就能够得到全能谱，这样可以降低探测器的安装要求。

高频腔峰值电压位置即为探测点，根据理论分析及仿真软件模拟，很容易确定探测点位于高频腔DEE板外侧距离中心点最远处。

根据探测需求，需要在探测点正上方开一个小孔，保证探测器能探测到来自高频腔DDE板处的轫致辐射射线；根据辐射探测原理，为保证探测器有足够的探测效率，小孔应该准直，根据加速器结构整体要求，高频腔正上方为厚度约300mm的铁轭，为避免对铁轭磁场影响，小孔孔径不宜过大，需取一个合适值为10mm(误差±0.5mm)。

根据探测原理，探测效率与探测距离的三次方成反比，因此为保证较高探测效率，在工作环境允许的情况下尽量缩短探测器与探测点之间的距离。因此探测器安装时紧贴加速器外壁，位置为准直孔外出口正上方。

根据探测需求，采用高纯锗(HPGe)探测式探测器，该类型探测器分辨率高，能谱范围广，很好的符合本次测量需求。

根据加速器内部运行要求，加速器内部处于真空状态，因此需要在准直孔处做好密封处理，保证开孔不会破坏加速器内部真空环境。

本发明的测量电压方法在谐振腔，聚变堆技术，加速器领域都将有参考意义。

本发明较佳的具体实施方式是:

如图1所示，探测器2为主要探测部分，其5.9KeV分辨率为300eV，122KeV分辨率为585eV。

如图1所示，准直孔3直径为10mm。

如图1所示，杜瓦瓶1容量为7L，主要目的是保证高纯锗(Ge)探测器能正常工作。为减小热激发载流子反向电流引起的噪声以及保持Ge+与受主离子补偿形成的“离子对”不被破坏，高纯锗探测器应保持于液氮温度(-196℃)。

如图1所示，分析仪为多通道谱分析仪，主要目的是显示记录探测器所探测的能谱。

如图1所示，因为加速器铁轭8及其内部磁铁7的存在，会在探测器所在外置产生很强的杂散场；如图2所示，为沿准直孔外出口轴线向外磁场分布，出口处磁场最大3700Gs左右，满足屏蔽装置的使用要求。

如图1所示，磁屏蔽装置可以支持在10000Gs下正常工作。

具体实施例:

如图1所示，本次测量重点是需要探测器2有足够的探测效率，因此要保证小孔准直，并保证探测距离足够小(探测器紧贴加速器外壁)。主要目的是得出轫致辐射射线全能峰的能谱。

测量前，依据γ射线能量的单一性，用133Ba放射源进行能量刻度，确定能量为30.97keV和81.0keV的峰位道址；确定0点道和道宽；主要目的是确定能量—道数关系并调整其线性，以使峰位刻度的非线性误差尽可能小；

本实施例中，由于测量的目的是确定轫致辐射能谱光电峰的端点能量，因此，测量中需进行足够的累计，使符合计数涨落统计规律的连续能谱呈现全能峰，以便较为准确地外延至代表最大能量的横轴交点；

测量时，当腔体电压较低时测量时间略长些；当腔体电压较高时，一般约90s左右即能清楚的呈现全能峰。时间不宜过长，以保证计数叠加不会影响测量结果。

本实施例中，选择不同的工作频段测量。每个频段对不同电压的辐射能谱进行了多次测量。

具体应用过程中，所处环境无强的放射性，避免外界对辐射射线对探测器的影响。所处环境温度0℃-45℃为宜，室内应无尘、无鼠、无腐蚀性气体。探测器表面，尤其是探测器端帽部分应保持清洁。测量时，探测器位置要保持固定，避免碰撞和震动对探测效率产生不良影响。当轫致辐射较弱时，所探测能谱需扣去因环境和周围材料放射性物质造成的影响。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.用于测量紧凑型超导回旋加速器高频谐振腔电压的方法，其特征在于，该方法基于轫致辐射原理，具体包括下述步骤：

将加速器高频腔中探测点发出的轫致辐射X射线通过准直孔传播到加速器外部；

使用探测器测出上述射线全能峰能谱；

所述加速器高频腔中腔体峰值电压与所述射线最大能量具有一定对应关系，通过测得的射线能谱最大值，测定高频腔体的峰值电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轫致辐射X射线是由加速器高频腔中高速电子与腔壁碰撞产生的；所述探测器所测轫致辐射能谱能量不超过150keV，为低能区；所述高频腔峰值电压范围为80kV-150kV。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器所探测的射线能谱最大值与高频腔峰值电压对应关系为E_max＝eV_max，其中E_max为能谱能量最大值，e为电子电量，Vmax为腔体峰值电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高频腔峰值电压位置即为探测点，该探测点位于高频腔DEE板外侧距离中心点最远处。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准直孔位于探测点正上方，直径为10mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速器高频腔内部处于真空状态；所述准直孔处密封处理。

7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述探测器选用高纯锗探测器，5.9KeV分辨率为300eV，122KeV分辨率为585eV。

8.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述探测器安装时紧贴加速器外壁设置，该位置为准直孔外出口正上方。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高纯锗探测器保持于液氮温度-196℃条件下；所述高纯锗探测器通过液氮杜瓦瓶提供冷却，杜瓦瓶容量7L。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述高纯锗探测器位于探测器屏蔽器内。